ANSYS Workbench 综合分析教程

什么是 ANSYS Workbench？

在开始之前,我们先要理解 ANSYS Workbench (简称 WB) 是什么。

• 定位：它不是一个求解器，而是一个仿真平台和项目管理器，你可以把它想象成一个“超级胶水”或“集成开发环境 (IDE)”，它将 ANSYS 底下各个强大的求解器（如 Mechanical, Fluent, CFX, Maxwell 等）以及其他第三方软件（如 CAD 软件）整合在一起。
• 核心思想：基于项目原理图 的工作流，通过拖拽、连接和分析系统，你可以直观地定义一个完整仿真分析的流程，从几何导入、网格划分、求解设置到后处理，一目了然。
• 优势：
  • 高度集成：CAD 几何导入、网格划分、求解和后处理都在一个统一的界面下完成，数据传递无缝。
  • 参数化驱动：所有分析步骤都可以设置参数，便于进行优化设计和灵敏度分析。
  • 模板化：可以保存常用的分析流程为模板，实现一键复用，极大提高效率。
  • 协同工作：不同模块之间可以协同，一个结构分析的结果可以作为另一个热分析的载荷。

Workbench 界面介绍

启动 Workbench 后，你会看到主界面，主要由以下几个部分组成：

1. 工具箱：

   • 分析系统：包含了预设好的、常用的分析类型模板，如 Static Structural (静态结构分析), Fluid Flow (CFD) (流体分析), Modal (模态分析) 等，这是你创建新项目的起点。
   • 组件系统：提供了可以手动添加到项目原理图中的独立组件，如 Geometry (几何), Model (模型), Mesh (网格) 等，当你需要自定义分析流程时使用。
   • 自定义系统：允许你创建自己的分析系统模板。

2. 项目原理图：

   • 这是 Workbench 的核心工作区，你从工具箱拖拽一个分析系统到此处，就会看到一个由方框和箭头组成的流程图。
   • 方框：代表分析中的一个步骤或组件（如 A2: Geometry, A3: Model）。
   • 箭头：代表数据流向，表示前一步骤的输出是后一步骤的输入。

3. 参数管理器：

   
   （图片来源网络，侵删）

   一个表格形式的窗口,用于显示和管理当前项目中的所有参数（包括几何参数、材料属性、载荷条件等），你可以在这里修改参数值，并实时更新整个分析流程。

4. 大纲：

   位于界面的左侧,显示当前激活分析步骤的详细树形结构，在 Mechanical 中，它会列出所有载荷、约束、接触对、网格设置等，你可以在这里进行选择、修改和添加。

5. 图形窗口：

   
   （图片来源网络，侵删）

   显示几何模型、网格、结果云图、曲线图等主要可视化内容。

6. 信息/输出窗口：

   显示操作过程中的信息、警告或错误。

一个完整的静态结构分析工作流

下面我们通过一个最经典的例子——“施加压力的带孔板”，来走一遍完整的工作流程。

目标：一块长方形板上有一个圆孔，一端固定，另一端施加一个均布压力，分析其应力分布和变形。

第1步：创建项目

1. 从左侧工具箱的 Analysis Systems 中，用鼠标拖拽 Static Structural (静态结构) 到右侧的 Project Schematic 空白区域。
2. 你会看到一个名为 Static Structural 的项目原理图，包含 A1 到 A7 的步骤。

第2步：导入几何

1. 双击原理图中的 A2: Geometry 单元格，此时会启动 SpaceClaim 几何处理工具。
2. 在 SpaceClaim 中，你可以创建新几何，或者导入已有的 CAD 模型（如 .sldprt, .ipt, .step, .x_t 等格式），我们这里直接创建一个简单的带孔板。
3. 创建完成后,点击 SpaceClaim 界面右上角的 “Return to Project” 按钮，回到 Workbench 主界面。

第3步：定义材料

1. 双击 A4: Engineering Data 单元格，进入材料定义界面。
2. 默认情况下,材料库是空的，你需要从左侧的 Engineering Data Sources 中选择一个材料库（如 General Materials），然后将其中的材料（如 Steel）拖拽到当前项目的 Outline of Schematic A4 中。
3. 你也可以自定义材料,修改其属性（如密度、弹性模量、泊松比等）。
4. 完成后,点击 Return to Project。

第4步：设置模型和网格

1. 双击 A5: Model 单元格，这将启动 ANSYS Mechanical 求解器界面，这是 Workbench 中最常用的模块。
2. 设置材料：在左侧的 Outline 树中，点击 Geometry -> Solid，在下面的 Details View 窗口中，将 Material 的 Assignment 设置为你刚才定义的 Steel。
3. 设置网格：
   • 在 Outline 树中，右键点击 Mesh，选择 Generate Mesh。
   • Workbench 会自动生成一个初步的网格，你可以通过 Mesh -> Details View 调整网格尺寸、类型等参数，以获得更高质量的网格。
   • 为了在孔洞周围得到更精确的结果,可以对该区域进行局部网格加密，在 Mesh 上右键，选择 Insert -> Sizing，然后在图形窗口中选择孔的圆柱面，并设置较小的 Element Size。

第5步：施加载荷和约束

这是仿真的核心,定义模型的物理环境。

1. 添加约束：

   • 在 Outline 树中，右键点击 Static Structural (A5)，选择 Insert -> Fixed Support (固定支撑)。
   • 在图形窗口中,选择板的左侧端面。
   • 在 Details View 中确认 Geometry 已正确选中。

2. 添加载荷：

   • 再次右键点击 Static Structural (A5)，选择 Insert -> Pressure (压力)。
   • 在图形窗口中,选择板的右侧端面。
   • 在 Details View 中，设置 Magnitude (大小) 为 10 MPa (或其他你想要的值)。

第6步：求解

1. 在 Outline 树中，右键点击 Solution (A6)，选择 Solve。
2. 求解器开始计算,界面下方会显示求解进度，等待计算完成。

第7步：后处理

分析计算结果,提取有用的信息。

1. 查看应力：

   • 在 Outline 树的 Solution (A6) 下，右键点击 Insert -> Stress -> Equivalent (von-Mises Stress)。
   • 此时图形窗口会自动显示等效应力云图,你可以通过工具栏上的 Result 工具调整显示方式、缩放、添加注释等。

2. 查看变形：

   • 同样,在 Solution 下，右键点击 Insert -> Deformation -> Total。
   • 图形窗口会显示模型的变形云图,我们会将变形结果放大显示，以便观察。

3. 查看结果图表：

   • 可以在模型上创建路径,然后沿该路径绘制应力或位移曲线，创建一个路径穿过孔洞中心，然后插入一个 Stress 或 Deformation 的 Probe，并选择该路径。

第8步：保存和报告

1. 完成所有分析后,保存整个 Workbench 项目文件（.wbpj）。
2. 可以在 Mechanical 中导出图片、数据。
3. 也可以在 Workbench 主界面，右键点击 Solution (A6)，选择 Report -> PDF Report，自动生成一份包含所有关键结果和分析步骤的报告。

进阶学习路径

当你掌握了基本工作流后,可以进一步学习以下内容：

1. 参数化与优化：

   • 在 Geometry、Engineering Data、Model 等步骤中定义参数。
   • 使用 Design Exploration 模块进行 Parameter Set (参数化研究)、Optimization (优化设计) 或 Response Surface (响应曲面) 分析。

2. 高级分析类型：

   • Modal Analysis (模态分析)：分析结构的固有频率和振型。
   • Transient Structural (瞬态结构分析)：分析结构随时间变化的响应。
   • Fluid Flow (CFD) (计算流体动力学)：分析流体流动、传热和化学反应。
   • Thermal Analysis (热分析)：分析稳态和瞬态温度分布。

3. 多物理场耦合：

   • Steady-State Thermal (热分析) + Static Structural (结构分析)：进行热-固耦合分析，计算热应力。
   • Fluid Flow (CFD) + Static Structural：进行流-固耦合分析，计算流体对结构的作用力。

学习资源推荐

1. 官方资源：

   • ANSYS Help：Workbench 和 Mechanical 自带的帮助文档，最权威、最全面，遇到任何问题，按 F1 或在菜单栏点击 Help，查找相关主题。
   • ANSYS Innovation Courses：ANSYS 官方提供的免费在线课程，从入门到精通，非常系统。

2. 视频教程：

   • ANSYS Learning Channel (YouTube)：官方发布的视频教程，内容更新快，覆盖面广。
   • YouTube/Bilibili：搜索 "ANSYS Workbench Tutorial"，有大量优秀的第三方教学视频。

3. 书籍：

   《ANSYS Workbench 17.0 工程分析实例详解》等国内出版的教程书籍，通常结合实例，讲解细致。

4. 社区与论坛：

   • ANSYS Student Community：学生版用户社区。
   • SimuTech Group Blog：官方合作伙伴的博客，有很多实用技巧。
   • 仿真学习与应用论坛：国内非常活跃的仿真技术交流社区。

学习 ANSYS Workbench 的最佳路径是：理论 -> 实践 -> 总结。

1. 理解基本概念：明白项目原理图、数据流、分析步骤的含义。
2. 跟随教程动手：从最简单的例子开始，一步步操作，不要怕出错。
3. 尝试独立分析：找一个小型实际工程问题，自己从头到尾完成一次分析。
4. 深入探索：在掌握基础后，逐步挑战更复杂的分析类型和高级功能。

祝你学习顺利！