ANSYS_12.0_Workbench-热分析教程

 

    

ANSYS 12.0软件培训 —热分析 

 

  

编制：许京荆 2010.5 

 

 

上海大学机电学院安全断裂分析研究室 

ANSYS华东地区技术支持中心 

ANSYS软件华东地区培训中心 

 

     

 

ANSYS_12.0_Workbench-热分析教程 目录和绪论   

  

内 容 目 录 

 第1章 绪论 

 1.1 ANSYS软件概述 

 1.2 ANSYS 12.0新功能介绍 

 第2章 ANSYS12.0 Workbench平台的使用 

 2.1 有限元分析与 ANSYS12.0 Workbench 

 2.2 ANSYS12.0 Workbench 工程仿真分析一般过程 

 2.2.1 ANSYS12.0 Workbench界面 

 2.2.2 分析系统加入工程图解 

 2.2.3 使用分析系统 

 2.2.4 使用Workbench功能 

 2.2.5 添加关联分析系统 

 2.2.6 参数化设计及工程仿真优化 

 2.2.7 自定义工程仿真分析流程 

 2.3 ANSYS12.0 Workbench窗口管理 

 2.3.1 Workbench窗口管理功能 

 2.3.2 Workbench窗口相互切换 

 2.3.3 Workbench窗口紧凑模式 

 第3章 ANSYS12.0  DesignModeler几何模型 

 3.1 ANSYS12.0  DesignModeler几何模型 

 3.1.1 DesignModeler用户界面 

 3.1.2 选择过滤器及案例 

 3.1.3 长度单位 

 3.1.4 草图模式 

 3.1.4.1  平面和草图及案例 

 3.1.4.2  绘制草图及案例 

 3.1.4.3  草图标注及案例 

 3.1.4.4  草图约束及案例 

 3.1.4.5  编辑草图及案例 

 3.1.4.6  草图援引及案例 

 3.1.4.7  草图技巧 

 3.1.5 3D实体模型 

 3.1.5.1  体和零件 

 3.1.5.2  3D特征 

 3.1.5.3  布尔操作及案例 

 3.1.5.4  特征方向 

 3.1.5.5  特征类型 

 3.1.5.6  特征创建及案例 

 3.1.5.7 3D实体建模案例-排气装置 

 3.1.6  概念建模及案例  

 3.1.6.1 创建线体及案例 

 3.1.6.2 3D 曲线特征及案例 

 3.1.6.3 创建面体及案例                                         

 3.1.7  高级工具及案例 

 3.1.7.1 冰冻【Freeze】及案例 

 3.1.7.2 解冻【Unfreeze】 

 3.1.7.3 命名选择【Named Selection】 

 3.1.7.4 接合【Joint】 

 3.1.7.5 包围【Enclosure】及案例 

 3.1.7.6 填充【Fill】及案例 

 3.1.7.7 抽取中面【Mid-Surface】与表面延伸【Face Extend】及案例 

 3.1.7.8 切片【Slice】 
 

 第4章 ANSYS12.0  Meshing网格划分 

 4.1 ANSYS12.0  Meshing网格划分概述 

 4.2 ANSYS12.0  Meshing网格划分方法 

 4.3 ANSYS12.0  Meshing网格划分控制 

 4.3.1 网格划分用户界面 

 4.3.2 网格划分方法 

 4.3.3 网格局部尺寸控制【Sizing】 

 4.3.4 接触区域网格控制【Contact Sizing】 

 4.3.5 网格局部单元细化【Refinement】 

 4.3.6 映射面网格划分【Mapped Face meshing】 

 4.3.7 面匹配网格划分【Match Control】 

 4.3.8 虚拟拓扑工具【Virtual Topology】 

 4.4 网格划分控制案例—转动曲柄装配体 

 4.5 多体零件共享拓扑印记面及匹配网格划分案例 

 4.6 装配体薄层扫略网格划分及案例 
 

 第5章 ANSYS12.0热分析 

 5.1 ANSYS12.0热分析概述 

 5.1.1  传热基本方式  

 5.1.2  传热过程  

 5.1.3  稳态传热和瞬态传热  

 5.1.4  线性与非线性  

 5.1.5  符号与单位  

 5.1.6  材料属性  

 5.1.7  几何模型  

 5.1.8  接触  

 5.1.9  分析设置  

 5.1.10  载荷和边界条件  

 5.1.11  结果与后处理 

 5.2 ANSYS12.0  Steady-State Thermal稳态热分析 

 5.2.1  ANSYS12.0稳态热分析概述 

 5.2.2  ANSYS12.0稳态热分析方法 

 5.2.3  ANSYS12.0稳态热分析案例—短圆柱体的热传导 

 5.2.3.1  问题描述 

 5.2.3.2  问题分析 

 5.2.3.3  数值模拟过程                                                                              

 5.2.4  ANSYS12.0稳态热分析案例—保温桶的对流传热 

 5.2.4.1  问题描述 

 5.2.4.2  问题分析 

 5.2.4.3  数值模拟过程 

 5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal瞬态热分析 

 5.3.1 ANSYS12.0瞬态热分析概述 

 5.3.2 ANSYS12.0瞬态热分析方法 

 5.3.3 ANSYS12.0瞬态热分析案例—钢球淬火 

 5.3.3.1 问题描述 

 5.3.3.2 问题分析 

 5.3.3.3 数值模拟过程 

 5.3.4 ANSYS12.0瞬态热分析案例—电路板瞬态传热问题 

 5.3.4.1 问题描述 

 5.3.4.2 数值模拟过程 

               

第6章ANSYS12.0多物理场耦合分析    

 6.1 多物理场耦合分析概述 

 6.2 ANSYS12.0多物理场耦合分析方法 

 6.3 ANSYS12.0结构-热耦合分析案例—辐射杆件热应力问题 

 6.3.1 问题描述 

 6.3.2 问题分析 

 6.3.3 数值模拟过程 

 6.4 ANSYS12.0热-电耦合分析 

 6.4.1 ANSYS12.0热-电耦合分析概述 

 6.4.2 ANSYS12.0热-电耦合分析方法 

 6.4.3 ANSYS12.0热-电耦合分析案例—导线传热 

 6.4.3.1 问题描述 

 6.4.3.2 问题分析 

 6.4.3.3 数值模拟过程 

 6.4.4 ANSYS12.0热-电耦合分析案例—热电制冷 

 6.4.4.1 问题描述 

 6.4.4.2 问题分析 

 6.4.4.3 数值模拟过程 

 6.4.5 ANSYS12.0热-电耦合分析案例—热电发生器 

 6.4.5.1 问题描述 

 6.4.5.2 问题分析 

 6.4.5.3 数值模拟过程 

                                  

   

第1章 绪 论  

1.1  ANSYS 软件概述   

 计算机辅助工程技术CAE，即Computer Aided Engineering，已经得到越来越广泛的使用，CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法FEM，即Finite Element Method，边界元法BEM，即Boundary Element Method，有限差分法FDM，即Finite Difference Element Method等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构静力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。                          

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS软件由美国ANSYS开发，提供CATIA，UG，PRO/E等主流CAD软件的数据接口。作为现代产品设计中的高级CAE工具，ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。        

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS软件是开放、灵活的数值模拟软件，其为产品设计的每一阶段提供解决方案，包括通用多物理场数值模拟,行业分析，模型建造，设计分析，多目标优化，客户化结构分析解决方案，ANSYS软件成为从事工程研究与分析的广大企事业单位，研究院所广泛使用的计算分析工具。 

 1.2  ANSYS12.0 新功能介绍 

 

2009年6月，ANSYS12.0在中国正式推出，作为一个大型的CAE分析软件，ANSYS自上个世纪七十年代诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。伴随着版本的更新，分析能力和各项操作功能都得到了更好的完善和发展。ANSYS12.0不仅在计算速度上进行了改进，同时增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。另外，它还将创新的、耳目一新的数值模拟技术引入各主要物理学科。这些改进代表了数值模拟驱动产品的发展道路又向前迈出了一步。（注：本章节的内容源自ANSYS官网） 

?  ANSYS12.0 Workbench 

ANSYS12.0 Workbench作为一个框架，整合现有的应用，将数值模拟过程结合在一起，在工程页引入了工程流程图的概念，见图1-1。通过该项功能，一个复杂的包含多场分析的物理问题，通过系统间的连接实现相关性。图表元素右边的状态符号显示了该项设置是否需要更新、输入等，方便使用者查看设置状态。 

  图1-1  ANSYS12.0 Workbench 工程页 

 

图1-2  ANSYS12.0 Workbench 核心应用程序界面 

此外，ANSYS12.0 Workbench 平台还可以作为一个应用开发框架，提供项目全脚本、报告、用户界面（UI）工具包和标准的数据接口，该功能将随后发布。在ANSYS12.0 版本中，工程数据和DesignExploration将不再是独立的应用程序，通过工具箱它们被重新设计整合在ANSYS12.0 Workbench工程页下。尽管工程页做了较大调整，但Workbench的核心应用程序及操作界面并无大的改变，见图1-2。在这个创新的框架下，工程师可以完成一个完整的数值模拟，包括CAD集成、几何修改和网格划分。工程页的概念流程图帮助指导使用者完成复杂的分析，说明和明确数据关系，捕捉自动化的过程。 

几何&网格划分 

ANSYS12.0在其深厚的知识和经验的基础上，融合了丰富的几何和网格划分技术，整合后的几何和网格划分解决方案，在不同的分析应用中可以共享几何和网格信息，对几何接口进行了增强，通过几何接口使用者可以从CAD系统中输入更多的信息，包括新的数据类型如：用于模拟梁的线体；附加属性如颜色、坐标系及在CAD系统中改进的命名选择等。前处理大模型时，支持64位操作系统，可以对几何进行智能有选择更新。 

另外，ANSYS12.0 Workbench 增强了创建几何的功能，提供了更多的自动化功能和更强的适应性，增加了合并、连接和映射等功能用于曲面建模。新增工具可以自动探测处理常见问题，如小边、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面。新版本对几何模型的修改和处理速度更快。图1-3显示了清除前后的飞机模型。 

图1-3 采用几何清除工具前后的飞机模型  

自动网格划分解决方案在流体动力学中取得了很好的结果。应用GAMBIT和TGrid的网格附加功能，可以在最少输入情况下，自动生成合适的进行计算流体动力学分析的四面体网格。另外，它融合了高级尺寸函数（与GAMBIT相似）、棱柱及四面体网格（来自TGRID）及其他网格划分技术，改进了网格平滑度、网格质量、划分速度、曲率近似功能捕捉、边界分层捕捉等功能。尽管许多功能是出于流体动力学的应用而改进的，但是它们仍然可以用于其他数值模拟分析应用。如结构分析的用户可以应用这些功能，得到自动化和高质量的网格。新增多区域网格划分方法使用户在不进行几何分割的情况下，可以对复杂的几何模型划分纯六面体网格，图1-4为对制动器转子执行一次操作所得到的六面体网格。 

  

图1-4 制动器转子六面体网格 

多物理场 

新版本扩展了多场求解功能。新增功能及增强功能可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题，ANSYS12.0 Workbench下的多场数值模拟速度比以前更快。ANSYS12.0将求解器技术整合在一个统一的数值模拟环境中，为多场求解提供了更有效的工作流程。扩展分布式稀疏求解器功能，支持共享和分布式计算环境下的非对称和复杂矩阵。这种新的求解技术极

大的缩短了某些直接耦合解决方案的执行时间，如：包含Peltier和Seebeck效应的耦合场分析，及热电耦合分析等。此外，可以应用直接耦合单元模拟多孔介质的渗流。 

ANSYS12.0 Workbench框架支持直接耦合场分析，相关的直接耦合场单元（SOLID226和SOLID227）支持热电耦合。此外，还有一个热电耦合分析系统支持温度相关材料的焦耳传热分析和高级热电效应，如Peltier和Seebeck效应。该新技术的应用领域包括集成电路、电子轨道、排线和热电制冷装置的焦耳热分析。  

 

图1-5 Workbench热电分析（WEG电子装备授权） 

流固耦合功能中提出了一种新的Immersed Solid FSI算法。这是一种基于网格重叠的技术，流体和固体区域各自拥有一套网格，该算法可以帮助工程师模拟流场中运动刚体与流体之间的相互作用。 

ANSYS12.0流固耦合的另外一个新功能就是可以通过求解非线性雷诺压膜方程来解决FSI涉及到薄液膜的非线性瞬态应用。12.0版本提供了另外一个FSI功能：该功能采用ANSYS12.0 FLUENT 软件作为CFD求解器来进行单向流固耦合计算，基于ANSYS12.0 CFX-Post，可以使表面温度和表面力在ANSYS12.0 FLUENT 和ANSYS12.0 Mechanical 产品之间进行单向载荷传递。 

结构力学 

12.0版本在结构应用中的驱动工程设计过程功能得到了很大的改进。许多新增功能及工具整合到ANSYS12.0 Workbench平台中，以缩短整体求解时间。另外，在单元、材料、接触、求解性能、线性动力学、刚体动力学及柔体动力学上也集中进行了改进。 

 

 

图1-6 涡轮机叶片裂纹分析（经PADT许可） 

ANSYS12.0中最引人注目的新单元是用于超弹性或成型应用中模拟复杂几何的4节点四面体单元。它缩短了从几何到求解的分析时间，同时保证了求解的精确度。材料方面，在原有众多选择的基础上引入了几个新材料，如Gurson 材料，可用于模拟聚合体及聚合体复合材料等。 

装配体分析在数值模拟中越来越重要，ANSYS12.0增强了高级接触属性，开发了包含许多附加接触模拟特征，包括新增接触算法、自动去除过约束、接触对修整等功能，在求解接触问题时得到了极大的改进，缩短了求解时间，加快了求解速度。 

ANSYS12.0改善了求解器性能，新增一个新的模态求解器，称为SNODE，用于求解大模型（超过100万自由度）的大数量振型（几百阶振型）。并行求解器DANSYS的功能也进行了改进，支持低频电磁分析、高频电磁分析、PSTRESS、PSOLVE及循环对称分析，可以有效的解决电磁问题、转子动力学问题及循环对称和应力强化问题，节约求解时间，图7为所用并行数目对求解时间的影响。 

  

图1-7 DANSYS12.0 求解效率对此 

ANSYS12.0 Structural、Mechanical及Multiphysics在刚体动力学及柔体动力学功能上做了改进，可以快速处理机构问题。另外，对数据及过程的众多改进增加了ANSYS刚体动力学数值模拟的易用性。 

流体动力学 

ANSYS12.0将流体产品完全整合进入ANSYS12.0 Workbench环境，以在该环境下进行数值模拟工作流程的管理。用户可以采用ANSYS12.0 CFX或ANSYS12.0 Fluent软件来创建、连接、重复使用系统来完成自动参数化分析，然后进行多物理场无缝管理数值模拟。 

 

图1-8 内燃机腔内流体数值模拟结果 

ANSYS一直坚持不懈的致力于改进求解器速度，以使所有用户从中受益。囊括工业应用的一系列案例显示，ANSYS12.0 CFX和ANSYS12.0 Fluent求解器速度已经提高了百分之十到

百分之二十，甚至更多。ANSYS12.0 Fluent通过显式松弛增加了密度基隐式求解器的稳健性，采用递推映射方法选项来提高稳定性（耦合压力基求解器），极大的增强了求解器性能。另外，程序的易用性在很多方面得到了提高。ANSYS12.0 Fluent采用单视框用户图形界面，以便和Workbench中的其他分析应用保持一致，同时改进了TUI日志的鲁棒性，扩展了Case Check的推荐功能，在用户界面发展史上又前进了一步。ANSYS12.0 CFX软件界面风格上的主要改进在于增加了图形用户界面（GUI）。ANSYS12.0的一个新功能允许用户定制界面外观，包括创建附加输入面板。定制面板通过GUI布局和必要的输入进行控制，将常用操作及基本过程封装一起。 

数值模拟过程及数据管理 

在今天全球化环境中，数值模拟和设计不断整合，使有效的合作和交流成为产品开发必不可少的一部分。ANSYS12.0工程知识管理（EKM）解决方案旨在解决数值模拟和CAE界的数值模拟过程和数据管理（SPDM）难题。ANSYS12.0 EKM内容包括如何更好的管理、共享、重复使用数值模拟数据以及如何更好的捕捉和重复使用数值模拟结果等工程专业技术。ANSYS12.0 EKM共有三个版本：ANSYS12.0 EKM Desktop、ANSYS12.0 EKM Workgroup和ANSYS12.0 EKM Enterprise。这三个版本分别面向个人用户、工作组及企业级用户。ANSYS12.0 EKM Desktop是ANSYS12.0 EKM产品中单用户、局部环境版本，作为ANSYS12.0的一部分，已经集成于ANSYS12.0 Workbench环境，通过提供数据搜索、修补和报告特性，解决已有数值模拟任务的重复使用，满足单个用户的数据管理需求，提高生产力和效率。 

应用 

ANSYS12.0 Emag—由于Ansoft和ANSYS开发团队的组合，ANSYS12.0将Ansoft电子设计分析产品融入ANSYS12.0框架，ANSYS12.0使用者将很快在ANSYS12.0中从改进和扩展的Electromagnetic功能中获益。ANSYS12.0中的Emag软件包含了一个新的用于低频电磁数值模拟3D实体单元家族（SOLID236和SOLID237），可用于模拟静磁、时谐分析和瞬态电磁场分析。用户可以在大多数的低频电磁应用中采用这些新单元，如电机、螺线管等电磁设备。  

 

图1-9  SOLID236和SOLID237和新的绞线选项求解的非线性瞬态分析  

显式动力学 

ANSYS12.0在显式动力学领域倾注了大量的精力，包括附加新产品，使该技术对于无使用经验者也易于使用。另外，增强ANSYS12.0 LS-DYNA和ANSYS12.0 AUTODYN 产品功能，为用户提供更大的便利。新增ANSYS12.0 Explicit STR软件，它基于ANSYS12.0 AUTODYN产品的拉氏算子部分，是ANSYS12.0 Workbench 界面第一个本地显式软件。 该技术可用于满足固体、流体、气体及它们之间相互作用的非线性动力学数值模拟，对已有Workbench环境使用经验的使用者，该软件有更好的适用性。  

 图1-10  ANSYS12.0Explicit STR应用实例 

ANSYS12.012.0的新增功能和增强功能还有很多，本文未作一一阐述。 

 

P1-P11

详细原文，详细附件：ANSYS_12.0_Workbench-热分析教程.pdf