安世亚太培训资料—ANSYS WORKBENCH 11.0 培训教程 第三章 通用前处理

ANSYS WORKBENCH 11.0培训教程（DS）第四章静力结构分析序言•在DS中关于线性静力结构分析的内容包括以下几个方面:–几何模型和单元–接触以及装配类型–环境（包括载荷及其支撑）–求解类型–结果和后处理•本章当中所讲到的功能同样适用与ANSYS DesignSpace Entra及其以上版本.–本章当中的一些选项可能需要高级的licenses，但是这些都没有提到。

–模态，瞬态和非线性静力结构分析在这里没有讨论，但是在相关的章节当中将会有所阐述。

线性静力分析基础•在线性静力结构分析当中，位移矢量{x} 通过下面的矩阵方程得到:在分析当中涉及到以下假设条件:–[K] 必须是连续的•假设为线弹性材料•小变形理论•可以包括部分非线性边界条件–{F} 为静力载荷•不考虑随时间变化的载荷•不考虑惯性（如质量，阻尼等等）影响•在线性静力分析中，记住这些假设是很重要的。

非线性分析和动力学分析将在随后的章节中给予讨论。

[]{}{}F x K =A. 几何结构•在结构分析当中，可以使用所有DS 支持的几何结构类型.•对于壳体，在几何菜单下厚度选项是必须要指定的。

•梁的截面形状和方向在DM已经指定并且可以自动的传到DS模型当中。

–对于线性体，仅仅可以得到位移结果.ANSYS License AvailabilityDesignSpace Entra xDesignSpace xProfessional xStructural xMechanical/Multiphysics x…Point Mass•Point Mass 在“Geometry”分支在模拟没有明确建模的重量–只有面实体才能定义point mass–可以用以下方式定义point mass位置:•在任意用户定义坐标系中(x, y, z)坐标•选择点/边/面来定义位置–重量/质量大小在“Magnitude”中输入–在结构静力分析中,point mass只受“加速度”，“标准重力加速度,”和“旋转速度”的作用.–质量和所选面相连通时它们之间没有刚度. 这不是一个刚度区域假设而是一个类似与分布质量的假设–没有旋转惯性项出现.ANSYS License AvailabilityDesignSpace Entra xDesignSpace xProfessional x…Point Mass•point mass 将会以灰色圆球出现–前面提到，只有惯性力才会对point mass 起作用。

ANSYSWorkbench基础教程与工程分析详解第三章热力学分析{Q }表示结点热流率向量，包含热生成。

若系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于留出系统的热量（0q q q ++=流入生成流出），则系统处于热稳态，在热态分析中任一点的温度不随时间变化。

稳态热分析的能量平衡方程为：[K ]{T }={Q }（3-3）式（3-3）中各个字母代表的含义如下。

[K ]表示传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{T }表示结点温度向量；{Q }表示结点热流量向量，包含热生成。

在稳态热分析中，所有与时间有关的项都不考虑（当然非线性现象还是有可能存在的）。

在Workbench 的Mechanical 模块中，求稳态热分析是做了如下假设。

假设1：在稳态热分析中不考虑任何瞬态效应。

假设2：[K ]可以是常量或温度的函数，每种材料属性中都可以输入与温度相关的热传导率。

假设3：在ANSYS 程序中利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K ]、{T }和{Q }。

上述方程的基础实际是傅里叶定律。

这说明Mechanical 模块中求解的热分析是基于传导方程，其中固体内部的热流是[K ]的基础，且热通量、热流率以及对流在{Q }中被认为是边界条件。

传热分析与CFD （Computational Fluid Dynamics ，计算流体力学）分析是不同的，因为在传热分析中对流被处理成简单的边界条件（虽然对流传热膜系数有可能与温度有关）。

如果需要分析共轭传热/流动问题，则需要用CFD 技术，这些基本概念在进行FEM 分析之前必须先要了解。

3.2 基本传热方式工程应用中传热方式主要有热传导（Conduction ）、热对流（Convection ）、热辐射（Radiation ）。

当物体内部存在温度差时，热量从高温部分传递到低温部分；不同温度的物体相接触时，热量从高温物体传递到低温物体。

ANSYSWorkbench建模培训教程ANSYS Workbench建模培训教程ANSYS Workbench是一个功能强大的基于图形用户界面（GUI）的预处理器，它可以帮助工程师们将复杂的工程问题转化为数学模型。

通过仿真技术可以在计算机上模拟和分析各种结构和系统的物理行为，这对于工程设计与开发十分重要。

本文将介绍ANSYS Workbench的建模培训教程。

第一步-安装ANSYS Workbench：在开始进行任何ANSYS Workbench操作之前，首先需要安装相应的软件。

安装分为两个部分：安装ANSYS Workbench和安装ANSYS License Manager。

在安装前，请确保计算机系统满足ANSYS Workbench的硬件和软件要求。

在安装完之后，需要使用域名许可证或网络通信管理模式启动许可证。

如果您对此不熟悉，您可以向ANSYS有关技术支持人员咨询。

第二步-创建新项目：成功安装软件后，需要创建一个新的项目，输入项目名称，选择适当的分析类型（压力、热力、动力、疲劳等等），并选择模板（例如：静态结构分析）。

然后，您需要选择适当的材料模型和截面类型，并创建几何模型。

第三步-在几何模型中添加操作：几何模型可以是通过从CAD软件中导入几何体对象直接创建的，也可以通过建立基本几何形状来创建。

ANSYS Workbench允许您在几何模型中添加各种操作，例如切割、合并、倒角、平移、旋转和以自由曲面更改几何体的形状。

此外，还可以添加约束条件、负载和分析对象等。

第四步-设置边界条件和加载：一旦几何模型得到了完善，您需要添加加载和边界条件来模拟实际环境。

边界条件可以是支撑、拘束、支撑反应力、流量和温度等，负载可以是重力和其他外部设置的荷载等。

您可以使用荷载、调整荷载和观察解决方案等功能来设置边界条件和加载。

第五步-求解和后处理：您已经完成了前三步，现在需要运行数值模拟并分析结果。

在ANSYS Workbench中，可以选择求解器类型、设置控制图、指定收敛标准和使用并行处理选项，以求解数学模型和研究截面性能等问题。

2一、材料力学的基础知识工程结构或机械的各组成部分，如建筑物的梁和柱、机床的轴，统称为构件。

当工程结构或机械工作时，构件将受到载荷的作用，为保证工程结构或机械的正常工作，构件应有足够的能力负担起应当承受的载荷。

因此，它应当满足以下的要求：1）强度的要求在规定载荷作用下构件当然不应破坏。

例如，冲床的曲轴不可折断，储气罐不应爆破。

强度要求就是指构件应有足够的抵抗破坏的能力。

2）刚度要求在载荷作用下，构年即使有足够的强度，但若变形过大仍不能正常工作，例如，若齿轮轴变形过大，将造成齿轮和轴承不均匀磨损，引起噪音。

机床主轴变形过大，将影响加工精度。

刚度要求就是指构件应有足够的抵抗变形的能力。

3）稳定性要求有些受压力作用的细长杆，如千斤顶的螺杆、内燃机的挺杆等，应始终维持原有的直线平衡形态，保证不被压弯。

稳定性要求就是指构件应有足够的保持原有平衡形态的能力。

若构件的横截面尺寸不足或形状不合理，或材料选用不当，将不能满足上述要求，从而不能保证工程结构和机械的安全工作。

相反，也不应不恰当地加大横截面尺寸或选用优质材料，这虽满足了上述要求，却多使用了材料和增加了成本，造成浪费。

材料力学的任务就是保证在满足强度、刚度和稳定性的要求下，为设计既经济又安全的构件，提供必要的理论基础和计算方法。

1. 1基本概念1.1.1载荷（load）也称为力、外力、负荷等，可以分成如下所示的各种类型:1）根据构件内生成的应力来分类:拉伸载荷，压缩载荷，弯曲载荷，剪切载荷，扭转载荷。

2）采用理论公式的载荷分类：轴向力(N)、横向载荷(N)、弯矩(N·m)、扭矩(N·m)3）按载荷的分布状态分类：分布载荷（均匀分布和任意分布）集中载荷（分布载荷的范围相对狭隘情况下的近似）4）给予坐标的一点的载荷分类（在有限元法中这样的表示很多）：Fx、Fy、Fz、Mx、My、MzFx——为x 轴方向上的载荷；Mx——为绕x 轴转的弯矩载荷5）由加在构件上的载荷的变化形式分类：静载荷（不随时间变化的载荷）图1.1动载荷（不规则载荷、周期载荷、正弦波载荷、冲击载荷）图1.26）由载荷的作用位置来分类：表面力（作用于表面的载荷）物体力（作用于物体体积或质量的载荷，以加速度载荷为代表）7）由载荷的原因来分类：自重、压力载荷、水头压力、浮力、系留力、离心力载荷。

第一章第章ANSYS Workbench介绍ANSYS Workbench概述Training Manual •什么是ANSYS Workbench?–ANSYS Workbench提供了与ANSYS系列求解器相交互的强大方法。

这种环境为CAD系统和您的设计过程提供了独一无二的集成。

系统和您的设计过程提供了独一无二的集成•ANSYS Workbench由多种应用组成(一些例子):–Mechanical用ANSYS求解器进行结构和热分析。

•网格划分也包含在Mechanical应用中M h i l–Fluid Flow (CFX) 用CFX进行CFD分析–Fluid Flow (FLUENT) 用FLUENT进行CFD分析Geometry(DesignModeler)几何体为在–Geometry (DesignModeler)创建和修改CAD几何体，为在Mechanical中所用的实体模型做准备。

–Engineering Data 定义材料属性。

g pp–Meshing Application 创建CFD和显式动态网格–Design Exploration用于优化分析–Finite Element Modeler (FE Modeler)转换NASTRAN和ABAQUS 中的网格以便在ANSYS中使用Bl d G(Bl d G t)–BladeGen (Blade Geometry)用于创建叶片几何–Explicit Dynamics用于非线性动态的显式动态模拟特性建模Training Manual… ANSYS Workbench 概述•The Workbench 提供两种类型的应用:–本地应用(工作区): 现有的本地应用有Project Schematic, Engineering Data d D i E l ti and Design Exploration 。

•本地应用完全在Workbench 窗口中启动和运行。

Chapter 3 2D Simulations 1 Chapter 32D Simulations3.1 Step-by-Step: T riangular Plate3.2 Step-by-Step: Threaded Bolt-and-Nut3.3 More Details3.4 More Exercise: Spur Gears3.5 More Exercise: Filleted Bar3.6 ReviewSection 3.1 T riangular PlateProblem Description•The plate is made of steel and designed to withstand a tensile force of 20,000 N on eachof its three side faces.•We are concerned about the deformations and the stresses.Techniques/Concepts•Project Schematic•Concepts>Surface From Sketches•Analysis T ype (2D)•Plane Stress Problems•Generate 2D Mesh•2D Solid Elements•<Relevance Center> and<Relevance>•Loads>Pressure•Weak Springs•Solution>T otal Deformation•Solution>Equivalent Stress•T ools>Symmetry•Coordinate SystemSection 3.2Threaded Bolt-and-Nut Problem Description[1] Bolt.[2] Nut.[3] Plates.[4] Sectionview.17 mm [1] The 2Dsimulationmodel.[6] Frictionlesssupport.The plane of symmetry The axis of symmetryTechniques/Concepts•Hide/Show Sketches •Display Model/Plane•Add Material/Frozen •Axisymmetric Problems •Contact/T arget •Frictional Contacts •Edge Sizing•Loads>Force •Supports>Frictionless Support •Solution>Normal Stress •Radial/Axial/Hoop Stresses •Nonlinear SimulationsSection 3.3More DetailsPlane-Stress Problems•Plane stress condition:Z =0, ZY =0, ZX =0•The Hook's law becomesX = X EY E Y = Y E XE Z = X EYEXY=XY G , YZ =0, ZX =0•A problem may assume the plane-stress condition if its thickness direction is not restrained and thus free to expand or contract.XXYXYXYXYXYXY ZYStress state at a point of a zero thickness plate, subject to in-planeforces.Plane-Strain Problems[2] Strain state at a point of a plane-strain structure.XYZYXXYXYXY •Plane strain condition:Z =0, ZX =0, ZY =0•The Hook's law becomesX =E(1+ )(1 2 )(1 ) X + YY =E(1+ )(1 2 )(1 ) Y + XZ =E(1+ )(1 2 ) X+ Y XY =G XY , YZ =0, ZX =0•A problem may assume the plane-strain condition if its Z -direction is restrained from expansion or contraction, all cross-sections perpendicular to the Z -direction have the same geometry, and allenvironment conditions are in the XY plane.RRZZRZRZRRZZRZRZ[1] Strainstate at apoint of aaxisymmetricstructure.[2] Stressstate at apoint of aaxisymmetricstructure.Axisymmetric Problems•If the geometry, supports, andloading of a structure areaxisymmetric about the Z-axis,then all response quantities areindependent of coordinate.•In such a case,R =0,Z=0R =0,Z=0•both and are generally not zero. They are termed hoopstress and hoop strain respectively.Mechanical GUI•Pull-down Menusand T oolbar s •Outline of ProjectT ree •Details View •Geometry •Graph•T abular Data •Status Bar •SeparatorsProject Tree• A project tree may contain one or more simulation models.• A simulation model may contain one or more <Environment> branches, along with otherobjects. Default name for the <Environment>branch is the name of the analysis system.•An <Environment> branch contains <Analysis Settings>, environment conditions, and a<Solution> branch.• A <Solution> branch contains <Solution Information> and several results objects.Unit Systems [1] Built-in unit systems.[2] Unit system for current project.[3] Default project unit system.[4] Checked unit systems won't be available in the pull-down menu.[5] These, along with the SI, are consistent unit systems. •Consistent versus Inconsistent Unit Systems.•Built-in versus User-De fined Unit Systems.•Project Unit System.•Length Unit in <DesignModeler>.•Unit System in <Mechanical>.•Internal Consistent Unit System.Environment ConditionsResults ObjectsView Results [1] Click to turn on/off the label of maximum/minimum.[2] Click to turn on/off the probe.[4] Y ou may select the scale of deformation.[5] Y ou can control how the contour displays. [6] Some results can display with vectors.[3] Label.Section 3.4Spur GearsProblem Description [2] And the bending stress here.[1] What we are concerned most is the contact stress here.Techniques/Concepts•Copy bodies (T ranslate)•Contacts•Frictionless•Symmetric (Contact/T arget)•Adjust to T ouch •Loads>Moment•T rue Scale100 100 100 50R 1550 kN 50 kNSection 3.5Filleted BarProblem Description[2] The bar has a thickness of 10 mm.[1] The bar is made of steel.Part A. Stress DiscontinuityDisplacement field iscontinuous over theentire body.[2] Original calculated stresses (unaveraged) are not continuous across element boundaries, i.e., stress at boundaryhas multiple values.[4] By default, stresses are averaged on the nodes, and the stress field is recalculated. That way, the stress field is continuous over the body.Part B. Structural Error•For an element, strain energies calculated using averaged stresses and unaveraged stresses respectively are different. The difference between these two energy values is called <Structural Error> of the element.•The finer the mesh, the smaller the structural error. Thus, the structural error can be used as an indicator of mesh adequacy.Part C. Finite Element Convergence0.07790.07800.07810.07820.07830.07840.07850.07860.078702000400060008000100001200014000D i s p l a c e m e n t (m m )Number of Nodes[1] Quadrilateralelement.[2] T riang ular element.[3] Increasing nodes.Part D. Stress Concentration[1] T o accuratelyevaluate the concentrated stress, finer mesh is needed, particularly around thecorner.[2] Stress concentration.Part E. Stress SigularityThe stress in this zero-radius fillet is theoreticallyinfinite.•Stress singularity is not limited to sharp corners.•Any locations that have stress of infinity are called singularpoints.•Besides a concave fillet of zero radius, a point of concentratedforces is also a singular point.。