ANSYS_12.0_Workbench-熱分析教程
ANSYS 12.0軟件培訓 —熱分析
編制：許京荊 2010.5
上海大學機電學院安全斷裂分析研究室
ANSYS華東地區技術支持中心
ANSYS軟件華東地區培訓中心
ANSYS_12.0_Workbench-熱分析教程 目錄和緒論
內 容 目 錄
第1章 緒論
1.1 ANSYS軟件概述
1.2 ANSYS 12.0新功能介紹
2.1 有限元分析與 ANSYS12.0 Workbench
2.2 ANSYS12.0 Workbench 工程仿真分析一般過程
2.2.1 ANSYS12.0 Workbench界面
2.2.2 分析系統加入工程圖解
2.2.3 使用分析系統
2.2.4 使用Workbench功能
2.2.5 添加關聯分析系統
2.2.6 參數化設計及工程仿真優化
2.2.7 自定義工程仿真分析流程
2.3 ANSYS12.0 Workbench窗口管理
2.3.1 Workbench窗口管理功能
2.3.2 Workbench窗口相互切換
2.3.3 Workbench窗口緊湊模式
3.1 ANSYS12.0 DesignModeler幾何模型
3.1.1 DesignModeler用戶界面
3.1.2 選擇過濾器及案例
3.1.3 長度單位
3.1.4 草圖模式
3.1.4.1 平面和草圖及案例
3.1.4.2 繪制草圖及案例
3.1.4.3 草圖標注及案例
3.1.4.4 草圖約束及案例
3.1.4.5 編輯草圖及案例
3.1.4.6 草圖援引及案例
3.1.4.7 草圖技巧
3.1.5 3D實體模型
3.1.5.1 體和零件
3.1.5.2 3D特征
3.1.5.3 布爾操作及案例
3.1.5.4 特征方向
3.1.5.5 特征類型
3.1.5.6 特征創建及案例
3.1.5.7 3D實體建模案例-排氣裝置
3.1.6 概念建模及案例
3.1.6.1 創建線體及案例
3.1.6.2 3D 曲線特征及案例
3.1.6.3 創建面體及案例
3.1.7 高級工具及案例
3.1.7.1 冰凍【Freeze】及案例
3.1.7.2 解凍【Unfreeze】
3.1.7.3 命名選擇【Named Selection】
3.1.7.4 接合【Joint】
3.1.7.5 包圍【Enclosure】及案例
3.1.7.6 填充【Fill】及案例
3.1.7.7 抽取中面【Mid-Surface】與表面延伸【Face Extend】及案例
3.1.7.8 切片【Slice】
4.1 ANSYS12.0 Meshing網格劃分概述
4.2 ANSYS12.0 Meshing網格劃分方法
4.3 ANSYS12.0 Meshing網格劃分控制
4.3.1 網格劃分用戶界面
4.3.2 網格劃分方法
4.3.3 網格局部尺寸控制【Sizing】
4.3.4 接觸區域網格控制【Contact Sizing】
4.3.5 網格局部單元細化【Refinement】
4.3.6 映射面網格劃分【Mapped Face meshing】
4.3.7 面匹配網格劃分【Match Control】
4.3.8 虛擬拓撲工具【Virtual Topology】
4.4 網格劃分控制案例—轉動曲柄裝配體
4.5 多體零件共享拓撲印記面及匹配網格劃分案例
4.6 裝配體薄層掃略網格劃分及案例
5.1 ANSYS12.0熱分析概述
5.1.1 傳熱基本方式
5.1.2 傳熱過程
5.1.3 穩態傳熱和瞬態傳熱
5.1.4 線性與非線性
5.1.5 符號與單位
5.1.6 材料屬性
5.1.7 幾何模型
5.1.8 接觸
5.1.9 分析設置
5.1.10 載荷和邊界條件
5.1.11 結果與后處理
5.2 ANSYS12.0 Steady-State Thermal穩態熱分析
5.2.1 ANSYS12.0穩態熱分析概述
5.2.2 ANSYS12.0穩態熱分析方法
5.2.3 ANSYS12.0穩態熱分析案例—短圓柱體的熱傳導
5.2.3.1 問題描述
5.2.3.2 問題分析
5.2.3.3 數值模擬過程
5.2.4 ANSYS12.0穩態熱分析案例—保溫桶的對流傳熱
5.2.4.1 問題描述
5.2.4.2 問題分析
5.2.4.3 數值模擬過程
5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal瞬態熱分析
5.3.1 ANSYS12.0瞬態熱分析概述
5.3.2 ANSYS12.0瞬態熱分析方法
5.3.3 ANSYS12.0瞬態熱分析案例—鋼球淬火
5.3.3.1 問題描述
5.3.3.2 問題分析
5.3.3.3 數值模擬過程
5.3.4 ANSYS12.0瞬態熱分析案例—電路板瞬態傳熱問題
5.3.4.1 問題描述
5.3.4.2 數值模擬過程
6.1 多物理場耦合分析概述
6.2 ANSYS12.0多物理場耦合分析方法
6.3 ANSYS12.0結構-熱耦合分析案例—輻射桿件熱應力問題
6.3.1 問題描述
6.3.2 問題分析
6.3.3 數值模擬過程
6.4 ANSYS12.0熱-電耦合分析
6.4.1 ANSYS12.0熱-電耦合分析概述
6.4.2 ANSYS12.0熱-電耦合分析方法
6.4.3 ANSYS12.0熱-電耦合分析案例—導線傳熱
6.4.3.1 問題描述
6.4.3.2 問題分析
6.4.3.3 數值模擬過程
6.4.4 ANSYS12.0熱-電耦合分析案例—熱電制冷
6.4.4.1 問題描述
6.4.4.2 問題分析
6.4.4.3 數值模擬過程
6.4.5 ANSYS12.0熱-電耦合分析案例—熱電發生器
6.4.5.1 問題描述
6.4.5.2 問題分析
6.4.5.3 數值模擬過程
第1章 緒 論
1.1 ANSYS 軟件概述
計算機輔助工程技術CAE，即Computer Aided Engineering，已經得到越來越廣泛的使用，CAE的技術種類有很多，其中包括有限元法FEM，即Finite Element Method，邊界元法BEM，即Boundary Element Method，有限差分法FDM，即Finite Difference Element Method等。每一種方法各有其應用的領域，而其中有限元法應用的領域越來越廣，現已應用于結構靜力學、結構動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等。
ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS軟件由美國ANSYS開發，提供CATIA，UG，PRO/E等主流CAD軟件的數據接口。作為現代產品設計中的高級CAE工具，ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業技術協會認證的標準分析軟件。在國內第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院十七個部委推廣使用。
ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業領域： 航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械等。ANSYS軟件是開放、靈活的數值模擬軟件，其為產品設計的每一階段提供解決方案，包括通用多物理場數值模擬,行業分析，模型建造，設計分析，多目標優化，客戶化結構分析解決方案，ANSYS軟件成為從事工程研究與分析的廣大企事業單位，研究院所廣泛使用的計算分析工具。
1.2 ANSYS12.0 新功能介紹
2009年6月，ANSYS12.0在中國正式推出，作為一個大型的CAE分析軟件，ANSYS自上個世紀七十年代誕生以來，隨著計算機和有限元理論的發展，在各個領域得到了高度的評價和廣泛的應用。伴隨著版本的更新，分析能力和各項操作功能都得到了更好的完善和發展。ANSYS12.0不僅在計算速度上進行了改進，同時增強了軟件的幾何處理、網格劃分和后處理等能力。另外，它還將創新的、耳目一新的數值模擬技術引入各主要物理學科。這些改進代表了數值模擬驅動產品的發展道路又向前邁出了一步。（注：本章節的內容源自ANSYS官網）
? ANSYS12.0 Workbench
ANSYS12.0 Workbench作為一個框架，整合現有的應用，將數值模擬過程結合在一起，在工程頁引入了工程流程圖的概念，見圖1-1。通過該項功能，一個復雜的包含多場分析的物理問題，通過系統間的連接實現相關性。圖表元素右邊的狀態符號顯示了該項設置是否需要更新、輸入等，方便使用者查看設置狀態。
圖1-1 ANSYS12.0 Workbench 工程頁
圖1-2 ANSYS12.0 Workbench 核心應用程序界面
此外，ANSYS12.0 Workbench 平臺還可以作為一個應用開發框架，提供項目全腳本、報告、用戶界面（UI）工具包和標準的數據接口，該功能將隨后發布。在ANSYS12.0 版本中，工程數據和DesignExploration將不再是獨立的應用程序，通過工具箱它們被重新設計整合在ANSYS12.0 Workbench工程頁下。盡管工程頁做了較大調整，但Workbench的核心應用程序及操作界面并無大的改變，見圖1-2。在這個創新的框架下，工程師可以完成一個完整的數值模擬，包括CAD集成、幾何修改和網格劃分。工程頁的概念流程圖幫助指導使用者完成復雜的分析，說明和明確數據關系，捕捉自動化的過程。
幾何&網格劃分
ANSYS12.0在其深厚的知識和經驗的基礎上，融合了豐富的幾何和網格劃分技術，整合后的幾何和網格劃分解決方案，在不同的分析應用中可以共享幾何和網格信息，對幾何接口進行了增強，通過幾何接口使用者可以從CAD系統中輸入更多的信息，包括新的數據類型如：用于模擬梁的線體；附加屬性如顏色、坐標系及在CAD系統中改進的命名選擇等。前處理大模型時，支持64位操作系統，可以對幾何進行智能有選擇更新。
另外，ANSYS12.0 Workbench 增強了創建幾何的功能，提供了更多的自動化功能和更強的適應性，增加了合并、連接和映射等功能用于曲面建模。新增工具可以自動探測處理常見問題，如小邊、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面。新版本對幾何模型的修改和處理速度更快。圖1-3顯示了清除前后的飛機模型。
圖1-3 采用幾何清除工具前后的飛機模型
自動網格劃分解決方案在流體動力學中取得了很好的結果。應用GAMBIT和TGrid的網格附加功能，可以在最少輸入情況下，自動生成合適的進行計算流體動力學分析的四面體網格。另外，它融合了高級尺寸函數（與GAMBIT相似）、棱柱及四面體網格（來自TGRID）及其他網格劃分技術，改進了網格平滑度、網格質量、劃分速度、曲率近似功能捕捉、邊界分層捕捉等功能。盡管許多功能是出于流體動力學的應用而改進的，但是它們仍然可以用于其他數值模擬分析應用。如結構分析的用戶可以應用這些功能，得到自動化和高質量的網格。新增多區域網格劃分方法使用戶在不進行幾何分割的情況下，可以對復雜的幾何模型劃分純六面體網格，圖1-4為對制動器轉子執行一次操作所得到的六面體網格。
圖1-4 制動器轉子六面體網格
多物理場
新版本擴展了多場求解功能。新增功能及增強功能可以處理直接耦合和順序耦合的多物理場問題，ANSYS12.0 Workbench下的多場數值模擬速度比以前更快。ANSYS12.0將求解器技術整合在一個統一的數值模擬環境中，為多場求解提供了更有效的工作流程。擴展分布式稀疏求解器功能，支持共享和分布式計算環境下的非對稱和復雜矩陣。這種新的求解技術極
大的縮短了某些直接耦合解決方案的執行時間，如：包含Peltier和Seebeck效應的耦合場分析，及熱電耦合分析等。此外，可以應用直接耦合單元模擬多孔介質的滲流。
ANSYS12.0 Workbench框架支持直接耦合場分析，相關的直接耦合場單元（SOLID226和SOLID227）支持熱電耦合。此外，還有一個熱電耦合分析系統支持溫度相關材料的焦耳傳熱分析和高級熱電效應，如Peltier和Seebeck效應。該新技術的應用領域包括集成電路、電子軌道、排線和熱電制冷裝置的焦耳熱分析。
圖1-5 Workbench熱電分析（WEG電子裝備授權）
流固耦合功能中提出了一種新的Immersed Solid FSI算法。這是一種基于網格重疊的技術，流體和固體區域各自擁有一套網格，該算法可以幫助工程師模擬流場中運動剛體與流體之間的相互作用。
ANSYS12.0流固耦合的另外一個新功能就是可以通過求解非線性雷諾壓膜方程來解決FSI涉及到薄液膜的非線性瞬態應用。12.0版本提供了另外一個FSI功能：該功能采用ANSYS12.0 FLUENT 軟件作為CFD求解器來進行單向流固耦合計算，基于ANSYS12.0 CFX-Post，可以使表面溫度和表面力在ANSYS12.0 FLUENT 和ANSYS12.0 Mechanical 產品之間進行單向載荷傳遞。
結構力學
12.0版本在結構應用中的驅動工程設計過程功能得到了很大的改進。許多新增功能及工具整合到ANSYS12.0 Workbench平臺中，以縮短整體求解時間。另外，在單元、材料、接觸、求解性能、線性動力學、剛體動力學及柔體動力學上也集中進行了改進。
圖1-6 渦輪機葉片裂紋分析（經PADT許可）
ANSYS12.0中最引人注目的新單元是用于超彈性或成型應用中模擬復雜幾何的4節點四面體單元。它縮短了從幾何到求解的分析時間，同時保證了求解的精確度。材料方面，在原有眾多選擇的基礎上引入了幾個新材料，如Gurson 材料，可用于模擬聚合體及聚合體復合材料等。
裝配體分析在數值模擬中越來越重要，ANSYS12.0增強了高級接觸屬性，開發了包含許多附加接觸模擬特征，包括新增接觸算法、自動去除過約束、接觸對修整等功能，在求解接觸問題時得到了極大的改進，縮短了求解時間，加快了求解速度。
ANSYS12.0改善了求解器性能，新增一個新的模態求解器，稱為SNODE，用于求解大模型（超過100萬自由度）的大數量振型（幾百階振型）。并行求解器DANSYS的功能也進行了改進，支持低頻電磁分析、高頻電磁分析、PSTRESS、PSOLVE及循環對稱分析，可以有效的解決電磁問題、轉子動力學問題及循環對稱和應力強化問題，節約求解時間，圖7為所用并行數目對求解時間的影響。
圖1-7 DANSYS12.0 求解效率對此
ANSYS12.0 Structural、Mechanical及Multiphysics在剛體動力學及柔體動力學功能上做了改進，可以快速處理機構問題。另外，對數據及過程的眾多改進增加了ANSYS剛體動力學數值模擬的易用性。
流體動力學
ANSYS12.0將流體產品完全整合進入ANSYS12.0 Workbench環境，以在該環境下進行數值模擬工作流程的管理。用戶可以采用ANSYS12.0 CFX或ANSYS12.0 Fluent軟件來創建、連接、重復使用系統來完成自動參數化分析，然后進行多物理場無縫管理數值模擬。
圖1-8 內燃機腔內流體數值模擬結果
ANSYS一直堅持不懈的致力于改進求解器速度，以使所有用戶從中受益。囊括工業應用的一系列案例顯示，ANSYS12.0 CFX和ANSYS12.0 Fluent求解器速度已經提高了百分之十到
百分之二十，甚至更多。ANSYS12.0 Fluent通過顯式松弛增加了密度基隱式求解器的穩健性，采用遞推映射方法選項來提高穩定性（耦合壓力基求解器），極大的增強了求解器性能。另外，程序的易用性在很多方面得到了提高。ANSYS12.0 Fluent采用單視框用戶圖形界面，以便和Workbench中的其他分析應用保持一致，同時改進了TUI日志的魯棒性，擴展了Case Check的推薦功能，在用戶界面發展史上又前進了一步。ANSYS12.0 CFX軟件界面風格上的主要改進在于增加了圖形用戶界面（GUI）。ANSYS12.0的一個新功能允許用戶定制界面外觀，包括創建附加輸入面板。定制面板通過GUI布局和必要的輸入進行控制，將常用操作及基本過程封裝一起。
數值模擬過程及數據管理
在今天全球化環境中，數值模擬和設計不斷整合，使有效的合作和交流成為產品開發必不可少的一部分。ANSYS12.0工程知識管理（EKM）解決方案旨在解決數值模擬和CAE界的數值模擬過程和數據管理（SPDM）難題。ANSYS12.0 EKM內容包括如何更好的管理、共享、重復使用數值模擬數據以及如何更好的捕捉和重復使用數值模擬結果等工程專業技術。ANSYS12.0 EKM共有三個版本：ANSYS12.0 EKM Desktop、ANSYS12.0 EKM Workgroup和ANSYS12.0 EKM Enterprise。這三個版本分別面向個人用戶、工作組及企業級用戶。ANSYS12.0 EKM Desktop是ANSYS12.0 EKM產品中單用戶、局部環境版本，作為ANSYS12.0的一部分，已經集成于ANSYS12.0 Workbench環境，通過提供數據搜索、修補和報告特性，解決已有數值模擬任務的重復使用，滿足單個用戶的數據管理需求，提高生產力和效率。
應用
ANSYS12.0 Emag—由于Ansoft和ANSYS開發團隊的組合，ANSYS12.0將Ansoft電子設計分析產品融入ANSYS12.0框架，ANSYS12.0使用者將很快在ANSYS12.0中從改進和擴展的Electromagnetic功能中獲益。ANSYS12.0中的Emag軟件包含了一個新的用于低頻電磁數值模擬3D實體單元家族（SOLID236和SOLID237），可用于模擬靜磁、時諧分析和瞬態電磁場分析。用戶可以在大多數的低頻電磁應用中采用這些新單元，如電機、螺線管等電磁設備。
圖1-9 SOLID236和SOLID237和新的絞線選項求解的非線性瞬態分析
顯式動力學
ANSYS12.0在顯式動力學領域傾注了大量的精力，包括附加新產品，使該技術對于無使用經驗者也易于使用。另外，增強ANSYS12.0 LS-DYNA和ANSYS12.0 AUTODYN 產品功能，為用戶提供更大的便利。新增ANSYS12.0 Explicit STR軟件，它基于ANSYS12.0 AUTODYN產品的拉氏算子部分，是ANSYS12.0 Workbench 界面第一個本地顯式軟件。 該技術可用于滿足固體、流體、氣體及它們之間相互作用的非線性動力學數值模擬，對已有Workbench環境使用經驗的使用者，該軟件有更好的適用性。
圖1-10 ANSYS12.0Explicit STR應用實例
ANSYS12.012.0的新增功能和增強功能還有很多，本文未作一一闡述。
P1-P11
詳細原文，詳細附件：ANSYS_12.0_Workbench-熱分析教程.pdf
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