前言

目前，有限元方法（FEM）已成为预测及模拟复杂工程系统物理行为的主流趋势。商业化的有限元分析(FEA）程序已经获得了广泛认同，因此，无论是在校本科生、研究生，还是科研工作者、工程设计人员都需要了解FEM的理论，而且需要学会使用有限元分析应用程序。

ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和系统等分析于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油和化工等众多行业。目前，ANSYS提供了完整的软件套件，涵盖了整个物理领域，对于一个设计过程而言，所需要的几乎任何工程模拟领域都可用ANSYS系列软件实现。ANSYS作为现代产品设计中的高级CAE工具，其优越的工程可伸缩性、综合的多物理基础和自适应体系结构，通过模拟驱动的产品开发，为工程设计过程增加价值，提高效率，推动创新，并减少物理约束，使模拟测试成为可能，从而大大增强了工程模拟深度和广度。

ANSYS产品中的Workbench，以项目流程图的方式，将结构、流体和电磁等各种分析系统集成到统一平台中，进而实现不同软件之间的无缝链接。ANSYS 18.2 Workbench操作便捷，处理复杂的工程模型更为方便，软件的分析功能和各项操作也有了更好的提升和发展。

读者对象

本书的目的是为初学者提供机械工程中CAE涉及的有限元方法的基础理论及实践知识。基于ANSYS 18.2 Workbench软件平台，初学者将学会使用商业化的有限元分析软件解决工程问题。本书具体着眼于ANSYS软件在实际工程中的应用，结合有限元分析方法和具体的软件操作过程，从工程仿真分析实例出发，详细介绍了ANSYS 18.2 Workbench有限元分析软件的功能和处理各种问题的使用技巧。

主要内容

第1章为初学者提供有限元方法的基础理论及实践知识，介绍了工程问题的数学物理方程及数值算法、相关的有限元基本方法及分析技术，以及如何使用有限元分析软件ANSYS 18.2 Workbench对简单的一维模型进行分析，并给出了结构、稳态热及稳态电流数值模拟案例加以分析和讨论。

第2章侧重ANSYS 18.2 Workbench基本功能及使用。ANSYS Workbench集成平台采用项目图解视图，通过简洁的拖放操作完成简单至复杂的多场耦合分析。通过第2章介绍其基本的使用原则及对多场耦合案例给出详细的数值模拟过程，帮助读者理解及掌握ANSYS Workbench平台的使用。

第3章侧重ANSYS Workbench中的结构分析基础部分。在实际工程中，结构承受静载荷和动载荷的影响，而最基本的是搞清楚静载作用下的结构响应。ANSYS Workbench结构分析基础部分，仅关注结构静力分析问题。本章详述了静力分析的相关概念及强度评估方法，并针对一个机车轮轴的工程案例，基于整体和局部不同的设计评估关注点，给出不同分析处理方式，并介绍了如何考虑将实际的工程问题转换为不同的分析模型的求解技术。

第4章侧重ANSYS Workbench结构网格划分的内容。网格是有限元数值模拟过程中不可分割的一部分，直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。本章主要描述ANSYS 18.2 Workbench结构整体及局部网格划分方法、过程及其相关选项，以及如何检查网格质量，利用虚拟拓扑工具辅助网格划分提高网格质量，并分别给出单个零件及装配模型的网格划分案例，描述详细的操作过程并对不同网格进行对比，帮助读者熟悉及掌握结构网格划分技术。

第5章侧重如何在ANSYS Workbench中建立合理的有限元分析模型。对分析设计而言，合理的有限元分析模型意味着如何将工程问题转化为正确的数理模型。建立合理分析模型往往需要经历一个复杂的过程。本章利用ANSYS软件提供的众多工具，先讨论了结构分析建模涉及的相关求解策略，包括结构如何理想化，怎么提取有效的分析模型，网格划分需要注意的问题，加载求解及结果评估中需要考虑的要点，以及应力集中的处理等。再基于ANSYS 18.2 Workbench平台，详述了结构分析模型的处理，包括软件分析中对体类型、多体零件、点质量、厚度和材料属性等的描述及处理。然后重点讨论如何正确建立结构分析的连接关系，涉及接触连接及设置、点焊连接、远端边界条件、关节连接、弹簧连接、梁连接、端点释放、轴承连接、坐标系、命名选择和选择信息，并给出相应的接触分析案例、远端边界使用案例、关节应用案例和螺栓连接模型的不同建模技术及案例。最后基于单元类型的变化，给出杆梁分析模型及案例、2D平面应力分析模型及案例，以及3D装配体接触分析模型及案例，每个案例分析均给出问题解读及详细数值模拟过程，期待读者能够理解并掌握解决问题的关键点及相关数值仿真技术。

第6章侧重在ANSYS Workbench中如何完成结构静强度分析。本章结合案例分析压力容器行业规范，对非标设计的开孔接管强度问题，采用分析设计法进行数值模拟及强度校核。

第7章侧重在ANSYS Workbench中如何完成结构疲劳强度分析。本章主要介绍疲劳分析设计方法，以及利用Ansys 18.2 Workbench的疲劳工具进行比例/非比例、恒定幅值/非恒定幅值载荷作用下的高周疲劳分析，并给出不同加载状态下的疲劳分析案例及详细的数值模拟过程。

第8章侧重在ANSYS Workbench中如何完成结构热变形及热应力分析。温度变化会以多种方式影响结构性能。本章结合环境温度和温差分布产生结构热变形引发的热应力问题，给出不同分析案例和详细数值模拟过程。

为了方便读者理解并建立正确的有限元模型，书中提供了许多概念理解型案例，这些案例包含理论分析和有限元数值模拟的对比结果，同时书中也解析了常见的工程案例。书中内容主要涉及结构线性、非线性静力分析，也包含部分热分析、电场分析及热-结构耦合场分析。本书提供的每个分析案例包括工程问题的简化，分析模型的建立，施加边界条件及求解，以及结果讨论及评估，其评定期待接近于工程实际。

本书配套提供了每个章节的分析案例所需的几何文件及ANSYS 18.2 Workbench分析完成的压缩文件(*.wbpz)，均放置在对应章节目录下。几何文件用于模型导入，源文件可用【Restore Archive】还原打开，以便查看相关的结果（文档还原操作可参见章节2.6.3）。

资源下载及技术支持

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由于本书内容涉及面广，书中不足之处在所难免，希望广大读者批评指正，也欢迎提出改进性建议。

致谢与分工

本书由上海大学机电学院安全断裂分析研究室（ANSYS软件华东区技术支持中心）的许京荆老师编著。在写作过程中得到了吴益敏教授、王秀梅副研究员、王秀荣、刘威威、王正涛、陈雨、赵辉、袁坤、马玉屏、魏望望、戚严文、朱远、李盛鹏、刘云飞、叶天杨、陈梦炯、韦祎、白彦伟及笔者家人的支持与协助，在此深表谢意。

许京荆

2018年4月