【ANSYS Workbench基础入门】：新手必学的后处理技巧快速指南


参考资源链接：[ANSYS Workbench后处理完全指南：查看与分析结果](https://wenku.csdn.net/doc/4uh7h216hv?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ANSYS Workbench平台概述

## 1.1 什么是ANSYS Workbench
ANSYS Workbench是ANSYS公司推出的一款集成了CAD模型导入、网格划分、有限元分析、结果处理与评估的综合性仿真平台。它通过流程图的方式将整个工程分析过程可视化，并允许用户高效地管理项目中的多个分析步骤。

## 1.2 Workbench的主要功能与优势
该平台的主要优势在于其用户友好的操作界面和模块化的工作流程，它简化了复杂的仿真任务，使得非专业分析人员也能快速上手。Workbench集成了包括静力学分析、动力学分析、流体动力学分析、热分析和电磁场分析等多种分析类型。

## 1.3 Workbench在企业中的应用
在企业中，ANSYS Workbench被广泛应用于产品设计初期的虚拟原型测试阶段，通过仿真分析来预测产品的实际表现，减少物理原型的制造次数，缩短产品开发周期，并有效降低成本。

# 2. ANSYS Workbench建模基础

## 2.1 界面布局与工作流程

### 2.1.1 界面功能分区和基本设置

ANSYS Workbench 是一款功能强大的有限元分析软件，其界面设计以直观和易用性为主，主要分为三大功能区域：项目管理区、主界面区和工具栏区。

- **项目管理区**位于左侧，以项目树的形式展示整个工程的各个模块和相关操作记录，方便用户从整体上把握整个分析流程。
- **主界面区**占据屏幕的主要部分，用于显示各种不同的分析模块和模块的具体内容。
- **工具栏区**提供了常用的快捷操作按钮，如保存、导入等。

在进行建模之前，通常需要进行一些基本的设置，包括单位系统、材料库、网格尺寸等。首先，在主界面区中选择单位系统，Workbench 提供了多种单位系统供用户选择，例如国际单位制SI和美国标准单位制US。

在材料库的设置中，用户可以利用预定义的材料库添加材料，也可以创建自定义材料。选择材料时，要根据实际需求选择接近的材料或者新建材料属性进行设置。

网格尺寸的设置是影响分析精度和求解时间的重要因素。在网格划分前，应根据模型的复杂程度和分析要求来确定合理的网格尺寸。对于关键区域，可以适当减小网格尺寸以提高精度，而对非关键区域，则可适当增大网格尺寸以缩短求解时间。

**基本设置代码示例：**

# 设置工程的单位系统为国际单位制SI
/units, system=s.i., length=mm, angle=deg

# 导入材料库中的材料
/material, name="Aluminum Alloy"

在这个代码块中，首先设置了工程的单位系统，然后导入了材料库中的"Aluminum Alloy"材料。

### 2.1.2 工作流程的规划与管理

工作流程的规划与管理在 Workbench 中通过项目系统来实现，系统可以链接各种分析模块形成完整的分析流程。每个模块都代表了分析的一个步骤，例如几何建模、网格划分、载荷添加、求解和结果后处理等。

规划工作流程时，首先需要定义清楚分析的各个阶段，比如确定先进行几何建模还是材料属性的定义，然后决定如何将不同模块串联起来，这通常通过拖放操作完成。

管理功能则允许用户查看每个模块的执行状态，检查错误或警告信息，以及调整模块的输入和输出设置。在某些复杂的工作流程中，合理的管理可以显著提高工作效率。

**工作流程管理示例：**

graph LR
A[开始] --> B[几何建模]
B --> C[材料属性定义]
C --> D[网格划分]
D --> E[边界条件设置]
E --> F[求解器运行]
F --> G[后处理分析]
G --> H[优化和验证]

此流程图表示了一个典型的ANSYS Workbench分析流程。首先，从几何建模开始，接着定义材料属性，然后进行网格划分、设置边界条件，运行求解器，之后进行后处理分析，并最终进行优化和验证。

## 2.2 几何建模技巧

### 2.2.1 从CAD导入模型的方法

在实际工程应用中，几何模型往往在专业的CAD软件中进行设计，之后导入到ANSYS Workbench中进行分析。ANSYS提供多种CAD接口，如SolidWorks、CATIA、ProE等。

导入模型的基本步骤如下：

1. 在Workbench中，选择"File" -> "Import" -> "CAD Geometry"。
2. 浏览并选择相应的CAD文件格式，如*.sldprt (SolidWorks), *.iges 或 *.step 等通用格式。
3. 点击"Open"将CAD模型导入。

导入时可能遇到CAD模型与Workbench环境不兼容的问题。此时需要检查CAD模型的拓扑结构，确保无重叠、未连接或错误的几何体。此外，模型简化也是必要的步骤，以避免过度复杂的模型导致网格划分困难或求解时间过长。

**CAD导入模型代码示例：**

# 使用APDL命令导入CAD模型
/prep7
et,1,brick8 # 定义元素类型
mp,ex,1,2e11 # 定义材料属性
cmsel,s,all # 选择所有CAD模型几何
vmesh,all # 对几何进行网格划分
/solu # 进入求解器设置

上述APDL命令中，首先预处理部分定义了元素类型和材料属性，然后通过命令选择所有CAD模型的几何并进行网格划分，最后进入求解器设置。

### 2.2.2 网格划分与简化原则

网格划分是有限元分析的关键步骤之一，网格的质量直接影响到分析结果的准确性。合理有效的网格划分能够提高计算效率，同时保证计算精度。

在进行网格划分时，需要考虑以下原则：

- **网格密度**：关键部位或应力集中区域的网格需要加密，而非关键区域则可以减少网格数量。
- **网格形状**：尽量避免使用扭曲严重的网格，如三角形网格，优先使用规则的四边形或六面体网格。
- **网格过渡**：在不同网格密度区域之间需要有渐变的过渡，避免尖锐的角度变化。

为了简化模型，可以使用如下技巧：

- **特征抑制**：忽略不影响分析结果的小特征，如小孔、凹槽等。
- **对称简化**：如果模型具有对称性，可以只分析模型的一部分来减少计算量。
- **组件合并**：将多个可以合并的小部件合并为一个部件，以减少分析的复杂性。

**网格划分示例：**

# APDL命令进行网格划分
esize, 0.5 # 设置网格尺寸为0.5单位
vmesh, all # 对选定的几何体进行网格划分

以上代码块中，`esize`命令用于设置网格的全局尺寸，`vmesh`命令用于对已选择的几何体进行网格划分操作。

### 2.2.3 模型修改和特征管理

在导入CAD模型后，常常需要对模型进行一些修改，以确保模型适用于有限元分析。这包括删除不必要的特征、填补模型中的孔洞、修复表面的缺陷等。

ANSYS Workbench提供了一系列的建模工具来帮助用户进行模型修改：

- **布尔操作**：可以使用布尔加法和减法等操作来合并或分割部件。
- **面/体编辑**：可以对模型的面进行移动、拉伸、旋转或缩放等操作。
- **特征识别和修改**：识别模型中的特征并进行相应的修改，比如简化复杂曲线。

特征管理是指在整个分析流程中对各个特征进行跟踪和管理，它允许用户快速访问和修改任何特定部分的模型属性。

**模型修改示例：**

# APDL命令进行模型修改
cm, comp1, component # 创建一个组件名为comp1
allsel, s # 选择所有实体
asba, comp1, 0.1 # 从comp1中减去小于此值的几何特征

在这个代码块中，首先创建了一个组件，然后选择了所有实体，并从该组件中减去了小于0.1单位尺寸的几何特征。

通过上述章节内容，您已经可以开始使用ANSYS Workbench进行基本的建模工作了。接下来的章节将继续深入介绍材料属性的定义、边界条件的设置等更多高级功能。在掌握这些知识后，您将能够开展更为复杂的工程分析。

# 3. 材料属性和边界条件

## 3.1 定义材料属性

### 3.1.1 材料库的使用和自定义材料

在进行有限元分析时，定义准确的材料属性至关重要。ANSYS Workbench提供了一个丰富的材料库，包含众多预设材料属性，便于用户选择和使用。材料库不仅覆盖了各种金属、塑料、橡胶等常用材料，还包括了一些特殊材料，如复合材料和生物材料等。

使用材料库非常简单，用户可以在工程数据模块中通过搜索功能找到所需材料，然后将其添加到当前项目中。对于需要特定材料属性的情况，用户也可以通过自定义材料功能进行设置。自定义材料时，需要输入材料的密度、弹性模量、泊松比等基本力学参数，同时也可以定义热膨胀系数、电导率等其他属性。

flowchart LR
    A[开始] --> B[打开工程数据模块]
    B --> C[搜索所需材料]
    C --> D[添加材料到项目]
    D --> E[是否需要自定义材料?]
    E -->|是| F[输入基本力学参数]
    E -->|否| G[结束]
    F --> G

### 3.1.2 材料参数的输入和验证

材料参数的输入应该根据实际材料特性进行。在输入材料参数时，确保参数的单位和分析中使用的单位系统一致。例如，如果分析使用的是国际单位制，则需要确保输入的弹性模量单位是Pa（帕斯卡），密度的单位是kg/m³。

验证材料属性是确保分析准确性的重要步骤。可以通过对比实验数据或查阅文献中提供的材料性能，来检查输入参数的合理性。此外，对于自定义材料，建议进行简单的测试模拟，比如单轴拉伸或压缩测试，以验证材料模型的响应是否符合预期。

flowchart LR
    A[开始定义材料参数] --> B[确保参数单位一致]
    B --> C[根据实际情况输入参数]
    C --> D[是否验证材料属性?]
    D -->|是| E[进行测试模拟]
    D -->|否| F[结束参数定义]
    E --> G[对比实验数据进行调整]
    G --> F

## 3.2 边界条件的设置

### 3.2.1 力学和热学边界条件应用

边界条件是定义在模型边界上的外部作用力，它包括力学和热学边界条件。力学边界条件通常涉及固定约束、载荷、压力等，而热学边界条件则包括温度、热流量、对流和辐射等。

在应用力学边界条件时，用户需要根据实际工程情况选择合适的约束类型，比如固定支撑、滑动支撑、或者弹性支撑等。载荷的应用需要考虑其大小、方向以及作用点或作用面的精确位置。在热学边界条件的设置中，需要明确温度分布、热源强度和热传递方式。

flowchart LR
    A[开始设置边界条件] --> B[选择边界条件类型]
    B --> C[力学边界条件]
    B --> D[热学边界条件]
    C --> E[应用约束和载荷]
    D --> F[定义温度和热流参数]
    E --> G[结束设置]
    F --> G

### 3.2.2 载荷和约束的创建与管理

创建和管理载荷及约束是ANSYS Workbench中的核心步骤之一。在建模过程中，载荷和约束的设置将直接影响分析结果的准确性。ANSYS Workbench提供了直观的界面，让用户可以方便地添加和编辑载荷、压力、力矩等，同时还能对边界条件进行分组和管理。

用户可以通过图形界面直接选择模型上的面、线或点来施加载荷和约束。还可以通过表格来详细设置每个条件的参数，如力的大小、方向、作用点等。此外，用户还可以利用布尔运算符来组合多个边界条件，实现更加复杂的约束模式。

flowchart LR
    A[开始创建载荷和约束] --> B[选择模型元素]
    B --> C[添加载荷或约束]
    C --> D[设置参数]
    D --> E[是否需要组合多个条件?]
    E -->|是| F[使用布尔运算符组合]
    E -->|否| G[结束设置]
    F --> G

在定义边界条件时，用户需要注意以下几点：
- 边界条件应真实反映实际工况，避免过载或欠载。
- 对于复杂的边界条件，可以利用ANSYS Workbench的参数化功能，方便后续修改和优化。
- 通过案例验证边界条件的正确性，确保分析结果的可靠性。
- 边界条件的管理需保持清晰，便于跟踪和修改。

通过上述步骤和注意事项，用户可以有效地在ANSYS Workbench中设置材料属性和边界条件，为后续的分析和优化打下坚实的基础。

# 4. ANSYS Workbench后处理技巧

## 4.1 结果可视化和评估

### 4.1.1 结果数据的快速查看和图表创建

在ANSYS Workbench中，后处理是分析中至关重要的一步，它允许工程师对模拟结果进行直观的评估和解释。在这一小节中，我们将深入了解如何在Workbench中快速查看结果数据，并创建图形化的图表，以便进行更精确的分析。

**结果数据的快速查看：** 用户可以通过内置的数据浏览器快速访问仿真结果，包括位移、应力、温度等各种物理量。只需选择相应的结果组件，ANSYS Workbench会即时更新视图中模型的表现，帮助用户快速定位感兴趣的区域。

**图表创建：** Workbench提供了强大的图表工具，可以将结果数据转换为各种类型的图表。对于初学者而言，可以使用默认图表模板，而对于有特定需求的用户，还可以自定义图表样式以获得所需的结果展示。以下是创建图表的基本步骤：

1. 在结果视图中，选择“图表”面板。
2. 点击“添加图表”，选择需要的图表类型（例如，X-Y图表、柱状图、饼图等）。
3. 在图表设置中，指定X轴和Y轴数据，可能包括节点值、单元值或时间历程。
4. 应用适当的图表选项，如标题、轴标签和图例。
5. 点击“更新”按钮查看图表。

下面是一个简单的代码示例，展示如何在ANSYS Mechanical APDL中生成一个位移-时间图表：

*get, lasttime, set, 0, max ! 获取最大时间值
*dim, disp, table, 1, 2 ! 定义一个2行1列的数组
disp(1,1) = 0 ! 初始时间
disp(1,2) = 0 ! 初始位移
*get, disp(2,2), node, node_number, u, z ! 获取节点位移
*stat, disp ! 显示数组内容
/post26 ! 进入后处理模块
set, lasttime ! 设置为最终时间点
plvar, disp ! 绘制位移随时间变化的图表

此段代码中，我们首先获取了最终时间点，并建立了一个包含时间值和位移值的数组，然后通过`*get`命令提取了指定节点在Z方向上的位移值，最后使用`plvar`命令绘制了位移随时间变化的图表。

### 4.1.2 云图、等值线图和矢量图的应用

云图、等值线图和矢量图是仿真结果可视化中不可或缺的工具。它们能够直观展示模型表面或内部的物理场分布，帮助工程师进行分析。

**云图：** 云图通过颜色渐变来显示模型表面或横截面的标量场（如温度、应力等）。ANSYS Workbench中，创建云图的步骤如下：

1. 在结果视图中，选择“云图”面板。
2. 选择需要显示的物理量（如等效应力、温度等）。
3. 点击“应用”查看结果。

**等值线图：** 等值线图是另一种显示标量场的方法，它通过等值线展示不同数值区域的边界。ANSYS Workbench中等值线图的创建步骤与云图类似，只是选择图表类型时应选择“等值线图”。

**矢量图：** 矢量图用于展示矢量场（如速度场、位移场等）的分布。在ANSYS Workbench中创建矢量图的步骤如下：

1. 在结果视图中，选择“矢量图”面板。
2. 选择需要显示的矢量场。
3. 调整矢量图的显示参数，如矢量长度和密度。
4. 点击“应用”查看结果。

为了进一步说明，下面是一个使用ANSYS APDL命令流创建等值线图和矢量图的示例代码：

/solu ! 进入求解器模块
solve ! 执行求解
/post1 ! 进入后处理模块
plnsol, u, s ! 绘制等效应力的云图
plnsol, u, all ! 显示所有方向的位移云图
plvec, all, av, 10 ! 绘制平均速度场的矢量图，矢量长度为平均速度的10倍

在这段代码中，我们首先求解了模型，然后进入后处理模块，分别绘制了等效应力云图和位移云图，以及显示了平均速度矢量图，其中矢量长度被放大了10倍以便清晰展示。

通过上述可视化方法的应用，工程师能够直观地看到模型内部的应力分布、温度变化和流动情况，从而快速地识别问题所在，为工程决策提供强有力的依据。接下来，让我们深入探讨后处理的高级功能，了解如何导出结果数据，并编写脚本来自动化后处理流程。

# 5. ANSYS Workbench优化与自动化

## 5.1 参数化设计与优化分析

在工程设计中，参数化设计是一种重要的方法，它允许设计者通过改变一个或多个参数，快速观察到设计的改变，而无需重新进行复杂的建模过程。ANSYS Workbench作为一个集成化分析工具平台，提供了参数化设计以及优化分析的功能，使得工程师能够高效地进行产品设计和性能优化。

### 5.1.1 设计点的创建和参数探索

在ANSYS Workbench中，设计点是一个包含参数定义的特定配置点，可以包含一个或多个参数。利用设计点，我们可以快速地探索和比较不同的设计方案。

#### 创建设计点的步骤：

1. 在Workbench中打开项目，并进入“参数”设置界面。
2. 选择或添加参数，如模型尺寸、材料属性、边界条件等。
3. 点击“设计点”按钮，创建一个或多个设计点。
4. 在每个设计点下，输入特定的参数值。
5. 通过参数管理器，可以对设计点进行管理，实现参数的批量编辑。

#### 参数探索：

- 使用Workbench的参数探索功能，可以对选定的参数进行系统地变动，并记录输出结果。
- 参数探索的结果可以用于后续的优化分析，以便找出最佳的设计方案。

### 5.1.2 响应面和优化算法的使用

响应面方法是一种常用的近似技术，它通过对实际响应曲面进行数学建模，来预测复杂工程系统的输出响应。在ANSYS Workbench中，响应面可以与优化算法结合使用，实现对设计的自动化优化。

#### 实现响应面的流程：

1. 在“参数”设置界面，定义好需要进行优化的参数。
2. 选择“优化器”模块，并配置优化算法参数。
3. 选择“响应面”方法，设置响应面的相关参数，比如样本点数量。
4. 执行参数探索，收集不同参数组合下的性能数据。
5. 根据收集到的数据建立响应面模型。

#### 优化算法：

ANSYS Workbench支持多种优化算法，包括遗传算法、单纯形法和序列二次规划等。通过优化算法，可以自动寻找最优的设计参数组合，从而达到目标性能指标。

- 设定优化目标，如最小化重量、最小化成本或者最大化性能。
- 优化算法会自动寻找最佳解，并在参数探索的基础上迭代优化。

## 5.2 工作流程的自动化与宏

自动化工作流程和宏录制是提高设计效率、减少重复劳动的重要功能。它们可以帮助工程师快速完成重复性的工作，专注于更有挑战性的设计问题。

### 5.2.1 工作流程的自动化设置

通过设置参数化工作流程，可以将设计中的重复任务自动化，减少人工干预，提高工作效率。

#### 自动化工作流程的实现：

1. 设定一个或多个参数为变量，作为自动化流程的驱动因素。
2. 使用参数管理器，创建不同设计场景对应的参数集合。
3. 利用Workbench中的“Design of Experiments”(DOE)模块，设置实验方案。
4. 通过自动化接口执行参数化分析，记录结果，并生成报告。

### 5.2.2 宏的录制和回放技巧

宏录制功能允许用户记录一系列的操作过程，之后可以重新播放这些操作，进行批处理，或者创建自定义的脚本。

#### 宏录制的步骤：

1. 在Workbench中打开宏录制器。
2. 执行需要录制的一系列操作，例如模型的修改、网格划分等。
3. 停止宏录制，并保存生成的宏文件。
4. 通过宏编辑器，可以编辑和修改宏，增加条件判断、循环等控制语句。
5. 播放宏，执行宏中的操作序列，以实现自动化设计和分析。

#### 宏的回放技巧：

- 宏的回放可以快速重复执行复杂的操作序列。
- 可以设置触发宏执行的条件，如文件存在、变量达到特定值等。
- 利用宏可以将复杂的设计流程标准化，提高团队协作效率。

通过宏和自动化工作流程的合理应用，可以显著减少工程师在重复性工作上的时间，从而将精力集中于解决创新性和策略性的问题。这对于追求高效率、高质量设计结果的工程师来说，无疑是一个强大的工具。

# 6. 案例实操与问题解决

## 6.1 实际案例分析

### 6.1.1 案例的选择和模型构建

选取一个具有实际应用背景的案例，如汽车零件在不同载荷下的应力分析，可以帮助更好地理解ANSYS Workbench的建模和分析流程。在构建模型之前，我们需要确定案例的具体要求和参数，包括几何尺寸、材料属性、边界条件和预期的分析结果。

在ANSYS Workbench中，首先进行CAD模型的导入，如果需要从外部CAD软件导入模型，可以使用内置的CAD连接器。导入模型后，根据实际应用情况对模型进行必要的简化，以减少分析时间。简化原则是保留结构的关键特征，同时去掉对分析结果影响不大的细节部分。

以下是导入CAD模型并进行简化的基本步骤：

1. 打开ANSYS Workbench平台。
2. 点击“Geometry”模块以创建一个新的几何模型。
3. 在“Geometry”模块中，点击“Insert”按钮，选择“CAD”选项以导入外部CAD文件。
4. 在弹出的对话框中选择CAD文件，并进行必要的导入设置。
5. 导入模型后，使用“Edit”功能对模型进行简化，如删除小特征、平滑曲面等。
6. 确保模型简化后的尺寸和细节符合实际工程需要。

### 6.1.2 案例的分析和后处理

在完成几何模型构建之后，接下来是定义材料属性、设置边界条件、网格划分、求解以及后处理的步骤。每一步骤都要严格依据案例的实际需求进行操作。

以汽车零件为例，我们需要为模型定义材料属性，如弹性模量、泊松比、密度和屈服强度等。之后，根据零件的使用情况，设置相应的边界条件和载荷，包括固定约束和力的施加。网格划分是影响计算结果精度和求解时间的关键步骤，在划分时应兼顾网格的密度和尺寸。

以下进行模拟分析的步骤：

1. 在“Engineering Data”中选择或定义材料属性。
2. 进入“Model”模块，对模型施加适当的边界条件和载荷。
3. 在“Mesh”模块中设置网格划分的参数，如网格类型、大小、分布等。
4. 在“Setup”模块中进行求解器设置，选择合适的求解类型和步骤。
5. 点击“Solve”按钮开始求解计算。
6. 求解完成后，进入“Results”模块进行后处理，分析应力分布、位移等结果。

## 6.2 常见问题与解决方案

### 6.2.1 模型导入和网格划分问题

在导入模型时，可能会遇到尺寸不一致、单位不匹配等问题，导致模型导入失败或者在分析中出现错误。为了防止这些问题，需要在导入前对模型的单位和尺寸进行仔细检查，并确保与Workbench平台的设置一致。

网格划分时，可能会遇到网格过度密集导致计算时间过长，或者网格过于稀疏导致结果不准确的问题。解决这些问题，首先需要根据模型的复杂度和计算资源合理设置网格密度。其次，针对模型的关键部位或应力集中区，可以采用局部网格细化的策略。

### 6.2.2 边界条件设置和求解器问题

在设置边界条件时，一些常见的错误包括对模型施加了错误的约束或者不正确的载荷大小，这将直接影响到分析结果的准确性。检查和修改错误的边界条件是确保分析结果可靠性的关键步骤。在设置约束和载荷时，应该仔细参照案例的具体要求，并进行相应的验证。

在求解器选择和设置上，不同类型的分析需要使用不同的求解器。例如，结构分析通常使用结构求解器，而热分析则需要热分析求解器。此外，求解器的参数设置也需要根据问题的特性进行调整，比如设置合适的求解精度和收敛标准。

为了识别和解决这些问题，可以采取以下措施：

- 在导入模型之前，检查CAD模型的单位和尺寸，并进行适当的转换。
- 在网格划分时，使用网格控制技术，例如网格细化、尺寸函数等，以提高关键区域的网格精度。
- 在边界条件设置完成后，进行检查和验证，确保所有的条件均符合实际应用情况。
- 在选择求解器时，了解不同求解器的特点和适用范围，合理选择并设置求解器参数。

在实际操作中，应对每一步骤进行详细记录，并保存输出结果，以便在出现问题时能够快速定位并解决。通过反复实践和积累经验，可以有效地提升在ANSYS Workbench中的操作技能和问题解决能力。