第2章 ANSYS12.0 Workbench平臺的使用 
 

2.1 有限元分析與 ANSYS12.0 Workbench 

由于計算規(guī)模和計算方法的限制，早期的FEA工具只能用來求解一些簡化的2D穩(wěn)態(tài)、線性工程問題。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及計算能力的提高，越來越多的復(fù)雜問題可由數(shù)值模擬分析工具解決。事實上，實際的工程問題往往涉及結(jié)構(gòu)、流體流動、熱傳導(dǎo)、電磁學(xué)等各種不同的物理環(huán)境，而解決這些領(lǐng)域中的工程問題，有限元方法已經(jīng)得到成功且廣泛的應(yīng)用。 

多數(shù)情況下，使用對稱、反對稱、平面應(yīng)力、平面應(yīng)變等簡化假定能更有效的完成3D模型的數(shù)值模擬分析。也就是說，如果工程問題滿足簡化條件，我們就應(yīng)該使用這些簡化假設(shè)，而不必進行3D整體模型的數(shù)值模擬分析。 

ANSYS12.0 Workbench有限元數(shù)值模擬分析軟件用來模擬復(fù)雜的多物理場環(huán)境的實際工程問題，它在工程頁面引入了工程流程圖的概念，通過各個分析系統(tǒng)間的連接，將數(shù)值模擬過程結(jié)合在一起，每個分析系統(tǒng)的數(shù)值模擬過程一般是采用簡化假定或者真實的物理模型，將CAD模型構(gòu)造成有限元網(wǎng)格模型，再通過施加載荷和邊界條件后運行求解得到分析結(jié)果，分析系統(tǒng)之間通過共同變量建立關(guān)聯(lián)。 

  

 ANSYS12.0 Workbench提供的分析類型如下： 

結(jié)構(gòu)靜力分析 

 

用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和約束反力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化?？汕蠼獾撵o態(tài)非線性問題，包括材料非線性：如塑性、大應(yīng)變；幾何非線性：如膨脹、大變形；單元非線性如接觸分析等。 

結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析 

 

結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。動力學(xué)分析可以分析大型三維柔體和剛體運動。當(dāng)運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析、隨機振動響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、顯式動力分析等。 

熱分析 

 

熱分析可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析應(yīng)用于熱處理問題、電子封裝、發(fā)動機組、壓力容器、流固耦合問題、熱結(jié)構(gòu)耦合的熱應(yīng)力問題等。 

 

 

流體動力學(xué)分析 

 

ANSYS12.0流體動力學(xué)分析包含CFX和Fluent，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流速。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流速和溫度分布的圖形顯示。 

電磁場分析 

 

主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、變壓器、發(fā)電機、電解槽及無損檢測裝置等設(shè)計和分析領(lǐng)域。 

耦合場分析 

 

通過直接耦合或載荷傳遞順序耦合求解不同場的交互作用，用于分析諸如流體-結(jié)構(gòu)耦合、結(jié)構(gòu)-熱耦合、熱電耦合等問題。 

2.2  ANSYS12.0 WORKBENCH 工程數(shù)值模擬分析一般過程 

通常下面的過程可以完成一般的有限元數(shù)值模擬，然而，值得提示的是，利用Workbench平臺模擬不同分析類型的工程問題時，比如靜力分析、動力分析、自由振動等，這些分析類型中可能包含不同的材料非線性、瞬態(tài)載荷、剛體運動等特征，這就需要增加相應(yīng)的屬性定義以幫助完成分析。 

ANSYS12.0 Workbench 工程數(shù)值模擬一般過程如下： 

1、選擇工程問題的分析類型，將分析系統(tǒng)加入工程流程圖 

2、使用分析系統(tǒng) 

3、DesignModeler建立幾何模型或CAD接口關(guān)聯(lián)幾何模型。 

4、利用提供的工程材料或自定義來分配材料屬性。 

5、施加載荷和邊界條件。 

6、設(shè)置需要求解得到的結(jié)果。 

7、計算求解。 

8、查看評估結(jié)果。 

9、添加關(guān)聯(lián)系統(tǒng) 

10、查看參數(shù)和設(shè)計點 

11、生成有限元數(shù)值模擬分析報告。 

2.2.1 ANSYS12.0 Workbench 界面 

ANSYS12.0 Workbench中采用Workbench 2.0的框架體系，Workbench 2.0 整合所有的功能，將不同分析類型的數(shù)值模擬過程結(jié)合在一起，和以往的版本不同，Workbench 2.0中引入工程流程圖的方式管理工程項目，通過該功能，一個復(fù)雜的多物理場分析問題，通過系統(tǒng)間的相互關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)。圖2-1是 Workbench界面，該界面由以下區(qū)域構(gòu)成。 

 

圖2-1  ANSYS12.0 Workbench界面 

1、 主菜單（圖2-2） 

 

主菜單包括基本的菜單系統(tǒng)，如文件操作【File】，窗口顯示【View】，提供工具【Tools】，單位制【Units】，幫助信息【Help】。 

 

圖2-2 主菜單 

2、 基本工具條（圖2-3） 

 

基本工具條包括常用命令按鈕，如新建文件【New】，打開文件【Open】，保存文件【Save】，另存為文件【Save As】，導(dǎo)入模型【Import】，緊湊視圖模式【Compact Mode】 

 

圖2-3 基本工具條 

3、 工具箱（圖2-4） 

 

Workbench界面左側(cè)是工具箱，工具箱窗口中包含了工程數(shù)值模擬所需的各類模塊。工具箱包括分析系統(tǒng)【Analysis Systems】，如圖2-4，分析系統(tǒng)顯示不同的分析類型見表2-1。組件系統(tǒng)【Component Systems】，如圖2-5，組件系統(tǒng)顯示不同的組件類型見表2-2。自定義系統(tǒng)【CustomSystems】，設(shè)計優(yōu)化【Design Exploration】。 

                       

表2-1 分析系統(tǒng)說明 

分析類型 說明 

Electric (ANSYS) ANSYS電場分析 

Explicit Dynamics (ANSYS) ANSYS顯式動力學(xué)分析 

Fluid Flow (CFX) CFX流體分析 

Fluid Flow (Fluent) FLUENT流體分析 

Hamonic Response (ANSYS) ANSYS諧響應(yīng)分析 

Linear Buckling (ANSYS) ANSYS線性屈曲 

Magnetostatic (ANSYS) ANSYS靜磁場分析 

Modal (ANSYS) ANSYS模態(tài)分析 

Random Vibration (ANSYS) ANSYS隨機振動分析 

Response Spectrum (ANSYS) ANSYS響應(yīng)譜分析 

Shape Optimization (ANSYS) ANSYS形狀優(yōu)化分析 

Static Structural (ANSYS) ANSYS結(jié)構(gòu)靜力分析 

Steady-State Thermal (ANSYS) ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析 

Thermal-Electric (ANSYS) ANSYS熱電耦合分析 

Transient Structural(ANSYS) ANSYS結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析 

Transient Structural(MBD) MBD 多體結(jié)構(gòu)動力分析 

Transient Thermal(ANSYS) ANSYS瞬態(tài)熱分析 

 

 圖2-4 分析系統(tǒng) 

 表2-2 組件類型說明 

組件類型 說明 

AUTODYN AUTODYN非線性顯式動力分析 

BladeGen 渦輪機械葉片設(shè)計工具 

CFX CFX高端流體分析工具 

Engineering Data 工程數(shù)據(jù)工具 

Explicit  Dynamic（LS-DYNA） LS-DYNA 顯式動力分析 

Finite Element Modeler FEM有限元模型工具 

FLUNET FLUNET 流體分析 

Geometry 幾何建模工具 

Mechanical APDL 機械A(chǔ)PDL命令 

Mechanical Model 機械分析模型 

Mesh 網(wǎng)格劃分工具 

Results 結(jié)果后處理工具 

TurboGrid 渦輪葉柵通道網(wǎng)格生成工具 

Vista TF 葉片二維性能評估工具 

 

 圖2-5 組件系統(tǒng) 

4、 工程流程圖 

 

在ANSYS12.0 Workbench中工程流程圖是管理工程的一個區(qū)域，如圖2-1右側(cè)所示，分析系統(tǒng)和各個組件都可以加入工程流程圖，并建立關(guān)聯(lián)。對于熟悉ANSYS11.0 Workbench的

使用者來說，使用工程頁面管理數(shù)值模擬文件并不是件困難的事。在ANSYS12.0 版本里，工程頁面的文件管理被分析流程所取代?！綪roject Schematic】工程流程圖窗口引入圖表顯示方式管理整個工程，依靠引入分析系統(tǒng)，描述工作流程及使用ANSYS12.0 Workbench中的各項功能。 

 

2.2.2分析系統(tǒng)加入工程流程圖 

下面使用ANSYS12.0 Workbench開始一個工程數(shù)值模擬過程，先關(guān)閉【Getting Started】歡迎界面，按住鼠標(biāo)左鍵，將需要的流體分析類型【Fluid Flow（CFX）】從工具箱窗口拖入工程流程圖窗口，如圖2-6，在此我們可以看到，由于選擇了CFX流體分析系統(tǒng)，工程流程圖中就會生成CFX流體分析圖表，CFX流體分析圖表顯示了執(zhí)行CFX流體分析的工作流程，其中每一個單元格命令分別代表CFX流體分析過程中所需的每個步驟。根據(jù)CFX流體分析圖表所示，從上往下執(zhí)行每個單元格命令，我們就可以從頭到尾進行流體數(shù)值模擬，也就是先得到幾何模型， 然后利用幾何模型生成有限元網(wǎng)格模型，然后設(shè)置數(shù)值模擬的物理條件，然后計算并求解得到結(jié)果，最后在后處理中顯示得到的結(jié)果。單元格右邊的圖標(biāo)實時提示每個步驟的當(dāng)前狀態(tài)。 

 

圖2-6  工程流程圖窗口 

繼續(xù)下面的分析，如果需要釋放一些屏幕空間，可以關(guān)閉工具箱窗口，點擊【Save】保存按鈕，可以隨時保存此工程分析。圖2-7保存工程分析文件。 

 

圖2-7 保存工程分析文件 

2.2.3 使用分析系統(tǒng) 

點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【Geomety】幾何模型單元格，選擇【Geomety】?【New Geomety】?【Import Geomety】?【W(wǎng)ing.agdb】文件，建立幾何模型如圖2-8，此案例中加載現(xiàn)有的幾何模型Wing.agdb, 鼠標(biāo)右鍵選擇【Geomety】?【Edit】可以進入DesignModeler 編輯幾何模

型見圖2-9. 幾何模型修改后可以最小化或關(guān)閉DesignModeler窗口。提示，我們并沒有保存DesignModeler中的幾何模型，ANSYS12.0 Workbench會在后臺自動運行文件管理功能，保存文件?！綠eomety】后面的打勾標(biāo)記?表明可以進行下一個網(wǎng)格劃分的步驟。 

  

圖2-8 建立幾何模型 

  

圖2-9 編輯幾何模型 

點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇單元格【Mesh】?【Edit】，Workbench將調(diào)入相應(yīng)的分析系統(tǒng)窗口，改變網(wǎng)格尺寸，單元網(wǎng)格會自動更新，當(dāng)修改網(wǎng)格劃分后，可以關(guān)閉或最小化該窗口， 得到有限元網(wǎng)格模型見圖2-10。 

  

圖2-10  有限元網(wǎng)格模型 

點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇單元格【Setup】? 【Edit】，Workbench將加載【CFX-Pre】功能窗口見圖2-11，這里設(shè)置所需的流場物理環(huán)境，設(shè)置完成后，可以關(guān)閉或最小化該窗口，【Setup】單元格自動更新。 

  

圖2-11  CFX-Pre窗口設(shè)置流場物理環(huán)境  

點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇單元格【Solution】? 【Edit】，Workbench將加載【CFX-Solver Manager】功能窗口，在這里進行計算得到收斂解見圖2-12。求解完成后，【Solution】單元格自動更新。 

  

圖2-12  計算求解  

點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇單元格【Results】?【Edit】，Workbench將加載【CFX-Post】功能窗口，在這里進行結(jié)果后處理得到所需的結(jié)果見圖2-13。 

 

 

圖2-13 結(jié)果后處理 

2.2.4使用Workbench功能 

點擊鼠標(biāo)左鍵，選擇Workbench功能菜單中【View】?【Files】，分析過程中涉及到的文

件列表顯出出來，見圖2-14.  

  

圖2-14  文件列表 

現(xiàn)在，選擇單元格命令【Geometry】?【Edit】，在DesignModeler窗口改變模型位置后，會看到CFX圖表中，下游單元格命令隨著上游單元格命令的變化立即產(chǎn)生相應(yīng)的改變。我們也可以鼠標(biāo)右擊每個單元格【Update】得到更新，或者選擇工具按鈕【Update Project】以批處理方式進行更新，見圖2-15。 

  

圖2-15  工程更新 

2.2.5 添加關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng) 

下面將CFX求解結(jié)果作為結(jié)構(gòu)加載的邊界條件完成結(jié)構(gòu)靜力分析。點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 【Solution】?【Transfer Data to New】?【Static structural (ANSYS)】見圖2-16。 

  

圖2-16 載入靜力分析類型 

新的靜力分析系統(tǒng)加入工程流程圖，靜力分析系統(tǒng)中，同樣，每個單元格依次排序來表示分析過程的每個步驟，兩個分析系統(tǒng)中的方點連線表示共享內(nèi)容，也就是幾何模型是一致的，圓點連線表示求解結(jié)果將從前一個分析系統(tǒng)傳遞到后一個分析系統(tǒng)，見圖2-17。 

 

圖2-17 關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng) 

點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【Model】?【Edit】，圖2-18，進入【Static Structual (ANSYS)】 界面，可以看到，流體模型部分被抑制，僅顯示出結(jié)構(gòu)的實體模型，對結(jié)構(gòu)實體模型網(wǎng)格劃分如圖2-19. 

  

圖2-18 編輯模型 

 

圖2-19 結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格 

選擇結(jié)構(gòu)表面，流場計算的壓力載荷自動傳遞到改表面，計算求解，結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果如圖2-20。提示：所有靜力分析系統(tǒng)中單元內(nèi)容自動更新。如果再次改變幾何模型，點擊【Update Project】按鈕，工程所有單元會全部更新，參見圖2-21。 

 

圖2-20 靜力分析結(jié)果 

 

圖2-21  工程更新結(jié)果示意 

2.2.6  參數(shù)化設(shè)計及工程數(shù)值模擬優(yōu)化 

參數(shù)化設(shè)計可以更好的比較設(shè)計方案優(yōu)劣，我們可以在分析系統(tǒng)中定義可變參數(shù)，可變參數(shù)加入分析系統(tǒng)圖表，工程圖表顯示出【Parameter Set】參數(shù)設(shè)置欄，如圖2-22。 

 

 

圖2-22 參數(shù)化設(shè)計 

點擊【Parameter Set】參數(shù)設(shè)置欄，載入設(shè)計點表格，表格中每一行代表一個參數(shù)設(shè)計方案，增加行，可以生成新的設(shè)計方案，選擇工具欄按鈕【Update All Design Points】可以更新所有的設(shè)計方案，如圖2-23。關(guān)閉設(shè)計方案窗口，回到工程流程圖窗口。 

 

圖2-23 設(shè)計方案圖表 

下面使用CFX網(wǎng)格設(shè)置FLUENT流體分析，在【Toolbox】工具箱內(nèi)選擇【Componet Systems】組件系統(tǒng)來組建工程，把【Componet Systems】中【FLUENT】流體拖入工程流程圖的空白區(qū)將生成一個獨立系統(tǒng)，如果拖入到已有的分析系統(tǒng)單元將和已有的系統(tǒng)共享單元數(shù)據(jù)或者從已有系統(tǒng)中導(dǎo)入單元數(shù)據(jù)，該工程也可以得到FLUENT求解器計算的流體分析結(jié)果。見圖2-24。 

 

圖2-24 加入FLUENT流體分析組件 

2.2.7自定義工程數(shù)值模擬分析流程 

如果想把工程流程圖用于其它的工程項目，可以將該示意圖保存為自定義工程模板，以供以后調(diào)用，鼠標(biāo)右擊工程流程圖【Project Schematic】，選擇【Add to Custom】,在【Add Project Template】 添加工程模板窗口輸入名稱即可，見圖2-25，點擊【View All/Customize】可以簡化或定制工具箱內(nèi)的顯示內(nèi)容，見圖2-26。 

 

圖2-25自定義工程模板 

 

圖2-26 定制工具箱內(nèi)的顯示內(nèi)容 

2.3  ANSYS12.0 Workbench窗口管理 

 

2.3.1  Workbench窗口管理功能 

ANSYS12.0 Workbench使用多窗口管理，以靜力分析為例，調(diào)入幾何模型時，DesignModeler窗口打開，編輯模型單元時，Mechanical程序窗口打開，Windows任務(wù)欄顯示DM和M標(biāo)簽按鈕，通過這些按鈕的切換，可以改變幾何模型和更新分析過程，見圖2-27。 

 

圖2-27 Workbench多窗口管理 

2.3.2 Workbench窗口相互切換 

 

單擊DM按鈕，進入DesignModeler，改變幾何模型孔的定位，在任務(wù)欄單擊Workbench按鈕，進入Workbench界面，提示，【Gemetry】狀態(tài)圖標(biāo)發(fā)生了更新變化，圖2-28，從Workbench界面單擊工具欄【Update Project】按鈕，以批處理方式更新全部單元，在任務(wù)欄單擊【Mechanical】按鈕，可以查看更新后的分析結(jié)果。見圖2-29。 

  

圖2-28  Workbench窗口相互切換 

  

圖2-29 查看更新后的分析結(jié)果 

2.3.3 Workbench窗口緊湊模式 

 

Workbench窗口在【Compact Mode】緊湊模式下工作是很方便的，從工具欄選擇【Compact Mode】按鈕，Workbench窗口僅顯示工程流程圖界面。圖2-30,右上方工具按鈕提供不同的窗口顯示方式及顯示內(nèi)容，選擇【Applications】?【Arrange Vertically】可以垂直排列分析系統(tǒng)窗口。見圖2-31。 

 

圖2-30 【Compact Mode】緊湊模式 

 

圖2-31 垂直排列分析系統(tǒng)窗口

 

    

詳細(xì)原文，詳細(xì)附件P12-P26：ANSYS_12.0_Workbench-熱分析教程.pdf