內容提要本書以ANSYS Workbench 15.0 Mechanical模組為基礎，對自學時所需的相關知識和經驗技巧進行了全面深入的講解。本書前3章講解軟體的基本操作流程和基本設定與使用方法；第4~8章講解深入學習時需要了解的基礎理論知識；第9~24章的案例以筆者參與設計的真實產品為基礎，詳細講解各主要模組的用法，並在每個案例中穿插多個實用技巧和使用經驗；第25~3l章主要介紹根據計算性能和預算要求選配適合進行有限元分析的高性能計算機的內容。本書光碟包括全部案例的計算設定源檔案和兩百餘個牌號金屬材料的線彈性物理屬性匯總表兩部分內容。
基本介紹
- 書名：ANSYS Workbench結構工程高級套用
- 作者：劉笑天
- ISBN：9787517027188
- 頁數：474
- 定價：78
- 出版社：中國水利水電出版社
- 出版時間：2015年4月
- 裝幀：平裝
- 開本：16開
前言,目錄,
前言
自ANSYS 7.0開始，ANSYS公司推出了Workbench平台。該平台是用ANSYS求解實際問題的新一代仿真平台，它給ANSYS的求解提供了強大的功能和更好的用戶界面。ANSYS Workbench整合了世界所有主流研發技術及數據，保持多學科技術核心多樣化的同時建立統一的研發環境。
台北時間2013年12月4日，ANSYS（NASDAQ: ANSS）宣布推出其業界領先的工程仿真解決方案—ANSYS 15.0，其獨特的新功能為指導和最佳化產品設計帶來了最優的方法。
ANSYS 15.0在結構領域有重要的進展，創新性地開發了全新的求解器，使計算性能大大提高，如子空間特徵值求解器，可以加速計算結構分析中的特徵模態和特徵頻率至2.5倍；用戶只要指定螺紋屬性和圓柱面，就能用接觸來進行螺紋建模。不需要複雜的幾何模型，可以將多個有限元模型裝配在一起，同時保留各個模型的設定細節。
ANSYS一直致力於提供業界領先的前處理功能，它可以自動地完成前處理方面的工作，同時針對一些特別的套用也保留了手動靈活控制前處理的功能。這些都得益於ANSYS完善的格線生成技術，這些技術確保用戶可以從容地完成各種複雜工程套用的前處理。
ANSYS 15.0在前處理自動化和穩健性方面做了很多改進，能幫助客戶高效地執行仿真計算，遵循最佳實踐，從而大幅提升工程設計決策的速度。ANSYS 15.0提供的增強功能為分部件格線並行生成引擎，可大幅縮短大型裝配體的格線生成時間，最佳可到原格線劃分時間的二十七分之一。即使存在多個體或者是多個幾何掃略方向的複雜情況，ANSYS 15.0也能自動創建此類格線。
目錄
本書前3章以最簡單的形式介紹靜力學分析、模態分析、熱分析模組的基本操作過程，讓讀者在第一時間了解常用模組的操作流程。
第1章 電梯框架靜力學分析案例：介紹對商用電梯模型載入自重荷載，分析其靜態變形的案例。由於是第一個案例，在分析前介紹了一些軟體初始設定的技巧。
第2章 CPU散熱器熱分析案例：對一個CPU散熱器模型載入熱流荷載及對流膜傳熱係數邊界條件後求解其溫度分布的案例。
第3章 框架模態分析案例：分析一個金屬框架的陣型和模態頻率，其中插入了宏命令的使用技巧和一些後處理技巧。
掌握有限元技術的過程是孤獨而痛苦的，需要有外部助力，可以藉助象棋中的路數：“仙人指路”。
第4～8章，在簡單介紹上述3個案例的基本操作後系統介紹基礎理論知識。
接著以真實產品工程案例為背景詳細介紹Mechanical模組的各主要功能和在產品設計過程中遇到的各種問題和解決方案，在每個案例中穿插多個軟體使用技巧與筆者的實踐經驗。
第9章 冷卻塔設計最佳化案例：通過靜力分析模組和模態分析模組對核電廠用冷卻塔框架模型進行靜力分析和預應力模態分析計算，以獲得結構在承受龍捲風極端工況下的回響，通過對結果的評判發現了冷卻塔結構的薄弱點，並進行有針對性的結構加強和進一步數值分析驗證，實現了用最小的結構增重代價獲得明顯的加強效果；介紹靜水壓力載荷的施加方法、使用探針功能提取支座反力的功能和根據數值模擬結果改進結構的思路等技巧。
第10章 空調回響譜分析案例：以某出口空調的框架模型為例進行回響譜分析，以簡單計算結構的抗震性能；介紹適合觀察模型內部情況的切片功能、選擇被遮擋位置表面、選擇過濾器的使用和方便實現數值模擬標準化、流水線化分析的創建分析模板的方法等技巧。
第11章 核電空調隨機振動分析案例：對某核電站用空調的框架模型載入中國軍用環境實驗標準中振動試驗標準所規定的功率譜密度來演示ANSYS Workbench 15.0機械設計模組中隨機振動分析模組的基本操作過程；介紹導入模型的另一種方法、抑制部分不需要參與計算的零件的方法和提取單個零件變形值的方法、壓縮項目檔案以利於數據傳遞等技巧。
第12章 風機橋架諧回響分析案例：以某大型軸流風機橋架為模型介紹諧回響分析的操作；介紹插入質量點的設定和與Solidworks軟體配合計算質量點慣性矩的技巧，並插入使用弱彈簧和模態分析功能檢查模型尺寸與連線正確性的方法。
第13章 格線無關解案例：有限元結果一般是存在離散誤差的，本案例以一個L形模型進行簡單靜力學分析，介紹通過5種細化格線和一種定義結果收斂值來獲得應力的格線無關解的方法；介紹人體大腦的基本情況和如何讓大腦更高效地工作的有關知識。
第14章 發動機葉片周期擴展分析案例：以英國勞斯萊斯公司斯貝航空發動機1級壓氣機葉片模型為例進行靜態力學分析，以簡單介紹ANSYS Workbench 15.0靜力學分析模組的操作和使用；介紹對旋轉對稱部件進行簡化分析時使用圓周期擴展功能的操作方法和兩種生成高解析度截圖的技巧。
第15章 性能試驗台子模型技術案例：以一個在建的風洞試驗台模型的局部為例介紹子模型功能的操作並對比了完整模型和子模型的計算時間和求解結果。
第16章 設計助手案例：介紹使用設計助手功能進行多工況結果疊加的操作技巧和DM模組生成點焊接觸、添加隨公式函式變化載荷的技巧。
第17章 等強度梁最佳化設計分析案例：使用Solidworks軟體建立三維“等強度”梁模型，直接導入靜力學分析模組和最佳化設計模組，對模型進行參數化最佳化設計，以獲取在承受規定載荷作用下實現最小結構重量及最小變形量的尺寸方案；介紹格線質量評定的方法和為了獲取高質量格線而切分模型的幾個基本思路。
第18章 等強度梁形狀最佳化分析案例：以等強度梁模型為例介紹Workbench 15.0平台中形狀最佳化模組的使用方法；介紹在Solidworks軟體中對模型進行分割操作的具體做法、載入傾斜方向載荷的方法和切片功能的使用等技巧。
第19章 壓力容器靜力學分析案例：介紹壓力行業專有的理論基礎知識並結合某壓力容器產品模型介紹靜力學分析下應力線性化評定的過程；介紹兩種提取模型任意斷面結果平均值的技巧和設定材料物理屬性的方法及切片功能的使用。
第20章 壓力容器彈塑性分析案例：介紹基於ASME VIII-2《壓力容器建造另一種規則》中用於防止局部失效分析時採用的“真實”應力－應變關係彈塑性材料非線性直接法的一種簡化套用；介紹施加單值函式正弦規律變化的位移載荷等技巧。
第21章 鋼結構立柱線性屈曲分析案例：對某系列產品的鋼結構立柱模型進行線性屈曲分析，以計算受壓時的穩定性，確定屈曲係數；介紹輸出結果動畫的功能、提取單一零件結果的技巧和對模型進行壓縮和隱藏的技巧等。
第22章 排氣管道非線性屈曲分析案例：採用電廠某輔機中設備蒸汽分配管的簡化模型進行基於微小擾動的非線性屈曲分析，以計算在外壓作用下該結構承載力的極限值；介紹利用FE模組與更新結果命令提取模型變形前後重心值的技巧和利用FE模組查看格線質量統計圖的技巧等。
第23章 螺紋接觸分析案例：介紹ANSYS Workbench 15.0中採用簡化的螺紋接觸方法分析帶螺紋部件的新功能；介紹設定環境光線效果、15.0版中的部分新功能、3種常見錯誤的解決方法、對模型等比例放大、解決求解結束後CPU占用率仍然過高的問題、查找某零件包含的接觸等。
第24章 熱－結構耦合分析案例：以文字模型為例建立三維模型，進行熱-結構耦合分析，以簡單介紹ANSYS Workbench 15.0的耦合分析功能。
隨著用戶基礎理論知識與軟體操作經驗的不斷積累和分析規模與分析內容的不斷擴大與深入，現有的硬體平台也許不再能夠滿足要求，從而需要升級硬體或購買全新計算機。正所謂：“工欲善其事，必先利其器”。為了幫助用戶更好地將軟體對性能的需求與硬體條件對接，專門編寫了高性能計算機硬體選擇方法這部分內容（第25～31章）。
掌握任何一項高級技能的過程都是孤獨、艱辛而痛苦的。希望讀者放平心態、回歸基本、堅定信念、不懼艱險、刻苦學習、不斷練習、不怕失敗，以在無數次失敗的量變中實現成功的質變，最終達到“資之深，則取之左右逢其源”。
內容摘要
第1章 電梯框架靜力學分析案例 1
1.1 案例介紹 1
1.2 分析流程 1
第2章 CPU散熱器熱分析案例 21
2.1 案例介紹 21
2.2 分析流程 21
第3章 框架模態分析案例 37
3.1 案例介紹 37
3.2 分析流程 37
第4章 有限元單元法概述 50
4.1 常用數值解法 50
4.2 有限元法的起源和發展 51
4.3 有限元法的用途 51
4.4 有限元法的優勢 53
4.5 數值分析的發展與用途 54
4.6 有限元分析的實現 55
4.6.1 分析模型的組成 56
4.6.2 單元及其特徵 58
4.6.3 剛度矩陣的性質 60
4.6.4 邊界條件的處理與支座反力的計算 61
4.6.5 單元節點編號與存儲頻寬 61
4.6.6 誤差處理及控制 62
4.6.7 線彈性力學的變分原理 72
4.7 有限元程式的結構及特點 75
4.7.1 自動與半自動格線生成方法的
綜合分類 77
4.7.2 格線自適應細分與後驗誤差估計 78
第5章 材料力學理論基礎 80
5.1 概述 80
5.2 變形體 80
5.3 彈性力學的基本假設 80
5.4 金屬材料的力學性能 81
5.4.1 彈性模量的概念與性質 82
5.4.2 彈性比功 82
5.4.3 彈性的不完整性 83
5.4.4 彈性滯後和循環韌性 84
5.4.5 塑性變形 84
5.5 強度理論 91
第6章 傳熱學、流體力學及熱應力計算
理論基礎 93
6.1 對流傳熱 94
6.2 導熱傳熱 95
6.3 輻射傳熱 96
6.4 傳熱問題的有限元分析式 96
6.4.1 熱應力的計算 98
6.4.2 熱應力問題的有限元分析列式 98
第7章 動力學分析基礎知識 99
7.1 動力學問題的產生 99
7.2 振動的分類 100
7.2.1 特殊的“地面共振”現象 101
7.2.2 振動對人體的影響 102
7.3 結構特徵值的提取 102
7.3.1 問題的產生 102
7.3.2 特徵值求解器的比較 103
7.3.3 頻率輸出 104
7.4 模態疊加法 104
7.4.1 基本概念 104
7.4.2 適用範圍 105
7.5 阻尼 105
7.5.1 引言 105
7.5.2 定義阻尼 106
7.5.3 阻尼的選擇 106
7.6 穩態動力學分析 107
7.6.1 穩態動力學分析簡介 107
7.6.2 反應譜分析的基本理論與方法 108
7.6.3 隨機振動及其特性 117
7.7 瞬態動力學分析 119
7.7.1 瞬態動力學分析的預備工作 120
7.7.2 瞬態動力學分析的關鍵技術細節 120
7.8 屈曲分析 122
7.8.1 結構穩定性概述 122
7.8.2 物理現象 122
7.8.3 力學描述 124
7.8.4 失穩的分類 124
第8章 接觸問題 126
8.1 接觸行為 126
8.2 接觸算法 127
8.2.1 增廣拉格朗日法 129
8.2.2 純罰函式法 129
8.2.3 多點約束法 129
8.2.4 純拉格朗日法 130
8.3 疊代計算的收斂性控制 130
8.4 接觸摩擦 132
8.5 接觸剛度 132
8.6 接觸容差 134
8.7 Pinball區域 135
8.8 其他常用的接觸方式及設定 137
8.8.1 剛－柔接觸 137
8.8.2 螺栓預緊連線 137
8.8.3 點焊結構分析 138
8.8.4 接觸裁剪功能 139
8.8.5 對稱與非對稱接觸 139
8.8.6 接觸分析中可插入的命令 140
8.9 接觸時間步控制 140
8.10 接觸熱分析 141
8.11 接觸分析後處理 142
第9章 冷卻塔設計最佳化案例 144
9.1 案例介紹 144
9.2 分析流程 144
第10章 空調回響譜分析案例 160
10.1 案例介紹 160
10.2 分析流程 160
第11章 核電空調隨機振動分析案例 175
11.1 案例介紹 175
11.2 分析流程 175
第12章 風機橋架諧回響分析案例 189
12.1 案例介紹 189
12.2 分析流程 189
第13章 格線無關解案例 203
13.1 案例介紹 203
13.2 分析流程 203
第14章 發動機葉片周期擴展分析案例 217
14.1 案例介紹 217
14.2 分析流程 217
第15章 性能試驗台子模型技術案例 234
15.1 案例介紹 234
15.2 分析流程 234
第16章 設計助手案例 247
16.1 案例介紹 247
16.2 分析流程 247
第17章 等強度梁最佳化設計分析案例 263
17.1 案例介紹 263
17.2 分析流程 263
第18章 等強度梁形狀最佳化分析案例 284
18.1 案例介紹 284
18.2 分析流程 284
第19章 壓力容器靜力學分析案例 294
19.1 案例介紹 294
19.2 分析流程 294
第20章 壓力容器彈塑性分析案例 317
20.1 案例介紹 317
20.2 分析流程 317
第21章 鋼結構立柱線性屈曲分析案例 333
21.1 案例介紹 333
21.2 分析流程 333
第22章 排氣管道非線性屈曲分析案例 345
22.1 案例介紹 345
22.2 分析流程 345
第23章 螺紋接觸分析案例 361
23.1 案例介紹 361
23.2 分析流程 361
第24章 熱—結構耦合分析案例 375
24.1 案例介紹 375
24.2 分析流程 375
第25章 記憶體 392
25.1 記憶體容量 392
25.2 運行頻率與通道數 393
25.3 ECC功能 394
25.3.1 ECC糾錯算法 395
25.3.2 ECC記憶體認識誤區 395
25.4 品牌 396
第26章 硬碟 397
26.1 固態硬碟簡介 397
26.2 固態硬碟的性能優點 398
26.3 墨菲法則 398
26.4 固態硬碟的缺點 399
26.5 新固態硬碟的基本設定 400
26.6 固態硬碟讀寫性能高的原因 401
26.7 影響固態硬碟性能的主要方面 402
第27章 處理器 404
27.1 摩爾定律 405
27.2 CPU散熱器的選擇 406
27.3 CPU的製造 407
27.4 14款處理器的性能測試成績 409
27.5 CPU品牌選擇 411
27.5.1 浮點運算能力 411
27.5.2 記憶體性能 411
27.6 許可證對核心數量的限制 415
27.7 超執行緒技術 417
27.8 XEON處理器的命名體系和產品線 419
第28章 主機板 421
28.1 單路主機板 422
28.2 雙路主機板 424
28.3 四路主機板 424
第29章 GPU及XEON Phi 426
29.1 GPU通用計算 427
29.2 多核計算的發展 428
29.3 CPU多核並行 428
29.4 CPU+GPU異構並行 429
29.5 GPU渲染流水線 429
29.6 Nvidia GPU簡介 430
29.7 CUDA開發 430
29.8 圖形顯示卡概覽 431
29.9 CUDA程式最佳化概述 432
第30章 筆者親自測試的數據 433
30.1 記憶體的專項測試數據 434
30.2 硬碟的專項測試數據 436
30.3 CPU的專項測試數據 439
30.4 三款計算機Solidworks性能專項
測試數據 440
第31章 HP公司Z820工作站的測試結果 443
附錄 金屬材料線彈性物理屬性匯總表 445
參考文獻 471
1.1 案例介紹 1
1.2 分析流程 1
第2章 CPU散熱器熱分析案例 21
2.1 案例介紹 21
2.2 分析流程 21
第3章 框架模態分析案例 37
3.1 案例介紹 37
3.2 分析流程 37
第4章 有限元單元法概述 50
4.1 常用數值解法 50
4.2 有限元法的起源和發展 51
4.3 有限元法的用途 51
4.4 有限元法的優勢 53
4.5 數值分析的發展與用途 54
4.6 有限元分析的實現 55
4.6.1 分析模型的組成 56
4.6.2 單元及其特徵 58
4.6.3 剛度矩陣的性質 60
4.6.4 邊界條件的處理與支座反力的計算 61
4.6.5 單元節點編號與存儲頻寬 61
4.6.6 誤差處理及控制 62
4.6.7 線彈性力學的變分原理 72
4.7 有限元程式的結構及特點 75
4.7.1 自動與半自動格線生成方法的
綜合分類 77
4.7.2 格線自適應細分與後驗誤差估計 78
第5章 材料力學理論基礎 80
5.1 概述 80
5.2 變形體 80
5.3 彈性力學的基本假設 80
5.4 金屬材料的力學性能 81
5.4.1 彈性模量的概念與性質 82
5.4.2 彈性比功 82
5.4.3 彈性的不完整性 83
5.4.4 彈性滯後和循環韌性 84
5.4.5 塑性變形 84
5.5 強度理論 91
第6章 傳熱學、流體力學及熱應力計算
理論基礎 93
6.1 對流傳熱 94
6.2 導熱傳熱 95
6.3 輻射傳熱 96
6.4 傳熱問題的有限元分析式 96
6.4.1 熱應力的計算 98
6.4.2 熱應力問題的有限元分析列式 98
第7章 動力學分析基礎知識 99
7.1 動力學問題的產生 99
7.2 振動的分類 100
7.2.1 特殊的“地面共振”現象 101
7.2.2 振動對人體的影響 102
7.3 結構特徵值的提取 102
7.3.1 問題的產生 102
7.3.2 特徵值求解器的比較 103
7.3.3 頻率輸出 104
7.4 模態疊加法 104
7.4.1 基本概念 104
7.4.2 適用範圍 105
7.5 阻尼 105
7.5.1 引言 105
7.5.2 定義阻尼 106
7.5.3 阻尼的選擇 106
7.6 穩態動力學分析 107
7.6.1 穩態動力學分析簡介 107
7.6.2 反應譜分析的基本理論與方法 108
7.6.3 隨機振動及其特性 117
7.7 瞬態動力學分析 119
7.7.1 瞬態動力學分析的預備工作 120
7.7.2 瞬態動力學分析的關鍵技術細節 120
7.8 屈曲分析 122
7.8.1 結構穩定性概述 122
7.8.2 物理現象 122
7.8.3 力學描述 124
7.8.4 失穩的分類 124
第8章 接觸問題 126
8.1 接觸行為 126
8.2 接觸算法 127
8.2.1 增廣拉格朗日法 129
8.2.2 純罰函式法 129
8.2.3 多點約束法 129
8.2.4 純拉格朗日法 130
8.3 疊代計算的收斂性控制 130
8.4 接觸摩擦 132
8.5 接觸剛度 132
8.6 接觸容差 134
8.7 Pinball區域 135
8.8 其他常用的接觸方式及設定 137
8.8.1 剛－柔接觸 137
8.8.2 螺栓預緊連線 137
8.8.3 點焊結構分析 138
8.8.4 接觸裁剪功能 139
8.8.5 對稱與非對稱接觸 139
8.8.6 接觸分析中可插入的命令 140
8.9 接觸時間步控制 140
8.10 接觸熱分析 141
8.11 接觸分析後處理 142
第9章 冷卻塔設計最佳化案例 144
9.1 案例介紹 144
9.2 分析流程 144
第10章 空調回響譜分析案例 160
10.1 案例介紹 160
10.2 分析流程 160
第11章 核電空調隨機振動分析案例 175
11.1 案例介紹 175
11.2 分析流程 175
第12章 風機橋架諧回響分析案例 189
12.1 案例介紹 189
12.2 分析流程 189
第13章 格線無關解案例 203
13.1 案例介紹 203
13.2 分析流程 203
第14章 發動機葉片周期擴展分析案例 217
14.1 案例介紹 217
14.2 分析流程 217
第15章 性能試驗台子模型技術案例 234
15.1 案例介紹 234
15.2 分析流程 234
第16章 設計助手案例 247
16.1 案例介紹 247
16.2 分析流程 247
第17章 等強度梁最佳化設計分析案例 263
17.1 案例介紹 263
17.2 分析流程 263
第18章 等強度梁形狀最佳化分析案例 284
18.1 案例介紹 284
18.2 分析流程 284
第19章 壓力容器靜力學分析案例 294
19.1 案例介紹 294
19.2 分析流程 294
第20章 壓力容器彈塑性分析案例 317
20.1 案例介紹 317
20.2 分析流程 317
第21章 鋼結構立柱線性屈曲分析案例 333
21.1 案例介紹 333
21.2 分析流程 333
第22章 排氣管道非線性屈曲分析案例 345
22.1 案例介紹 345
22.2 分析流程 345
第23章 螺紋接觸分析案例 361
23.1 案例介紹 361
23.2 分析流程 361
第24章 熱—結構耦合分析案例 375
24.1 案例介紹 375
24.2 分析流程 375
第25章 記憶體 392
25.1 記憶體容量 392
25.2 運行頻率與通道數 393
25.3 ECC功能 394
25.3.1 ECC糾錯算法 395
25.3.2 ECC記憶體認識誤區 395
25.4 品牌 396
第26章 硬碟 397
26.1 固態硬碟簡介 397
26.2 固態硬碟的性能優點 398
26.3 墨菲法則 398
26.4 固態硬碟的缺點 399
26.5 新固態硬碟的基本設定 400
26.6 固態硬碟讀寫性能高的原因 401
26.7 影響固態硬碟性能的主要方面 402
第27章 處理器 404
27.1 摩爾定律 405
27.2 CPU散熱器的選擇 406
27.3 CPU的製造 407
27.4 14款處理器的性能測試成績 409
27.5 CPU品牌選擇 411
27.5.1 浮點運算能力 411
27.5.2 記憶體性能 411
27.6 許可證對核心數量的限制 415
27.7 超執行緒技術 417
27.8 XEON處理器的命名體系和產品線 419
第28章 主機板 421
28.1 單路主機板 422
28.2 雙路主機板 424
28.3 四路主機板 424
第29章 GPU及XEON Phi 426
29.1 GPU通用計算 427
29.2 多核計算的發展 428
29.3 CPU多核並行 428
29.4 CPU+GPU異構並行 429
29.5 GPU渲染流水線 429
29.6 Nvidia GPU簡介 430
29.7 CUDA開發 430
29.8 圖形顯示卡概覽 431
29.9 CUDA程式最佳化概述 432
第30章 筆者親自測試的數據 433
30.1 記憶體的專項測試數據 434
30.2 硬碟的專項測試數據 436
30.3 CPU的專項測試數據 439
30.4 三款計算機Solidworks性能專項
測試數據 440
第31章 HP公司Z820工作站的測試結果 443
附錄 金屬材料線彈性物理屬性匯總表 445
參考文獻 471
