先進的集成化仿真平臺

以ANSYS Workbench集成仿真平臺為基礎，廣泛深入地講解了有關理論知識，注重對操作流程與技巧的介紹和實際使用經驗的講解，將理論知識與實踐操作融為一體。

源于產品設計前線工程師的工程案例

案例源于真實產品設計實踐，講解分析流程與方法，并配以有關設計規范要求，滿足讀者對實際產品分析設計方法和思路的需求。

知識面涵蓋全面

全書貫穿靜力學分析、熱分析、模態分析、線性屈曲分析、非線性屈曲分析、隨機振動分析、響應譜分析、設計優化分析、熱－結構耦合分析等，并配以周期擴展、子模型、網格無關解、螺紋接觸等專項案例。

可操作性強

Step by Step的完全自學教程，操作流程統一在圖形上標注，方便理解操作過程和內涵。附贈1張求解設置文件的DVD光盤，以盡量提高讀者的學習效率。

自ANSYS 7.0開始，ANSYS公司推出了Workbench平臺。該平臺是用ANSYS求解實際問題的新一代仿真平臺，它給ANSYS的求解提供了強大的功能和更好的用戶界面。ANSYS Workbench整合了世界所有主流研發技術及數據，保持多學科技術核心多樣化的同時建立統一的研發環境。

北京時間2013年12月4日，ANSYS（NASDAQ: ANSS）宣布推出其業界領先的工程仿真解決方案—ANSYS 15.0，其獨特的新功能為指導和優化產品設計帶來了最優的方法。

ANSYS 15.0在結構領域有重要的進展，創新性地開發了全新的求解器，使計算性能大大提高，如子空間特征值求解器，可以加速計算結構分析中的特征模態和特征頻率至2.5倍；用戶只要指定螺紋屬性和圓柱面，就能用接觸來進行螺紋建模。不需要復雜的幾何模型，可以將多個有限元模型裝配在一起，同時保留各個模型的設置細節。

ANSYS一直致力于提供業界領先的前處理功能，它可以自動地完成前處理方面的工作，同時針對一些特別的應用也保留了手動靈活控制前處理的功能。這些都得益于ANSYS完善的網格生成技術，這些技術確保用戶可以從容地完成各種復雜工程應用的前處理。

ANSYS 15.0在前處理自動化和穩健性方面做了很多改進，能幫助客戶高效地執行仿真計算，遵循最佳實踐，從而大幅提升工程設計決策的速度。ANSYS 15.0提供的增強功能為分部件網格并行生成引擎，可大幅縮短大型裝配體的網格生成時間，最佳可到原網格劃分時間的二十七分之一。即使存在多個體或者是多個幾何掃略方向的復雜情況，ANSYS 15.0也能自動創建此類網格。

本書前3章以最簡單的形式介紹靜力學分析、模態分析、熱分析模塊的基本操作過程，讓讀者在第一時間了解常用模塊的操作流程。

第1章 電梯框架靜力學分析案例：介紹對商用電梯模型加載自重荷載，分析其靜態變形的案例。由于是第一個案例，在分析前介紹了一些軟件初始設置的技巧。

第2章 CPU散熱器熱分析案例：對一個CPU散熱器模型加載熱流荷載及對流膜傳熱系數邊界條件后求解其溫度分布的案例。

第3章 框架模態分析案例：分析一個金屬框架的陣型和模態頻率，其中插入了宏命令的使用技巧和一些后處理技巧。

掌握有限元技術的過程是孤獨而痛苦的，需要有外部助力，可以借助象棋中的路數：“仙人指路”。

第4～8章，在簡單介紹上述3個案例的基本操作后系統介紹基礎理論知識。

接著以真實產品工程案例為背景詳細介紹Mechanical模塊的各主要功能和在產品設計過程中遇到的各種問題和解決方案，在每個案例中穿插多個軟件使用技巧與筆者的實踐經驗。

第9章 冷卻塔設計優化案例：通過靜力分析模塊和模態分析模塊對核電廠用冷卻塔框架模型進行靜力分析和預應力模態分析計算，以獲得結構在承受龍卷風極端工況下的響應，通過對結果的評判發現了冷卻塔結構的薄弱點，并進行有針對性的結構加強和進一步數值分析驗證，實現了用最小的結構增重代價獲得明顯的加強效果；介紹靜水壓力載荷的施加方法、使用探針功能提取支座反力的功能和根據數值模擬結果改進結構的思路等技巧。

第10章 空調響應譜分析案例：以某出口空調的框架模型為例進行響應譜分析，以簡單計算結構的抗震性能；介紹適合觀察模型內部情況的切片功能、選擇被遮擋位置表面、選擇過濾器的使用和方便實現數值模擬標準化、流水線化分析的創建分析模板的方法等技巧。

第11章 核電空調隨機振動分析案例：對某核電站用空調的框架模型加載中國軍用環境實驗標準中振動試驗標準所規定的功率譜密度來演示ANSYS Workbench 15.0機械設計模塊中隨機振動分析模塊的基本操作過程；介紹導入模型的另一種方法、抑制部分不需要參與計算的零件的方法和提取單個零件變形值的方法、壓縮項目文件以利于數據傳遞等技巧。

第12章 風機橋架諧響應分析案例：以某大型軸流風機橋架為模型介紹諧響應分析的操作；介紹插入質量點的設置和與Solidworks軟件配合計算質量點慣性矩的技巧，并插入使用弱彈簧和模態分析功能檢查模型尺寸與連接正確性的方法。

第13章 網格無關解案例：有限元結果一般是存在離散誤差的，本案例以一個L形模型進行簡單靜力學分析，介紹通過5種細化網格和一種定義結果收斂值來獲得應力的網格無關解的方法；介紹人體大腦的基本情況和如何讓大腦更高效地工作的有關知識。

第14章 發動機葉片周期擴展分析案例：以英國勞斯萊斯公司斯貝航空發動機1級壓氣機葉片模型為例進行靜態力學分析，以簡單介紹ANSYS Workbench 15.0靜力學分析模塊的操作和使用；介紹對旋轉對稱部件進行簡化分析時使用圓周期擴展功能的操作方法和兩種生成高分辨率截圖的技巧。

第15章 性能試驗臺子模型技術案例：以一個在建的風洞試驗臺模型的局部為例介紹子模型功能的操作并對比了完整模型和子模型的計算時間和求解結果。

第16章 設計助手案例：介紹使用設計助手功能進行多工況結果疊加的操作技巧和DM模塊生成點焊接觸、添加隨公式函數變化載荷的技巧。

第17章 等強度梁優化設計分析案例：使用Solidworks軟件建立三維“等強度”梁模型，直接導入靜力學分析模塊和優化設計模塊，對模型進行參數化優化設計，以獲取在承受規定載荷作用下實現最小結構重量及最小變形量的尺寸方案；介紹網格質量評定的方法和為了獲取高質量網格而切分模型的幾個基本思路。

第18章 等強度梁形狀優化分析案例：以等強度梁模型為例介紹Workbench 15.0平臺中形狀優化模塊的使用方法；介紹在Solidworks軟件中對模型進行分割操作的具體做法、加載傾斜方向載荷的方法和切片功能的使用等技巧。

第19章 壓力容器靜力學分析案例：介紹壓力行業專有的理論基礎知識并結合某壓力容器產品模型介紹靜力學分析下應力線性化評定的過程；介紹兩種提取模型任意斷面結果平均值的技巧和設置材料物理屬性的方法及切片功能的使用。

第20章 壓力容器彈塑性分析案例：介紹基于ASME VIII-2《壓力容器建造另一種規則》中用于防止局部失效分析時采用的“真實”應力－應變關系彈塑性材料非線性直接法的一種簡化應用；介紹施加單值函數正弦規律變化的位移載荷等技巧。

第21章 鋼結構立柱線性屈曲分析案例：對某系列產品的鋼結構立柱模型進行線性屈曲分析，以計算受壓時的穩定性，確定屈曲系數；介紹輸出結果動畫的功能、提取單一零件結果的技巧和對模型進行壓縮和隱藏的技巧等。

第22章 排氣管道非線性屈曲分析案例：采用電廠某輔機中設備蒸汽分配管的簡化模型進行基于微小擾動的非線性屈曲分析，以計算在外壓作用下該結構承載力的極限值；介紹利用FE模塊與更新結果命令提取模型變形前后重心值的技巧和利用FE模塊查看網格質量統計圖的技巧等。

第23章 螺紋接觸分析案例：介紹ANSYS Workbench 15.0中采用簡化的螺紋接觸方法分析帶螺紋部件的新功能；介紹設置環境光線效果、15.0版中的部分新功能、3種常見錯誤的解決方法、對模型等比例放大、解決求解結束后CPU占用率仍然過高的問題、查找某零件包含的接觸等。

第24章 熱－結構耦合分析案例：以文字模型為例建立三維模型，進行熱-結構耦合分析，以簡單介紹ANSYS Workbench 15.0的耦合分析功能。

隨著用戶基礎理論知識與軟件操作經驗的不斷積累和分析規模與分析內容的不斷擴大與深入，現有的硬件平臺也許不再能夠滿足要求，從而需要升級硬件或購買全新計算機。正所謂：“工欲善其事，必先利其器”。為了幫助用戶更好地將軟件對性能的需求與硬件條件對接，專門編寫了高性能計算機硬件選擇方法這部分內容（第25～31章）。

掌握任何一項高級技能的過程都是孤獨、艱辛而痛苦的。希望讀者放平心態、回歸基本、堅定信念、不懼艱險、刻苦學習、不斷練習、不怕失敗，以在無數次失敗的量變中實現成功的質變，最終達到“資之深，則取之左右逢其源”。

本書主要由哈爾濱空調股份有限公司的劉笑天編寫，另外參加部分編寫工作的還有孫淑明、劉珂、孫喜新、高德元、王德才、常晧封、王燕、孟慶國和章啟勝等。感謝哈爾濱空調股份有限公司前空調設計部部長劉曉（高級工程師）、中國機械工程學會機械工業自動化分會培訓中心曹宏博副主任（博士）、長春裝甲兵技術學院張洪才（教授）給予的指導和支持，感謝中國仿真互動網（www.simwe.com）和廣大網友。

由于作者水平有限，書中疏漏甚至錯誤之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正，郵箱：371968291@qq.com。

作 者

2015年2月

第1章 電梯框架靜力學分析案例 1
1.1 案例介紹 1
1.2 分析流程 1
第2章 CPU散熱器熱分析案例 21
2.1 案例介紹 21
2.2 分析流程 21
第3章 框架模態分析案例 37
3.1 案例介紹 37
3.2 分析流程 37
第4章 有限元單元法概述 50
4.1 常用數值解法 50
4.2 有限元法的起源和發展 51
4.3 有限元法的用途 51
4.4 有限元法的優勢 53
4.5 數值分析的發展與用途 54
4.6 有限元分析的實現 55
4.6.1 分析模型的組成 56
4.6.2 單元及其特征 58
4.6.3 剛度矩陣的性質 60
4.6.4 邊界條件的處理與支座反力的計算 61
4.6.5 單元節點編號與存儲帶寬 61
4.6.6 誤差處理及控制 62
4.6.7 線彈性力學的變分原理 72
4.7 有限元程序的結構及特點 75
4.7.1 自動與半自動網格生成方法的
綜合分類 77
4.7.2 網格自適應細分與后驗誤差估計 78
第5章 材料力學理論基礎 80
5.1 概述 80
5.2 變形體 80
5.3 彈性力學的基本假設 80
5.4 金屬材料的力學性能 81
5.4.1 彈性模量的概念與性質 82
5.4.2 彈性比功 82
5.4.3 彈性的不完整性 83
5.4.4 彈性滯后和循環韌性 84
5.4.5 塑性變形 84
5.5 強度理論 91
第6章 傳熱學、流體力學及熱應力計算
理論基礎 93
6.1 對流傳熱 94
6.2 導熱傳熱 95
6.3 輻射傳熱 96
6.4 傳熱問題的有限元分析式 96
6.4.1 熱應力的計算 98
6.4.2 熱應力問題的有限元分析列式 98
第7章 動力學分析基礎知識 99
7.1 動力學問題的產生 99
7.2 振動的分類 100
7.2.1 特殊的“地面共振”現象 101
7.2.2 振動對人體的影響 102
7.3 結構特征值的提取 102
7.3.1 問題的產生 102
7.3.2 特征值求解器的比較 103
7.3.3 頻率輸出 104
7.4 模態疊加法 104
7.4.1 基本概念 104
7.4.2 適用范圍 105
7.5 阻尼 105
7.5.1 引言 105
7.5.2 定義阻尼 106
7.5.3 阻尼的選擇 106
7.6 穩態動力學分析 107
7.6.1 穩態動力學分析簡介 107
7.6.2 反應譜分析的基本理論與方法 108
7.6.3 隨機振動及其特性 117
7.7 瞬態動力學分析 119
7.7.1 瞬態動力學分析的預備工作 120
7.7.2 瞬態動力學分析的關鍵技術細節 120
7.8 屈曲分析 122
7.8.1 結構穩定性概述 122
7.8.2 物理現象 122
7.8.3 力學描述 124
7.8.4 失穩的分類 124
第8章 接觸問題 126
8.1 接觸行為 126
8.2 接觸算法 127
8.2.1 增廣拉格朗日法 129
8.2.2 純罰函數法 129
8.2.3 多點約束法 129
8.2.4 純拉格朗日法 130
8.3 迭代計算的收斂性控制 130
8.4 接觸摩擦 132
8.5 接觸剛度 132
8.6 接觸容差 134
8.7 Pinball區域 135
8.8 其他常用的接觸方式及設置 137
8.8.1 剛－柔接觸 137
8.8.2 螺栓預緊連接 137
8.8.3 點焊結構分析 138
8.8.4 接觸裁剪功能 139
8.8.5 對稱與非對稱接觸 139
8.8.6 接觸分析中可插入的命令 140
8.9 接觸時間步控制 140
8.10 接觸熱分析 141
8.11 接觸分析后處理 142
第9章 冷卻塔設計優化案例 144
9.1 案例介紹 144
9.2 分析流程 144
第10章 空調響應譜分析案例 160
10.1 案例介紹 160
10.2 分析流程 160
第11章 核電空調隨機振動分析案例 175
11.1 案例介紹 175
11.2 分析流程 175
第12章 風機橋架諧響應分析案例 189
12.1 案例介紹 189
12.2 分析流程 189
第13章 網格無關解案例 203
13.1 案例介紹 203
13.2 分析流程 203
第14章 發動機葉片周期擴展分析案例 217
14.1 案例介紹 217
14.2 分析流程 217
第15章 性能試驗臺子模型技術案例 234
15.1 案例介紹 234
15.2 分析流程 234
第16章 設計助手案例 247
16.1 案例介紹 247
16.2 分析流程 247
第17章 等強度梁優化設計分析案例 263
17.1 案例介紹 263
17.2 分析流程 263
第18章 等強度梁形狀優化分析案例 284
18.1 案例介紹 284
18.2 分析流程 284
第19章 壓力容器靜力學分析案例 294
19.1 案例介紹 294
19.2 分析流程 294
第20章 壓力容器彈塑性分析案例 317
20.1 案例介紹 317
20.2 分析流程 317
第21章 鋼結構立柱線性屈曲分析案例 333
21.1 案例介紹 333
21.2 分析流程 333
第22章 排氣管道非線性屈曲分析案例 345
22.1 案例介紹 345
22.2 分析流程 345
第23章 螺紋接觸分析案例 361
23.1 案例介紹 361
23.2 分析流程 361
第24章 熱—結構耦合分析案例 375
24.1 案例介紹 375
24.2 分析流程 375
第25章 內存 392
25.1 內存容量 392
25.2 運行頻率與通道數 393
25.3 ECC功能 394
25.3.1 ECC糾錯算法 395
25.3.2 ECC內存認識誤區 395
25.4 品牌 396
第26章 硬盤 397
26.1 固態硬盤簡介 397
26.2 固態硬盤的性能優點 398
26.3 墨菲法則 398
26.4 固態硬盤的缺點 399
26.5 新固態硬盤的基本設置 400
26.6 固態硬盤讀寫性能高的原因 401
26.7 影響固態硬盤性能的主要方面 402
第27章 處理器 404
27.1 摩爾定律 405
27.2 CPU散熱器的選擇 406
27.3 CPU的制造 407
27.4 14款處理器的性能測試成績 409
27.5 CPU品牌選擇 411
27.5.1 浮點運算能力 411
27.5.2 內存性能 411
27.6 許可證對核心數量的限制 415
27.7 超線程技術 417
27.8 XEON處理器的命名體系和產品線 419
第28章 主板 421
28.1 單路主板 422
28.2 雙路主板 424
28.3 四路主板 424
第29章 GPU及XEON Phi 426
29.1 GPU通用計算 427
29.2 多核計算的發展 428
29.3 CPU多核并行 428
29.4 CPU+GPU異構并行 429
29.5 GPU渲染流水線 429
29.6 Nvidia GPU簡介 430
29.7 CUDA開發 430
29.8 圖形顯卡概覽 431
29.9 CUDA程序優化概述 432
第30章 筆者親自測試的數據 433
30.1 內存的專項測試數據 434
30.2 硬盤的專項測試數據 436
30.3 CPU的專項測試數據 439
30.4 三款計算機Solidworks性能專項
測試數據 440
第31章 HP公司Z820工作站的測試結果 443
附錄 金屬材料線彈性物理屬性匯總表 445
參考文獻 471

1. 輸水管線工程風險管理 [張勇 黨亥生 著]
2. 民用航空飛機標準線路施工 [主編　王志敏　陳明]
3. 不息的水脈—大運河講談錄 [趙珩　著]
4. 實用運籌學 [主編　邢育紅　于晉臣]
5. 三峽梯級電站水資源決策支持系統研究與開發 [姚華明 潘紅忠 湯正]
6. 海南黎族民俗文化鑒賞 [龐國華　著]
7. 石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用 [李艷秀 莊華偉 著]
8. 電子技術（第二版） [主編 覃愛娜 李飛]
9. 辦公自動化高級應用 [陳萍 朱曉玉]
10. 信息處理技術員考試32小時通關 [薛大龍]
11. 電子產品設計案例教程（微課版）—基于嘉立創EDA（專業版） [王靜 莫志宏 陳學昌 丁紅]
12. C程序設計實踐教程 [劉衛國]
13. C程序設計（慕課版） [劉衛國]
14. Web技術開發教程（基于.NET開源MVC框架） [王合闖 韓紅玲 王青正 陳海蕊]
15. 商務英語翻譯教程（筆譯）（第四版） [主編 王軍平]
16. 智慧零售技術與應用 [洪旭 著]
17. 建設工程法規實務 [主編 余瀅]
18. 商務秘書理論與實務（第三版） [主編 張同欽]
19. 程序設計基礎實踐教程（C/C++語言版） [張桂芬 葛麗娜]
20. C++案例項目精講 [主編 楊國興]
21. 勞動爭議處理實務 [主編 王秀卿 羅靜]
22. 工程數學 [主編 郭立娟 王海]
23. 語音識別理論與實踐 [主編　莫宏偉]
24. 信息系統項目管理師章節習題與考點特訓（第二版） [主編 薛大龍]
25. 武術基礎教程 [主編 李代勇 謝志民]
26. 計算機網絡實訓教程 [主編 張浩軍 趙玉娟]
27. 畫法幾何與機械制圖習題集（多學時） [主編 趙軍]
28. HCIA-Datacom認證題庫分類精講 [主 編 韓立剛]
29. SwiftUI完全開發 [李智威 著]
30. 網絡規劃設計師備考一本通 [夏杰 編著]