【冲击与碰撞分析实战解析】：ANSYS-Workbench实际案例深度解读

# 摘要
本文系统地介绍了ANSYS Workbench软件在进行基本冲击和碰撞分析中的应用。第一章提供了该软件的概览，第二章和第三章深入探讨了冲击与碰撞分析的理论基础、ANSYS Workbench中的模拟设置及求解后处理方法。第四章通过汽车碰撞仿真分析、电子产品跌落测试仿真以及建筑结构冲击分析的工程案例，展示了软件在实际中的应用和效果评估。第五章讨论了高级分析技巧，包括高级材料模型的使用、复杂问题的求解策略以及结果的优化和报告制作。本文旨在为工程师提供一个完整的ANSYS Workbench分析流程，以及在冲击与碰撞分析中遇到的常见问题的解决方案。

# 关键字
ANSYS Workbench；冲击分析；碰撞分析；理论与实践；高级技巧；工程案例

参考资源链接：[(PPT幻灯片版)最全的ANSYS-Workbench培训教程课件合集.pdf](https://wenku.csdn.net/doc/6401acfbcce7214c316edda0?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ANSYS Workbench软件概述

在本章中，我们将对ANSYS Workbench进行一个全面的介绍，从软件的基础知识到实际应用进行展开。首先，我们会探讨ANSYS Workbench作为一个广泛使用的工程仿真软件的发展历史和应用领域，然后我们将对软件中的关键模块及其功能进行概述，并简述其在现代工程分析中的重要性。

## 1.1 ANSYS Workbench的发展历史

ANSYS Workbench是ANSYS公司推出的集成环境，它将设计、模拟、优化等工具整合在一起，形成一个无缝的工作流程。从最初的版本发展到现在，Workbench已经成为工程师进行CAE（计算机辅助工程）分析的核心平台。其发展历程反映了计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助工程（CAE）技术的进步，以及对仿真工程需求的不断增长。

## 1.2 ANSYS Workbench的关键模块及其功能

Workbench平台包含了多个模块，如结构力学分析（Static Structural）、流体动力学分析（Fluent）和电磁场分析（Maxwell）等。这些模块各自专注于解决特定类型的工程问题，它们之间可以无缝地交换数据，为多物理场耦合分析提供强大的支持。每个模块均提供了一系列的前处理、求解和后处理工具，允许用户在统一的环境下完成复杂产品的分析。

## 1.3 ANSYS Workbench在工程分析中的重要性

对于工程项目的成功至关重要的一环是可靠的设计验证。ANSYS Workbench通过提供精确的仿真来模拟真实世界中的复杂物理现象，从而减少了对物理原型的依赖。这不仅加快了产品开发流程，降低了成本，还能帮助工程师更好地理解其设计的潜在问题，并在实际生产之前进行改进。

通过以上内容，我们将引导读者了解ANSYS Workbench作为一个仿真工具的全貌，并为接下来章节中针对不同应用领域的深入讨论打下基础。

# 2. 基本冲击分析的理论与实践

## 2.1 冲击分析的理论基础

### 2.1.1 冲击动力学的基本原理

冲击动力学是研究物体在外力作用下，以较短时间（通常为微秒到毫秒级）内发生大变形、高速度运动，从而产生复杂应力和应变状态的学科。在冲击事件中，材料的动态特性，如应变率硬化效应，变得尤为重要。由于应变率效应，材料在冲击下的强度和刚度往往显著高于静态条件下的表现。此外，冲击作用下材料可能发生的局部屈曲、热软化、损伤累积和失效等问题，也构成了冲击动力学研究的核心内容。

在进行冲击分析时，了解并准确应用适当的本构模型至关重要。冲击分析常用的本构模型包括弹塑性模型、塑性硬化模型以及损伤模型等。在某些情况下，也可能会引入失效准则来模拟材料的最终断裂行为。

### 2.1.2 材料模型在冲击分析中的应用

在冲击分析中，根据实际的工程问题和材料特性选用恰当的材料模型对于得到可靠的分析结果至关重要。在ANSYS Workbench中，材料模型的种类繁多，如线性弹性模型、非线性塑性模型（考虑应变硬化或应变软化）、超弹性材料模型（常用于橡胶等材料）、粘弹性材料模型（用于描述材料随时间变化的应力应变关系）等等。

选取材料模型时，需要考虑以下几个要素：

- 材料的类型：金属、塑料、复合材料、橡胶等。
- 应用条件：静态、动态、高温、低温等。
- 破坏模式：脆性断裂、延性断裂、疲劳破坏等。

材料模型的选择应基于实验数据，而实验数据能够反映材料在实际冲击条件下的真实行为。这些数据通常由拉伸试验、压缩试验、冲击试验等实验获得，并且应包含材料的应力-应变曲线，包括弹性和塑性区域。

## 2.2 ANSYS Workbench中的冲击模拟设置

### 2.2.1 创建几何模型与网格划分

在进行冲击模拟之前，首先需要创建或导入分析的几何模型。在ANSYS Workbench中，可以使用DesignModeler或SpaceClaim这样的几何建模工具。创建模型时，应尽量简化模型以减少计算资源的消耗，同时保证足够的精度以捕捉到冲击过程中的关键动态效应。

几何模型建立完毕后，需要进行网格划分，即将连续的几何模型划分为一系列的小单元。在冲击分析中，通常使用精细的网格以获得较好的时间分辨率，这是因为冲击过程往往涉及到快速变化的应力波。在Workbench中，可以利用自动网格划分工具来简化这一过程，并根据需要手动调节网格的密度。

### 2.2.2 材料属性的定义与加载

在定义材料属性之前，需要根据实验数据或文献提供的数据确定材料的本构模型和相关参数。在ANSYS Workbench中，材料库提供了丰富的材料模型选项，用户可以从中选择合适的材料模型，并输入相应的参数值。

定义材料属性时，需要注意参数的适用范围和条件，如温度、应变率等，以确保材料模型能够正确模拟冲击条件下的材料行为。此外，对于需要考虑损伤和失效的分析，还需要设定适当的失效准则和损伤演化模型。

### 2.2.3 边界条件和载荷的施加方法

在冲击分析中，正确施加边界条件和载荷是模拟成功的关键。冲击载荷通常具有很高的应变率，其施加方式需要特别注意。在Workbench中，可以使用载荷模块（如Load Step）来设定冲击载荷，并通过函数编辑器定义载荷随时间的变化曲线。

边界条件的设置应尽可能地模拟实际约束条件。例如，在模拟汽车碰撞时，约束条件可能会涉及车辆与地面、车辆与障碍物之间的接触。在Workbench中，可以使用接触设置来模拟不同物体之间的相互作用，包括摩擦力的考虑。

## 2.3 冲击分析的求解与后处理

### 2.3.1 求解设置与监控

冲击分析的求解设置包括时间步长的选择、求解器类型的选择、以及冲击过程