ansys workbench实例教程
软件: ansys
ANSYS Workbench工程实例详解
ANSYS Workbench是一款功能强大的工程仿真软件，广泛应用于机械、土木、电子、航空航天等领域的结构分析、热分析、流体分析等。下面我将通过几个典型工程实例，详细介绍ANSYS Workbench的应用流程和关键技术。
一、固定支架优化设计实例
1. 问题描述
这是一个典型的支架结构优化问题，固定支架有两个螺栓孔用于安装，承载面上有两处受外部载荷作用，每处载荷为20kN。初始尺寸为宽度35mm、高度125mm、长度300mm，材料为不锈钢。
优化目标：
- 最大变形小于2mm
- 结构减重设计
- 使用ANSYS Workbench实现拓扑优化+尺寸优化
2. 分析流程
几何建模：
- 创建基础体：拉伸一个长方体(300mm×35mm×125mm)
- 打孔：在顶部两侧对称位置打两个直径8mm的螺栓孔
- 加载面定义：在承载面中间偏左和偏右位置创建两个局部加载区域
材料属性设置：
- 材料：不锈钢(SUS304)
- 弹性模量：200GPa
- 泊松比：0.
- 密度：7930kg/m³
- 屈服强度：约205MPa
网格划分：
- 单元类型：SOLID185(六面体主导)
- 全局尺寸：3mm
- 关键部位细化：螺栓孔周围和加载区域局部网格加密
- 检查网格质量(Skewness<0.8)
静力学分析：
- 约束：两个螺栓孔内表面施加Fixed Support
- 载荷：两个加载面分别施加20kN的垂直力(Z方向)
- 初始分析结果：最大变形2.5mm(不满足要求)，最大应力220MPa(接近屈服极限)
拓扑优化：
- 目标：在满足最大变形≤2mm的前提下，最小化质量
- 优化区域选择整个支架
- 设置工艺约束(如拔模方向)
- 优化结果：质量减少约35%，螺栓孔周围保留材料较多，载荷路径清晰
尺寸优化：
- 对拓扑优化后的结构进行参数化建模
- 定义关键变量(厚度、高度、宽度)
- 使用Response Surface Optimization方法优化
- 优化后结果：新尺寸宽度28mm、高度110mm、长度300mm；变形量1.95mm；质量比原始结构减少42%
3. 结果对比
项目初始结构优化结构变化幅度最大变形2.5mm1.95mm↓22%结构质量10.2kg5.9kg↓42%应力峰值220MPa180MPa↓18%
二、齿轮接触静力学分析实例
1. 问题描述
分析直齿轮接触问题，小齿轮为主动轮，大齿轮为从动轮。主动轮输入逆时针方向扭矩10kN*mm，从动轮固定。求解齿轮的应力和位移。
2. 关键技术
模型简化：
- 齿根处理成直角会产生应力奇异，因此不简化
- 齿面的渐开线也不能简化
前处理：
- 分析类型选择3D
- 材料：结构钢(Structural Steel)
- 约束：固定大齿轮(Fixed Support)
- 载荷：小齿轮施加10,000N*mm力矩(绕Z轴逆时针)
- 接触：有摩擦接触(Frictional)，摩擦系数0.
3. 网格控制与接触处理
常见问题与解决方案：
- 初次生成网格可能有警告和报错
- 调整接触网格为0.1mm可消除报错但可能计算不下去
- 尝试通过offset处理间隙，但可能仍有初始穿透问题
- 使用Adjust to Touch处理间隙/穿透问题
- 接触方式改为bonded可能得到错误结果
- 最终解决方案：上下齿轮都设置Frictional有摩擦接触，并加密网格
网格细化：
- 接触面网格细化到0.01mm可观察到赫兹接触现象
- 但需考虑计算资源限制
三、悬臂梁静力学分析实例
1. 问题描述
钢制圆截面悬臂梁，圆截面直径D=50mm，梁长度L=1m，自由端受集中力P=1000N。材料弹性模量E=2×10¹¹N/m²，泊松比μ=0.3。
理论解：
- 自由端挠度：f = PL³/(3EI) ≈ 5.424×10⁻³m
- 固定端最大弯曲应力：σ = Mc/I ≈ 81.5MPa
2. 分析步骤
几何建模：
- 在DesignModeler中创建直径50mm的圆
- 拉伸成长度1000mm的圆柱体
材料设置：
- 添加结构钢(Structural Steel)材料
- 弹性模量2×10¹¹Pa，泊松比0.
网格划分：
- 参数Relevance控制网格精细度(-100最粗糙，100最精细)
- 设置全局单元尺寸(Element Size)
边界条件：
- 固定约束：梁的一端施加Fixed Support
- 力载荷：自由端施加1000N的力
求解与结果：
- 最大挠度：5.4224×10⁻³m(自由端)
- 最大等效应力：81.667MPa(固定端)
- 与理论结果一致
四、不锈钢板静力学分析实例
1. 问题描述
不锈钢钢板尺寸320mm×50mm×20mm，一端固定，一端自由，一面分布有均布载荷q=0.2MPa3。
2. 分析流程
项目创建：
- 创建Geometry组件
- 添加Static Structural分析系统
几何导入：
- 通过Import Geometry导入CAD模型
材料设置：
- 添加不锈钢(Stainless Steel)材料
- 使用默认材料参数
网格划分：
- Sizing中的Relevance Center设置为Medium
- 生成网格
边界条件：
- 固定约束(Fixed Support)：施加在一端
- 压力载荷(Pressure)：0.2MPa，施加在一个面上
结果后处理：
- 等效应力(Equivalent Stress)云图
- 等效应变(Equivalent Elastic Strain)云图
- 总变形(Total Deformation)云图
五、摩擦生热耦合分析实例
1. 问题描述
定块上有一个滑块，滑块顶面施加10MPa的分布力系。滑块在定块表面滑行3.75mm，计算摩擦产生的热量以及滑块和定块内部的温度分布和应力分布。
模型尺寸：
- 定块：宽5mm，高1.25mm，厚1mm
- 滑块：宽1.25mm，高1.5mm，厚1mm
材料参数：
- 弹性模量：7e10Pa
- 泊松比：0.
- 密度：2700kg/m³
- 热膨胀系数：23.86e-6/K
- 摩擦系数：0.
- 热导率：150W/(m·K)
- 比热：900J/(kg·K)
2. 关键技术
分析方法选择：
- 使用瞬态结构动力学分析系统
- 更改单元为PLANE223(耦合单元)
- 使用其结构-热分析功能
载荷步设置：
- 第一步：将动块移动到指定位置
- 第二步：保持最终位置，获得平衡解
求解设置：
- 关闭结构分析的惯性部分，只做静力学结构分析
- 热分析做瞬态热分析
- 需要自定义结果提取温度
多物理场耦合：
- 创建单独的工程数据系统，与瞬态结构动力学分析的工程数据单元格关联
- 在DM中创建两个草图，生成面物体进行平面应力分析
总结与建议
- 拓扑优化是快速获得轻量化概念的好工具，但需要后续尺寸优化将概念设计落地。
- 接触分析需要特别注意网格控制和接触设置，可能需要多次调整才能获得正确结果。
- 材料属性设置是仿真的基础，应根据实际情况准确输入参数1。
- 网格质量直接影响结果精度，关键部位需要局部细化1。
- 多物理场耦合分析（如摩擦生热）需要使用专门的耦合单元和特殊的求解设置。
进阶建议：
- 尝试将优化流程与Python脚本结合，实现自动化优化
- 进行制造可行性分析，如3D打印或铸造工艺评估
- 拓展到热-结构耦合或疲劳寿命分析
- 对比不同软件（如HyperWorks、Altair Inspire）的分析结果
ANSYS Workbench是一款功能强大的工程仿真软件，广泛应用于机械、土木、电子、航空航天等领域的结构分析、热分析、流体分析等。下面我将通过几个典型工程实例，详细介绍ANSYS Workbench的应用流程和关键技术。
一、固定支架优化设计实例
1. 问题描述
这是一个典型的支架结构优化问题，固定支架有两个螺栓孔用于安装，承载面上有两处受外部载荷作用，每处载荷为20kN。初始尺寸为宽度35mm、高度125mm、长度300mm，材料为不锈钢。
优化目标：
- 最大变形小于2mm
- 结构减重设计
- 使用ANSYS Workbench实现拓扑优化+尺寸优化
2. 分析流程
几何建模：
- 创建基础体：拉伸一个长方体(300mm×35mm×125mm)
- 打孔：在顶部两侧对称位置打两个直径8mm的螺栓孔
- 加载面定义：在承载面中间偏左和偏右位置创建两个局部加载区域
材料属性设置：
- 材料：不锈钢(SUS304)
- 弹性模量：200GPa
- 泊松比：0.
- 密度：7930kg/m³
- 屈服强度：约205MPa
网格划分：
- 单元类型：SOLID185(六面体主导)
- 全局尺寸：3mm
- 关键部位细化：螺栓孔周围和加载区域局部网格加密
- 检查网格质量(Skewness<0.8)
静力学分析：
- 约束：两个螺栓孔内表面施加Fixed Support
- 载荷：两个加载面分别施加20kN的垂直力(Z方向)
- 初始分析结果：最大变形2.5mm(不满足要求)，最大应力220MPa(接近屈服极限)
拓扑优化：
- 目标：在满足最大变形≤2mm的前提下，最小化质量
- 优化区域选择整个支架
- 设置工艺约束(如拔模方向)
- 优化结果：质量减少约35%，螺栓孔周围保留材料较多，载荷路径清晰
尺寸优化：
- 对拓扑优化后的结构进行参数化建模
- 定义关键变量(厚度、高度、宽度)
- 使用Response Surface Optimization方法优化
- 优化后结果：新尺寸宽度28mm、高度110mm、长度300mm；变形量1.95mm；质量比原始结构减少42%
3. 结果对比
项目初始结构优化结构变化幅度最大变形2.5mm1.95mm↓22%结构质量10.2kg5.9kg↓42%应力峰值220MPa180MPa↓18%
二、齿轮接触静力学分析实例
1. 问题描述
分析直齿轮接触问题，小齿轮为主动轮，大齿轮为从动轮。主动轮输入逆时针方向扭矩10kN*mm，从动轮固定。求解齿轮的应力和位移。
2. 关键技术
模型简化：
- 齿根处理成直角会产生应力奇异，因此不简化
- 齿面的渐开线也不能简化
前处理：
- 分析类型选择3D
- 材料：结构钢(Structural Steel)
- 约束：固定大齿轮(Fixed Support)
- 载荷：小齿轮施加10,000N*mm力矩(绕Z轴逆时针)
- 接触：有摩擦接触(Frictional)，摩擦系数0.
3. 网格控制与接触处理
常见问题与解决方案：
- 初次生成网格可能有警告和报错
- 调整接触网格为0.1mm可消除报错但可能计算不下去
- 尝试通过offset处理间隙，但可能仍有初始穿透问题
- 使用Adjust to Touch处理间隙/穿透问题
- 接触方式改为bonded可能得到错误结果
- 最终解决方案：上下齿轮都设置Frictional有摩擦接触，并加密网格
网格细化：
- 接触面网格细化到0.01mm可观察到赫兹接触现象
- 但需考虑计算资源限制
三、悬臂梁静力学分析实例
1. 问题描述
钢制圆截面悬臂梁，圆截面直径D=50mm，梁长度L=1m，自由端受集中力P=1000N。材料弹性模量E=2×10¹¹N/m²，泊松比μ=0.3。
理论解：
- 自由端挠度：f = PL³/(3EI) ≈ 5.424×10⁻³m
- 固定端最大弯曲应力：σ = Mc/I ≈ 81.5MPa
2. 分析步骤
几何建模：
- 在DesignModeler中创建直径50mm的圆
- 拉伸成长度1000mm的圆柱体
材料设置：
- 添加结构钢(Structural Steel)材料
- 弹性模量2×10¹¹Pa，泊松比0.
网格划分：
- 参数Relevance控制网格精细度(-100最粗糙，100最精细)
- 设置全局单元尺寸(Element Size)
边界条件：
- 固定约束：梁的一端施加Fixed Support
- 力载荷：自由端施加1000N的力
求解与结果：
- 最大挠度：5.4224×10⁻³m(自由端)
- 最大等效应力：81.667MPa(固定端)
- 与理论结果一致
四、不锈钢板静力学分析实例
1. 问题描述
不锈钢钢板尺寸320mm×50mm×20mm，一端固定，一端自由，一面分布有均布载荷q=0.2MPa3。
2. 分析流程
项目创建：
- 创建Geometry组件
- 添加Static Structural分析系统
几何导入：
- 通过Import Geometry导入CAD模型
材料设置：
- 添加不锈钢(Stainless Steel)材料
- 使用默认材料参数
网格划分：
- Sizing中的Relevance Center设置为Medium
- 生成网格
边界条件：
- 固定约束(Fixed Support)：施加在一端
- 压力载荷(Pressure)：0.2MPa，施加在一个面上
结果后处理：
- 等效应力(Equivalent Stress)云图
- 等效应变(Equivalent Elastic Strain)云图
- 总变形(Total Deformation)云图
五、摩擦生热耦合分析实例
1. 问题描述
定块上有一个滑块，滑块顶面施加10MPa的分布力系。滑块在定块表面滑行3.75mm，计算摩擦产生的热量以及滑块和定块内部的温度分布和应力分布。
模型尺寸：
- 定块：宽5mm，高1.25mm，厚1mm
- 滑块：宽1.25mm，高1.5mm，厚1mm
材料参数：
- 弹性模量：7e10Pa
- 泊松比：0.
- 密度：2700kg/m³
- 热膨胀系数：23.86e-6/K
- 摩擦系数：0.
- 热导率：150W/(m·K)
- 比热：900J/(kg·K)
2. 关键技术
分析方法选择：
- 使用瞬态结构动力学分析系统
- 更改单元为PLANE223(耦合单元)
- 使用其结构-热分析功能
载荷步设置：
- 第一步：将动块移动到指定位置
- 第二步：保持最终位置，获得平衡解
求解设置：
- 关闭结构分析的惯性部分，只做静力学结构分析
- 热分析做瞬态热分析
- 需要自定义结果提取温度
多物理场耦合：
- 创建单独的工程数据系统，与瞬态结构动力学分析的工程数据单元格关联
- 在DM中创建两个草图，生成面物体进行平面应力分析
总结与建议
- 拓扑优化是快速获得轻量化概念的好工具，但需要后续尺寸优化将概念设计落地。
- 接触分析需要特别注意网格控制和接触设置，可能需要多次调整才能获得正确结果。
- 材料属性设置是仿真的基础，应根据实际情况准确输入参数1。
- 网格质量直接影响结果精度，关键部位需要局部细化1。
- 多物理场耦合分析（如摩擦生热）需要使用专门的耦合单元和特殊的求解设置。
进阶建议：
- 尝试将优化流程与Python脚本结合，实现自动化优化
- 进行制造可行性分析，如3D打印或铸造工艺评估
- 拓展到热-结构耦合或疲劳寿命分析
- 对比不同软件（如HyperWorks、Altair Inspire）的分析结果
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