第2章 ANSYS12.0 Workbench平台的使用 
 

2.1 有限元分析与 ANSYS12.0 Workbench 

由于计算规模和计算方法的限制，早期的FEA工具只能用来求解一些简化的2D稳态、线性工程问题。随着数字技术的发展及计算能力的提高，越来越多的复杂问题可由数值模拟分析工具解决。事实上，实际的工程问题往往涉及结构、流体流动、热传导、电磁学等各种不同的物理环境，而解决这些领域中的工程问题，有限元方法已经得到成功且广泛的应用。 

多数情况下，使用对称、反对称、平面应力、平面应变等简化假定能更有效的完成3D模型的数值模拟分析。也就是说，如果工程问题满足简化条件，我们就应该使用这些简化假设，而不必进行3D整体模型的数值模拟分析。 

ANSYS12.0 Workbench有限元数值模拟分析软件用来模拟复杂的多物理场环境的实际工程问题，它在工程页面引入了工程流程图的概念，通过各个分析系统间的连接，将数值模拟过程结合在一起，每个分析系统的数值模拟过程一般是采用简化假定或者真实的物理模型，将CAD模型构造成有限元网格模型，再通过施加载荷和边界条件后运行求解得到分析结果，分析系统之间通过共同变量建立关联。 

  

 ANSYS12.0 Workbench提供的分析类型如下： 

结构静力分析 

 

用来求解外载荷引起的位移、应力和约束反力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。可求解的静态非线性问题，包括材料非线性：如塑性、大应变；几何非线性：如膨胀、大变形；单元非线性如接触分析等。 

结构动力学分析 

 

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。动力学分析可以分析大型三维柔体和刚体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。结构动力学分析类型包括：模态分析、谐波响应分析、响应谱分析、随机振动响应分析、瞬态动力学分析、显式动力分析等。 

热分析 

 

热分析可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析应用于热处理问题、电子封装、发动机组、压力容器、流固耦合问题、热结构耦合的热应力问题等。 

 

 

流体动力学分析 

 

ANSYS12.0流体动力学分析包含CFX和Fluent，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流速。并且可以利用后处理功能产生压力、流速和温度分布的图形显示。 

电磁场分析 

 

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、变压器、发电机、电解槽及无损检测装置等设计和分析领域。 

耦合场分析 

 

通过直接耦合或载荷传递顺序耦合求解不同场的交互作用，用于分析诸如流体-结构耦合、结构-热耦合、热电耦合等问题。 

2.2  ANSYS12.0 WORKBENCH 工程数值模拟分析一般过程 

通常下面的过程可以完成一般的有限元数值模拟，然而，值得提示的是，利用Workbench平台模拟不同分析类型的工程问题时，比如静力分析、动力分析、自由振动等，这些分析类型中可能包含不同的材料非线性、瞬态载荷、刚体运动等特征，这就需要增加相应的属性定义以帮助完成分析。 

ANSYS12.0 Workbench 工程数值模拟一般过程如下： 

1、选择工程问题的分析类型，将分析系统加入工程流程图 

2、使用分析系统 

3、DesignModeler建立几何模型或CAD接口关联几何模型。 

4、利用提供的工程材料或自定义来分配材料属性。 

5、施加载荷和边界条件。 

6、设置需要求解得到的结果。 

7、计算求解。 

8、查看评估结果。 

9、添加关联系统 

10、查看参数和设计点 

11、生成有限元数值模拟分析报告。 

2.2.1 ANSYS12.0 Workbench 界面 

ANSYS12.0 Workbench中采用Workbench 2.0的框架体系，Workbench 2.0 整合所有的功能，将不同分析类型的数值模拟过程结合在一起，和以往的版本不同，Workbench 2.0中引入工程流程图的方式管理工程项目，通过该功能，一个复杂的多物理场分析问题，通过系统间的相互关联来实现。图2-1是 Workbench界面，该界面由以下区域构成。 

 

图2-1  ANSYS12.0 Workbench界面 

1、 主菜单（图2-2） 

 

主菜单包括基本的菜单系统，如文件操作【File】，窗口显示【View】，提供工具【Tools】，单位制【Units】，帮助信息【Help】。 

 

图2-2 主菜单 

2、 基本工具条（图2-3） 

 

基本工具条包括常用命令按钮，如新建文件【New】，打开文件【Open】，保存文件【Save】，另存为文件【Save As】，导入模型【Import】，紧凑视图模式【Compact Mode】 

 

图2-3 基本工具条 

3、 工具箱（图2-4） 

 

Workbench界面左侧是工具箱，工具箱窗口中包含了工程数值模拟所需的各类模块。工具箱包括分析系统【Analysis Systems】，如图2-4，分析系统显示不同的分析类型见表2-1。组件系统【Component Systems】，如图2-5，组件系统显示不同的组件类型见表2-2。自定义系统【CustomSystems】，设计优化【Design Exploration】。 

                       

表2-1 分析系统说明 

分析类型 说明 

Electric (ANSYS) ANSYS电场分析 

Explicit Dynamics (ANSYS) ANSYS显式动力学分析 

Fluid Flow (CFX) CFX流体分析 

Fluid Flow (Fluent) FLUENT流体分析 

Hamonic Response (ANSYS) ANSYS谐响应分析 

Linear Buckling (ANSYS) ANSYS线性屈曲 

Magnetostatic (ANSYS) ANSYS静磁场分析 

Modal (ANSYS) ANSYS模态分析 

Random Vibration (ANSYS) ANSYS随机振动分析 

Response Spectrum (ANSYS) ANSYS响应谱分析 

Shape Optimization (ANSYS) ANSYS形状优化分析 

Static Structural (ANSYS) ANSYS结构静力分析 

Steady-State Thermal (ANSYS) ANSYS稳态热分析 

Thermal-Electric (ANSYS) ANSYS热电耦合分析 

Transient Structural(ANSYS) ANSYS结构瞬态分析 

Transient Structural(MBD) MBD 多体结构动力分析 

Transient Thermal(ANSYS) ANSYS瞬态热分析 

 

 图2-4 分析系统 

 表2-2 组件类型说明 

组件类型 说明 

AUTODYN AUTODYN非线性显式动力分析 

BladeGen 涡轮机械叶片设计工具 

CFX CFX高端流体分析工具 

Engineering Data 工程数据工具 

Explicit  Dynamic（LS-DYNA） LS-DYNA 显式动力分析 

Finite Element Modeler FEM有限元模型工具 

FLUNET FLUNET 流体分析 

Geometry 几何建模工具 

Mechanical APDL 机械APDL命令 

Mechanical Model 机械分析模型 

Mesh 网格划分工具 

Results 结果后处理工具 

TurboGrid 涡轮叶栅通道网格生成工具 

Vista TF 叶片二维性能评估工具 

 

 图2-5 组件系统 

4、 工程流程图 

 

在ANSYS12.0 Workbench中工程流程图是管理工程的一个区域，如图2-1右侧所示，分析系统和各个组件都可以加入工程流程图，并建立关联。对于熟悉ANSYS11.0 Workbench的

使用者来说，使用工程页面管理数值模拟文件并不是件困难的事。在ANSYS12.0 版本里，工程页面的文件管理被分析流程所取代。【Project Schematic】工程流程图窗口引入图表显示方式管理整个工程，依靠引入分析系统，描述工作流程及使用ANSYS12.0 Workbench中的各项功能。 

 

2.2.2分析系统加入工程流程图 

下面使用ANSYS12.0 Workbench开始一个工程数值模拟过程，先关闭【Getting Started】欢迎界面，按住鼠标左键，将需要的流体分析类型【Fluid Flow（CFX）】从工具箱窗口拖入工程流程图窗口，如图2-6，在此我们可以看到，由于选择了CFX流体分析系统，工程流程图中就会生成CFX流体分析图表，CFX流体分析图表显示了执行CFX流体分析的工作流程，其中每一个单元格命令分别代表CFX流体分析过程中所需的每个步骤。根据CFX流体分析图表所示，从上往下执行每个单元格命令，我们就可以从头到尾进行流体数值模拟，也就是先得到几何模型， 然后利用几何模型生成有限元网格模型，然后设置数值模拟的物理条件，然后计算并求解得到结果，最后在后处理中显示得到的结果。单元格右边的图标实时提示每个步骤的当前状态。 

 

图2-6  工程流程图窗口 

继续下面的分析，如果需要释放一些屏幕空间，可以关闭工具箱窗口，点击【Save】保存按钮，可以随时保存此工程分析。图2-7保存工程分析文件。 

 

图2-7 保存工程分析文件 

2.2.3 使用分析系统 

点击鼠标右键，选择【Geomety】几何模型单元格，选择【Geomety】?【New Geomety】?【Import Geomety】?【Wing.agdb】文件，建立几何模型如图2-8，此案例中加载现有的几何模型Wing.agdb, 鼠标右键选择【Geomety】?【Edit】可以进入DesignModeler 编辑几何模

型见图2-9. 几何模型修改后可以最小化或关闭DesignModeler窗口。提示，我们并没有保存DesignModeler中的几何模型，ANSYS12.0 Workbench会在后台自动运行文件管理功能，保存文件。【Geomety】后面的打勾标记?表明可以进行下一个网格划分的步骤。 

  

图2-8 建立几何模型 

  

图2-9 编辑几何模型 

点击鼠标右键，选择单元格【Mesh】?【Edit】，Workbench将调入相应的分析系统窗口，改变网格尺寸，单元网格会自动更新，当修改网格划分后，可以关闭或最小化该窗口， 得到有限元网格模型见图2-10。 

  

图2-10  有限元网格模型 

点击鼠标右键，选择单元格【Setup】? 【Edit】，Workbench将加载【CFX-Pre】功能窗口见图2-11，这里设置所需的流场物理环境，设置完成后，可以关闭或最小化该窗口，【Setup】单元格自动更新。 

  

图2-11  CFX-Pre窗口设置流场物理环境  

点击鼠标右键，选择单元格【Solution】? 【Edit】，Workbench将加载【CFX-Solver Manager】功能窗口，在这里进行计算得到收敛解见图2-12。求解完成后，【Solution】单元格自动更新。 

  

图2-12  计算求解  

点击鼠标右键，选择单元格【Results】?【Edit】，Workbench将加载【CFX-Post】功能窗口，在这里进行结果后处理得到所需的结果见图2-13。 

 

 

图2-13 结果后处理 

2.2.4使用Workbench功能 

点击鼠标左键，选择Workbench功能菜单中【View】?【Files】，分析过程中涉及到的文

件列表显出出来，见图2-14.  

  

图2-14  文件列表 

现在，选择单元格命令【Geometry】?【Edit】，在DesignModeler窗口改变模型位置后，会看到CFX图表中，下游单元格命令随着上游单元格命令的变化立即产生相应的改变。我们也可以鼠标右击每个单元格【Update】得到更新，或者选择工具按钮【Update Project】以批处理方式进行更新，见图2-15。 

  

图2-15  工程更新 

2.2.5 添加关联分析系统 

下面将CFX求解结果作为结构加载的边界条件完成结构静力分析。点击鼠标右键，选择 【Solution】?【Transfer Data to New】?【Static structural (ANSYS)】见图2-16。 

  

图2-16 载入静力分析类型 

新的静力分析系统加入工程流程图，静力分析系统中，同样，每个单元格依次排序来表示分析过程的每个步骤，两个分析系统中的方点连线表示共享内容，也就是几何模型是一致的，圆点连线表示求解结果将从前一个分析系统传递到后一个分析系统，见图2-17。 

 

图2-17 关联分析系统 

点击鼠标右键，选择【Model】?【Edit】，图2-18，进入【Static Structual (ANSYS)】 界面，可以看到，流体模型部分被抑制，仅显示出结构的实体模型，对结构实体模型网格划分如图2-19. 

  

图2-18 编辑模型 

 

图2-19 结构有限元网格 

选择结构表面，流场计算的压力载荷自动传递到改表面，计算求解，结构静力分析结果如图2-20。提示：所有静力分析系统中单元内容自动更新。如果再次改变几何模型，点击【Update Project】按钮，工程所有单元会全部更新，参见图2-21。 

 

图2-20 静力分析结果 

 

图2-21  工程更新结果示意 

2.2.6  参数化设计及工程数值模拟优化 

参数化设计可以更好的比较设计方案优劣，我们可以在分析系统中定义可变参数，可变参数加入分析系统图表，工程图表显示出【Parameter Set】参数设置栏，如图2-22。 

 

 

图2-22 参数化设计 

点击【Parameter Set】参数设置栏，载入设计点表格，表格中每一行代表一个参数设计方案，增加行，可以生成新的设计方案，选择工具栏按钮【Update All Design Points】可以更新所有的设计方案，如图2-23。关闭设计方案窗口，回到工程流程图窗口。 

 

图2-23 设计方案图表 

下面使用CFX网格设置FLUENT流体分析，在【Toolbox】工具箱内选择【Componet Systems】组件系统来组建工程，把【Componet Systems】中【FLUENT】流体拖入工程流程图的空白区将生成一个独立系统，如果拖入到已有的分析系统单元将和已有的系统共享单元数据或者从已有系统中导入单元数据，该工程也可以得到FLUENT求解器计算的流体分析结果。见图2-24。 

 

图2-24 加入FLUENT流体分析组件 

2.2.7自定义工程数值模拟分析流程 

如果想把工程流程图用于其它的工程项目，可以将该示意图保存为自定义工程模板，以供以后调用，鼠标右击工程流程图【Project Schematic】，选择【Add to Custom】,在【Add Project Template】 添加工程模板窗口输入名称即可，见图2-25，点击【View All/Customize】可以简化或定制工具箱内的显示内容，见图2-26。 

 

图2-25自定义工程模板 

 

图2-26 定制工具箱内的显示内容 

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，以静力分析为例，调入几何模型时，DesignModeler窗口打开，编辑模型单元时，Mechanical程序窗口打开，Windows任务栏显示DM和M标签按钮，通过这些按钮的切换，可以改变几何模型和更新分析过程，见图2-27。 

 

图2-27 Workbench多窗口管理 

2.3.2 Workbench窗口相互切换 

 

单击DM按钮，进入DesignModeler，改变几何模型孔的定位，在任务栏单击Workbench按钮，进入Workbench界面，提示，【Gemetry】状态图标发生了更新变化，图2-28，从Workbench界面单击工具栏【Update Project】按钮，以批处理方式更新全部单元，在任务栏单击【Mechanical】按钮，可以查看更新后的分析结果。见图2-29。 

  

图2-28  Workbench窗口相互切换 

  

图2-29 查看更新后的分析结果 

2.3.3 Workbench窗口紧凑模式 

 

Workbench窗口在【Compact Mode】紧凑模式下工作是很方便的，从工具栏选择【Compact Mode】按钮，Workbench窗口仅显示工程流程图界面。图2-30,右上方工具按钮提供不同的窗口显示方式及显示内容，选择【Applications】?【Arrange Vertically】可以垂直排列分析系统窗口。见图2-31。 

 

图2-30 【Compact Mode】紧凑模式 

 

图2-31 垂直排列分析系统窗口

 

    

详细原文，详细附件P12-P26：ANSYS_12.0_Workbench-热分析教程.pdf