ANSYS Workbench 14.5有限元分析案例详解

作者简介

本书以ANSYS 公司最新版本的有限元分析平台Workbench 14.5 为操作平台，详细介绍了软件的功能及

应用。本书内容丰富，涉及领域范围广，使读者在掌握软件应用的同时，也能熟悉解决相关工程领域实际问

题的思路与方法。全书共分为19 章，首先以各个分析模块为基础，介绍ANSYS Workbench 14.5 的建模、网

格划分、分析设置、结果后处理，然后以项目范例为指导，主要讲解Workbench 在结构静力学分析、模态分

析、谐响应分析、响应谱分析、随面振动分析、瞬态动力学分析、接触分析、显示动力学分析、复合材料分

析、疲劳分析、多体动力学分析、稳态热力学分析、瞬态热力学分析、流体动力学分析、电场分析、磁场分

析及多物理场耦合分析中的应用。

本书工程实例丰富，讲解详尽，内容安排循序渐进，既适合理工院校土木工程、机械工程、力学、电气

工程、能源、电子通信、航空航天等相关专业的高年级本科生、研究生及教师使用，也可以作为相关工程技

术人员从事工程研究的参考书。

书籍目录

第1章  有限元基本理论
1

1.1  有限元法发展综述
1

1.1.1  有限元法的孕育过程及诞生和发展
2

1.1.2  有限元法的基本思想
2

1.1.3  有限元的应用及其发展趋势
4

1.2  有限元分析基本理论
6

1.2.1  有限元分析的基本概念和计算步骤
6

1.2.2  基于最小势能原理的有限元法
14

1.2.3  杆系结构的非线性分析理论
19

1.2.4  稳定计算理论
30

1.3  本章小结
32

第2章  ANSYS Workbench 14.5概述
33

2.1  ANSYS Workbench 14.5平台及模块
33

2.1.1  Workbench平台界面
34

2.1.2  菜单栏
34

2.1.3  工具栏
41

2.1.4  工具箱
41

2.2  DesignModeler 14.5几何建模
45

2.2.1  DesignModeler几何建模平台
45

2.2.2  菜单栏
46

2.2.3  工具栏
54

2.2.4  常用命令栏
56

2.2.5  Tree Outline（模型树）
56

2.2.6  DesignModeler几何建模实例——连接板
59

2.3  ANSYS SpaceClaim Direct Modeler几何建模
67

2.3.1  SpaceClaim几何建模平台
68

2.3.2  菜单选项卡
69

2.3  ANSYS SpaceClaim Direct Modeler几何建模实例
71

2.4  ANSYS Meshing 14.5网格划分平台
76

2.4.1  Meshing网格划分适用领域
76

2.4.2  Meshing网格划分方法
76

2.4.3  Meshing网格默认设置
79

2.4.4  Meshing网格尺寸设置
80

2.4.5  Meshing网格膨胀层设置
84

2.4.6  Meshing网格Patch Conforming选项
85

2.4.7  Meshing网格高级选项
86

2.4.8  Meshing网格损伤设置
86

2.4.9  Meshing网格评估统计
87

2.5  ANSYS Meshing 14.5网格划分实例
93

2.5.1  应用实例1——网格尺寸控制
93

2.5.2  应用实例2——扫掠网格划分
102

2.5.3  外部网格导入实例1——CDB网格导入
109

2.5.4  外部网格导入实例2——CDB网格导入
113

2.6  ANSYS Mechanical 14.5后处理
116

2.6.1  查看结果
116

2.6.2  结果显示
120

2.6.3  变形显示
120

2.6.4  应力和应变
121

2.6.5  接触结果
122

2.6.6  自定义结果显示
123

2.7  本章小结
124

第3章  结构静力学分析案例详解
125

3.1  线性静力分析简介
125

3.1.1  线性静力分析
125

3.1.2  线性静力分析流程
126

3.1.3  线性静力分析基础
127

3.2  静力学分析实例1——实体静力分析
127

3.2.1  问题描述
127

3.2.2  启动Workbench并建立分析项目
127

3.2.3  导入创建几何体
128

3.2.4  添加材料库
129

3.2.5  添加模型材料属性
130

3.2.6  划分网格
131

3.2.7  施加载荷与约束
132

3.2.8  结果后处理
134

3.2.9  保存与退出
136

3.2.10  读者演练
136

3.3  静力学分析实例2——梁单元线性静力分析
137

3.3.1  问题描述
137

3.3.2  启动Workbench并建立分析项目
137

3.3.3  创建几何体
138

3.3.4  添加材料库
142

3.3.5  添加模型材料属性
143

3.3.6  划分网格
145

3.3.7  施加载荷与约束
146

3.3.8  结果后处理
147

3.3.9  保存与退出
150

3.3.10  读者演练
150

3.4  静力学分析实例3——板单元静力分析
151

3.4.1  问题描述
151

3.4.2  启动Workbench并建立分析项目
151

3.4.3  导入创建几何体
151

3.4.4  添加材料库
152

3.4.5  添加模型材料属性
153

3.4.6  划分网格
154

3.4.7  施加载荷与约束
155

3.4.8  结果后处理
156

3.4.9  保存与退出
157

3.4.10  读者演练
158

3.5  静力学分析实例4——子模型静力分析
158

3.5.1  问题描述
158

3.5.2  启动Workbench并建立分析项目
158

3.5.3  导入创建几何体
159

3.5.4  添加材料库
160

3.5.5  添加模型材料属性
162

3.5.6  划分网格
163

3.5.7  施加载荷与约束
163

3.5.8  结果后处理
165

3.5.9  子模型分析
167

3.5.10  保存并退出
171

3.6  本章小结
171

第4章  模态分析案例详解
172

4.1  结构动力学分析简介
172

4.1.1  结构动力学分析
172

4.1.2  结构动力学分析的阻尼
173

4.2  模态分析简介
173

4.2.1  模态分析
174

4.2.2  模态分析基础
174

4.2.3  预应力模态分析
175

4.3  模态分析实例1——模态分析
175

4.3.1  问题描述
175

4.3.2  启动Workbench并建立分析项目
175

4.3.3  创建几何体
176

4.3.4  添加材料库
176

4.3.5  添加模型材料属性
178

4.3.6  划分网格
179

4.3.7  施加载荷与约束
179

4.3.8  结果后处理
181

4.3.9  保存与退出
183

4.4  模态分析实例2——有预应力模态分析
184

4.4.1  问题描述
184

4.4.2  启动Workbench并建立分析项目
184

4.4.3  创建几何体
185

4.4.4  添加材料库
185

4.4.5  添加模型材料属性
187

4.4.6  划分网格
188

4.4.7  施加载荷与约束
188

4.4.8  模态分析
190

4.4.9  后处理
190

4.4.10  保存与退出
192

4.5  模态分析实例3——有预应力模态分析
192

4.5.1  问题描述
193

4.5.2  修改外载荷数据
193

4.5.3  模态分析
193

4.5.4  后处理
194

4.5.5  保存与退出
195

4.5.6  结论
195

4.6  本章小结
196

第5章  谐响应分析案例详解
197

5.1  谐响应分析简介
197

5.1.1  谐响应分析
197

5.1.2  谐响应分析的载荷与输出
198

5.1.3  谐响应分析通用方程
198

5.2  谐响应分析实例1——梁单元谐响应分析
198

5.2.1  问题描述
199

5.2.2  启动Workbench并建立分析项目
199

5.2.3  创建模态分析项目
200

5.2.4  材料选择
200

5.2.5  施加载荷与约束
201

5.2.6  模态分析
203

5.2.7  后处理
203

5.2.8  创建谐响应分析项目
205

5.2.9  施加载荷与约束
205

5.2.10  谐响应计算
206

5.2.11  结果后处理
207

5.2.12  保存与退出
209

5.3  谐响应分析实例2——实体模型谐响应分析
209

5.3.1  问题描述
210

5.3.2  启动Workbench并建立分析项目
210

5.3.3  材料选择
211

5.3.4  施加载荷与约束
211

5.3.5  模态分析
213

5.3.6  后处理
213

5.3.7  谐响应分析
215

5.3.8  谐响应计算
216

5.3.9  结果后处理
216

5.3.10  保存与退出
218

5.4  本章小结
219

第6章  响应谱分析案例详解
220

6.1  响应谱分析简介
220

6.1.1  频谱的定义
220

6.1.2  响应谱分析的基本概念
221

6.2  响应谱分析实例1——简单桥梁响应谱分析
223

6.2.1  问题描述
223

6.2.2  启动Workbench并建立分析项目
224

6.2.3  导入几何体模型
224

6.2.4  静态力学分析
225

6.2.5  添加材料库
225

6.2.6  划分网格
226

6.2.7  施加约束
227

6.2.8  模态分析
229

6.2.9  结果后处理
229

6.2.10  响应谱分析
230

6.2.11  添加加速度谱
230

6.2.12  后处理
231

6.2.13  保存与退出
233

6.3  响应谱分析实例2——建筑物框架响应谱分析
233

6.3.1  问题描述
233

6.3.2  启动Workbench并建立分析项目
234

6.3.3  导入几何体模型
235

6.3.4  静态力学分析
235

6.3.5  添加材料库
236

6.3.6  划分网格
236

6.3.7  施加约束
237

6.3.8  模态分析
238

6.3.9  结果后处理
238

6.3.10  响应谱分析
240

6.3.11  添加加速度谱
240

6.3.12  后处理
242

6.3.13  保存与退出
242

6.4  本章小结
243

第7章  随机振动分析案例详解
244

7.1  随机振动分析简介
244

7.2  随机振动分析实例1——简单桥梁随机振动分析
245

7.2.1  问题描述
245

7.2.2  启动Workbench并建立分析项目
246

7.2.3  导入几何体模型
246

7.2.4  静态力学分析
247

7.2.5  添加材料库
248

7.2.6  划分网格
248

7.2.7  施加约束
249

7.2.8  模态分析
251

7.2.9  结果后处理
251

7.2.10  随机振动分析
253

7.2.11  添加加速度谱
253

7.2.12  后处理
254

7.2.13  保存与退出
255

7.3  随机振动分析实例2——建筑物框架随机振动分析
256

7.3.1  问题描述
256

7.3.2  启动Workbench并建立分析项目
256

7.3.3  导入几何体模型
257

7.3.4  静态力学分析
258

7.3.5  添加材料库
258

7.3.6  划分网格
258

7.3.7  施加约束
259

7.3.8  模态分析
261

7.3.9  结果后处理
261

7.3.10  随机振动分析
262

7.3.11  添加加速度谱
263

7.3.12  后处理
264

7.3.13  保存与退出
265

7.4  本章小结
265

第8章  瞬态动力学分析案例详解
266

8.1  瞬态动力学分析简介
266

8.1.1  瞬态动力学分析
266

8.1.2  瞬态动力学分析基本公式
266

8.2  瞬态动力学分析实例1——蜗轮蜗杆传动分析
267

8.2.1  问题描述
267

8.2.2  启动Workbench并建立分析项目
267

8.2.3  导入几何体模型
267

8.2.4  瞬态动力学分析
268

8.2.5  添加材料库
270

8.2.6  划分网格
270

8.2.7  施加约束
271

8.2.8  结果后处理
272

8.2.9  保存与退出
274

8.3  瞬态动力学分析实例2——活塞运动分析
274

8.3.1  问题描述
274

8.3.2  启动Workbench并建立分析项目
274

8.3.3  导入几何体模型
275

8.3.4  瞬态动力学分析
276

8.3.5  添加材料库
279

8.3.6  划分网格
279

8.3.7  施加约束
280

8.3.8  结果后处理
281

8.3.9  保存与退出
283

8.4  活塞运动优化分析
283

8.5  本章小结
287

第9章  接触分析案例详解
288

9.1  接触分析简介
288

9.2  静态接触分析实例——铝合金板孔受力分析
290

9.2.1  问题描述
290

9.2.2  启动Workbench并建立分析项目
291

9.2.3  建立几何体模型
291

9.2.4  添加材料库
292

9.2.5  添加模型材料属性
292

9.2.6  创建接触
293

9.2.7  划分网格
293

9.2.8  施加载荷与约束
295

9.2.9  结果后处理
296

9.2.10  保存与退出
298

9.3  本章小结
299

第10章  显示动力学分析案例详解
300

10.1  显示动力学分析简介
300

10.2  显示动力学分析实例1——钢球撞击金属网分析
302

10.2.1  问题描述
302

10.2.2  启动Workbench并建立分析项目
302

10.2.3  启动WorkbenchLS-DYNA建立项目
303

10.2.4  材料选择与赋予
304

10.2.5  建立项目分析
304

10.2.6  分析前处理
305

10.2.7  施加载荷
306

10.2.8  结果后处理
308

10.2.9  保存与退出
310

10.3  显示动力学分析实例2——金属块穿透钢板分析
310

10.3.1  问题描述
310

10.3.2  启动Workbench并建立分析项目
310

10.3.3  绘制几何模型
311

10.3.4  材料选择
314

10.3.5  显示动力学分析前处理
315

10.3.6  施加约束
316

10.3.7  结果后处理
318

10.3.8  启动AUTODYN软件
319

10.3.9  LS-DYNA计算
322

10.3.10  保存与退出
324

10.4  本章小结
324

第11章  复合材料分析案例详解
325

11.1  复合材料概论
325

11.2  ANSYS ACP模块功能概述
326

11.3  复合材料静力学分析实例——复合板受力分析
329

11.3.1  问题描述
329

11.3.2  启动Workbench软件
329

11.3.3  静力分析项目
330

11.3.4  定义复合材料数据
331

11.3.5  数据更新
333

11.3.6  ACP复合材料定义
334

11.3.7  有限元计算
342

11.3.8  后处理
342

11.3.9  ACP专业后处理工具
343

11.3.10  保存与退出
345

11.4  本章小结
345

第12章  疲劳分析案例详解
346

12.1  疲劳分析简介
346

12.2  疲劳分析实例——轴疲劳分析
348

12.2.1  问题描述
348

12.2.2  启动Workbench并建立分析项目
349

12.2.3  导入几何模型
349

12.2.4  添加材料库
350

12.2.5  添加模型材料属性
350

12.2.6  划分网格
350

12.2.7  施加载荷与约束
351

12.2.8  结果后处理
353

12.2.9  保存文件
354

12.2.10  启动nCode程序
354

12.2.11  疲劳分析
356

12.2.12  保存与退出
357

12.3  本章小结
357

第13章  多体动力学分析案例详解
358

13.1  多体动力学分析简介
358

13.2  多体动力学分析实例——挖掘机臂运动分析
359

13.2.1  问题描述
359

13.2.2  启动Workbench并建立分析项目
359

13.2.3  导入几何模型
360

13.2.4  多体动力学分析
360

13.2.5  添加材料库
363

13.2.6  划分网格
363

13.2.7  施加约束
363

13.2.8  结果后处理
365

13.2.9  保存与退出
367

13.3  本章小结
368

第14章  稳态热力学分析案例详解
369

14.1  热力学分析简介
369

14.1.1  热力学分析目的
369

14.1.2  热力学分析
369

14.1.3  基本传热方式
370

14.2  稳态热力学分析实例1——热传递分析
371

14.2.1  问题描述
371

14.2.2  启动Workbench并建立分析项目
371

14.2.3  导入几何模型
371

14.2.4  创建分析项目
372

14.2.5  添加材料库
372

14.2.6  添加模型材料属性
374

14.2.7  划分网格
375

14.2.8  施加载荷与约束
375

14.2.9  结果后处理
377

14.2.10  保存与退出
379

14.3  稳态热力学分析实例2——热对流分析
379

14.3.1  问题描述
379

14.3.2  启动Workbench并建立分析项目
379

14.3.3  导入几何模型
380

14.3.4  创建分析项目
381

14.3.5  添加材料库
381

14.3.6  添加模型材料属性
382

14.3.7  划分网格
383

14.3.8  施加载荷与约束
384

14.3.9  结果后处理
385

14.3.10  保存与退出
386

14.3.11  读者演练
386

14.4  稳态热力学分析实例3——热辐射分析
387

14.4.1  案例介绍
387

14.4.2  启动Workbench并建立分析项目
387

14.4.3  定义材料参数
387

14.4.4  导入模型
388

14.4.5  划分网格
388

14.4.6  定义荷载
390

14.4.7  后处理
391

14.4.8  保存并退出
393

14.5  本章小结
393

第15章  瞬态热力学分析案例详解
394

15.1  热力学分析简介
394

15.1.1  瞬态热力学分析目的
394

15.1.2  瞬态热力学分析
394

15.2  瞬态热力学分析实例1——散热片瞬态热学分析
394

15.2.1  问题描述
395

15.2.2  启动Workbench并建立分析项目
395

15.2.3  创建瞬态热分析
395

15.2.4  施加载荷与约束
396

15.2.5  后处理
396

15.2.6  保存与退出
397

15.3  瞬态热力学分析实例2——高温钢球瞬态热学分析
398

15.3.1  问题描述
398

15.3.2  启动Workbench并建立分析项目
398

15.3.3  创建瞬态热分析
398

15.3.4  施加载荷与约束
400

15.3.5  后处理
401

15.3.6  保存与退出
402

15.4  本章小结
402

第16章  流体动力学分析案例详解
403

16.1  流体动力学分析简介
403

16.1.1  流体动力学分析
403

16.1.2  CFD基础
406

16.2  流体动力学实例1——CFX内流场分析
414

16.2.1  问题描述
414

16.2.2  启动Workbench并建立分析项目
414

16.2.3  创建几何模型
415

16.2.4  网格划分
415

16.2.5  流体动力学前处理
417

16.2.6  流体计算
419

16.2.7  结果后处理
420

16.3  流体动力学实例2——Fluent流场分析
422

16.3.1  问题描述
422

16.3.2  软件启动与保存
423

16.3.3  导入几何数据文件
423

16.3.4  网格设置
424

16.3.5  进入Fluent平台
426

16.3.6  材料选择
428

16.3.7  设置几何属性
428

16.3.8  流体边界条件
429

16.3.9  求解器设置
430

16.3.10  结果后处理
431

16.3.11  Post后处理
434

16.4  流体动力学实例3——Icepak流场分析
436

16.4.1  问题描述
438

16.4.2  软件启动与保存
438

16.4.3  导入几何数据文件
438

16.4.4  添加Icepak模块
439

16.4.5  求解分析
443

16.4.6  Post后处理
445

16.4.7  静态力学分析
446

16.5  本章小结
448

第17章  电场分析案例详解
449

17.1  电磁场基本理论
449

17.1.1  麦克斯韦方程
449

17.1.2  一般形式的电磁场微分方程
451

17.1.3  电磁场中常见边界条件
452

17.1.4  ANSYS Workbench平台电磁分析
452

17.1.5  ANSOFT软件电磁分析
452

17.2  Maxwell静态电场分析实例——同轴电缆电场计算
453

17.2.1  启动Maxwell 16.0并建立分析项目
454

17.2.2  建立几何模型
454

17.2.3  建立求解器及求解域
456

17.2.4  添加材料
456

17.2.5  边界条件设置
458

17.2.6  求解计算
459

17.2.7  图表显示
461

17.2.8  Workbench平台中加载Maxwell工程文件
463

17.2.9  保存与退出
463

17.3  Maxwell直流传导分析实例——焊接位置的电场分析
464

17.3.1  启动Workbench并建立分析项目
464

17.3.2  几何模型导入
465

17.3.3  建立求解器
465

17.3.4  添加材料
465

17.3.5  边界条件设置
466

17.3.6  求解计算
467

17.3.7  网格划分
468

17.3.8  后处理
469

17.3.9  保存与退出
470

17.4  本章小结
470

第18章  磁场分析案例详解
471

18.1  ANSOFT软件磁场分析
471

18.2  Maxwell静态磁场分析实例——磁场力计算
472

18.2.1  启动Workbench并建立分析项目
472

18.2.2  建立几何模型
473

18.2.3  建立求解器及求解域
479

18.2.4  添加材料
479

18.2.5  边界条件设置
480

18.2.6  求解计算
481

18.2.7  参数化扫描
483

18.2.8  保存与退出
486

18.3  Maxwell涡流磁场分析实例——金属块涡流损耗
486

18.3.1  启动Workbench并建立分析项目
486

18.3.2  几何模型的导入
487

18.3.3  建立求解器
488

18.3.4  添加材料
488

18.3.5  边界条件设置
489

18.3.6  求解计算
490

18.3.7  损耗计算
492

18.3.8  保存与退出
493

18.4  Maxwell瞬态磁场分析实例——金属块涡流损耗
493

18.4.1  启动Workbench并建立分析项目
493

18.4.2  建立求解器
494

18.4.3  建立几何模型
494

18.4.4  添加材料
496

18.4.5  边界条件设置
496

18.4.6  网格划分
498

18.4.7  求解计算
499

18.4.8  图表显示
502

18.4.9  3D图表显示
503

18.4.10  保存与退出
505

18.5  本章小结
505

第19章  多物理场耦合分析案例详解
506

19.1  多物理场耦合分析简介
506

19.1.1  多物理场耦合分析
506

19.1.2  多物理场应用场合
507

19.2  耦合实例1——Maxwell和Mechanical线圈电磁结构瞬态耦合
508

19.2.1  问题描述
508

19.2.2  软件启动与保存
509

19.2.3  导入几何数据文件
509

19.2.4  求解器与求解域的设置
510

19.2.5  赋予材料属性
510

19.2.6  添加激励
511

19.2.7  模型检查与计算
513

19.2.8  后处理
514

19.2.9  创建电磁分析环境
516

19.2.10  创建力学分析和数据共享
517

19.2.11  材料设置
519

19.2.12  网格划分
520

19.2.13  添加边界条件与映射激励
520

19.2.14  求解计算
522

19.2.15  后处理
522

19.2.16  关闭Workbench平台
523

19.3  耦合实例2——FLUENT和Mechanical流体结构耦合分析
524

19.3.1  载入工程文件
524

19.3.2  结构力学计算
524

19.3.3  材料设置
525

19.3.4  网格划分
527

19.3.5  添加边界条件与映射激励
527

19.3.6  求解计算
529

19.3.7  后处理
529

19.3.8  读者演练
530

19.4  耦合实例3——Maxwell和Mechanical线圈电磁结构瞬态耦合
530

19.4.1  问题描述
530

19.4.2  软件启动与保存
530

19.4.3  导入几何数据文件
531

19.4.4  求解器与求解域的设置
532

19.4.5  赋予材料属性
532

19.4.6  添加激励
533

19.4.7  模型检查与计算
535

19.4.8  后处理
536

19.4.9  创建力学分析和数据共享
540

19.4.10  材料设置
541

19.4.11  网格划分
542

19.4.12  添加边界条件与映射激励
542

19.4.13  求解计算
545

19.4.14  后处理
545

19.4.15  关闭Workbench平台
546

19.5  耦合实例4——Maxwell和Icepak电磁热流耦合
546

19.5.1  问题描述
546

19.5.2  软件启动与保存
547

19.5.3  建立电磁分析
547

19.5.4  几何模型的建立
548

19.5.5  求解域的设置
552

19.5.6  赋予材料属性
552

19.5.7  添加激励
553

19.5.8  分析步创建
554

19.5.9  模型检查与计算
554

19.5.10  后处理
555

19.5.11  创建几何数据共享
556

19.5.12  添加Icepak模块
557

19.5.13  求解分析
561

19.5.14  Post后处理
563

19.6  本章小结
565

附录A  Maxwell Circuit Editor电路编辑器
566

附录B  ANSYS Workbench平台ACT模块
570

参考文献
573

 ANSYS Workbench 14.5有限元分析案例详解下载