前     言

JohnSwanson在康奈爾大學(xué)獲得碩士學(xué)位后，來(lái)到位于美國(guó)賓夕法尼亞洲匹茲堡的西屋（Westinghouse）宇航核實(shí)驗(yàn)室。而后擔(dān)任結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部經(jīng)理職位，負(fù)責(zé)由航天核推進(jìn)局（SNPO）領(lǐng)導(dǎo)的NERVA（Nuclear Engine forRochet Vehicle Application，火箭飛行器用核引擎）項(xiàng)目研究。

1963年，JohnSwanson在加州大學(xué)Wilson博士原有的，有限元法熱傳導(dǎo)程序基礎(chǔ)上，編寫了用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件應(yīng)力分析的有限元程序STASYS（Structural AnalysisSystem）。

JohnSwanson博士后來(lái)說(shuō)：“我看到了以計(jì)算機(jī)為工具，進(jìn)行分析的需求。我發(fā)現(xiàn)人們用這些工具，可以改進(jìn)產(chǎn)品的內(nèi)在品質(zhì)時(shí)，是多么的高興。”

1969年，離開(kāi)西屋公司后，JohnSwanson博士懷揣著1282美元?jiǎng)?chuàng)業(yè)資金，在臨近匹茲堡的家中車庫(kù)，成立了自己的公司Swanson Analysis System Inc（SASI）。JohnSwanson博士后來(lái)說(shuō)：“離開(kāi)西屋是因?yàn)槲矣幸粋€(gè)夢(mèng)想——為工程界開(kāi)發(fā)集成的分析系統(tǒng)。”

1970年，SASI公司結(jié)合著STASYS程序，發(fā)布了商用軟件ANSYS。而西屋也成為了它的第一個(gè)顧客。

ANSYS程序的第一個(gè)版本，僅提供熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能。與當(dāng)時(shí)的大多數(shù)程序一樣，它只是一個(gè)批處理程序，需要用打孔器，在計(jì)算機(jī)輸入卡上打洞寫程序，為大型設(shè)備做一些原始的計(jì)算，且只能在巨型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

1994年，SASI公司被私募投資公司TAAssocites并購(gòu)。重組后在當(dāng)年底特律AUTOFACT94展會(huì)上，宣布了新的公司名稱ANSYS。

1996年，ANSYS公司于NASDAQ上市，成為公開(kāi)控股公司，結(jié)束了26年私人控股的歷史。

2001年，ANSYS公司并購(gòu)了ICEM CFDEngineering。

ANSYS公司從1997年起，經(jīng)過(guò)5年的潛心開(kāi)發(fā)，在2002年發(fā)布ANSYS7.0時(shí)，推出了新一代產(chǎn)品研發(fā)集成平臺(tái)ANSYS Workbench Environment（AWE）的試用版。

這是ANSYS公司合并ICEMCFD后，采用其技術(shù)來(lái)改進(jìn)ANSYS軟件的一個(gè)重要里程碑。Workbench平臺(tái)，是用ANSYS求解實(shí)際問(wèn)題的全新仿真平臺(tái)。它給ANSYS的求解，提供了強(qiáng)大的功能和更好的用戶界面。通過(guò)一連串的并購(gòu)，ANSYS Workbench平臺(tái)整合了，世界幾乎所有主流研發(fā)技術(shù)及數(shù)據(jù)，在保持多學(xué)科核心技術(shù)多樣化的同時(shí)，建立統(tǒng)一的研發(fā)環(huán)境。逐步完善Workbench平臺(tái)，也是ANSYS公司今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。

2009年，發(fā)布ANSYS12.0版。在繼承第一代Workbnch（Workbench1.0）的各種優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，發(fā)生了革命性的的變化，可視為第二代Workbench（Workbench2.0）。在該平臺(tái)中，各組件通過(guò)Jscript、VBscript和HTML腳本語(yǔ)言組織，并編制適合自己的使用界面（GUI）。其最大的變化是，提供了全新的項(xiàng)目視圖（Project Schematic View）功能。12.0版支持64位系統(tǒng)。Workbench2.0將整個(gè)仿真流程，更加緊密地結(jié)合在一起，通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽操作，即可完成復(fù)雜的多物理場(chǎng)分析功能。使得ANSYS在“仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（SimulationDrive Product Development SDPD）”方面，達(dá)到了前所未有的高度。

北京時(shí)間2013年12月4日，ANSYS（NASDAQ:ANSS）宣布推出其業(yè)界領(lǐng)先的工程仿真解決方案-ANSYS 15.0。其獨(dú)特的新功能，為指導(dǎo)和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)了最優(yōu)的方法。

ANSYS15.0在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有重要的進(jìn)展。包括：具有創(chuàng)新性的開(kāi)發(fā)了全新的求解器，使計(jì)算性能大大提高。如子空間特征值求解器，可以加速計(jì)算結(jié)構(gòu)分析中的特征模態(tài)和特征頻率最大可達(dá)2.5倍。用戶只要指定螺紋屬性和圓柱面，就能用接觸來(lái)進(jìn)行螺紋建模，而不需要復(fù)雜的幾何模型。可將多個(gè)有限元模型裝配在一起，同時(shí)保留各個(gè)模型的設(shè)置細(xì)節(jié)。

ANSYS一直致力于提供業(yè)界領(lǐng)先的前處理功能，它可以自動(dòng)的完成前處理方面的工作，同時(shí)，針對(duì)一些特別的應(yīng)用，也保留了手動(dòng)靈活控制前處理的功能。這些都得益于ANSYS完善的網(wǎng)格生成技術(shù)，這些技術(shù)確保用戶可以從容地完成各種復(fù)雜工程應(yīng)用的前處理。

ANSYS15.0在前處理自動(dòng)化和穩(wěn)健性方面做了很多改進(jìn)，能幫助客戶更加高效地執(zhí)行仿真計(jì)算，遵循最佳實(shí)踐，從而大幅提升工程設(shè)計(jì)決策的速度。ANSYS 15.0提供的增強(qiáng)功能包括：分部件網(wǎng)格并行生成引擎，可大幅縮短大型裝配體的網(wǎng)格生成時(shí)間，最佳可到原網(wǎng)格劃分時(shí)間的二十七分之一。即使存在多個(gè)體或者是多個(gè)幾何掃略方向的復(fù)雜情況，ANSYS 15.0也能自動(dòng)創(chuàng)建此類網(wǎng)格。

在即將發(fā)布的ANSYS16.0中，ANSYS公司還將推出一款，頗具創(chuàng)新性和突破性的產(chǎn)品AIM。AIM基于用戶的需求開(kāi)發(fā)，可在多物理場(chǎng)之間共享和傳輸數(shù)據(jù)，具有動(dòng)態(tài)的指導(dǎo)功能，是面向?qū)＜液推胀ㄔO(shè)計(jì)師的，一款單一用戶界面的多物理場(chǎng)仿真工具。AIM與ANSYS16.0互不沖突、相互補(bǔ)充。并可能在2015年發(fā)布時(shí)，推出中文版。

全書共分為三十一章。其中前三章，是以盡量簡(jiǎn)單的形式介紹靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、熱分析模塊的基本操作過(guò)程，讓讀者在第一時(shí)間，了解常用模塊的操作流程。

第一章、電梯框架靜力學(xué)分析案例。介紹對(duì)商用電梯模型加載重力加速度荷載，分析其靜態(tài)變形的案例。由于是第一個(gè)案例，在分析前介紹了一些軟件初始設(shè)置的技巧。

第二章、CPU散熱器熱分析案例。對(duì)一個(gè)CPU散熱器模型，加載傳熱系數(shù)荷載后，求解其溫度分布的案例。

第三章、框架模態(tài)分析案例。分析一個(gè)金屬框架的陣型和模態(tài)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(shù)的過(guò)程，是孤獨(dú)而痛苦的，需要有外部助力，可借助象棋中的路數(shù)：“仙人指路”。

在本書的第四章到第八章，在簡(jiǎn)單介紹上述三個(gè)案例的基本操作后，插入約10萬(wàn)字的純文字基礎(chǔ)理論知識(shí)。

分別為第四章有限元單元法概述、第五章材料力學(xué)理論基礎(chǔ)、第六章傳熱學(xué)，流體力學(xué)及熱應(yīng)力計(jì)算理論基礎(chǔ)、第七章動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)知識(shí)和第八章接觸問(wèn)題等。

該部分內(nèi)容幾乎完全采用純文字描述的方式，將以上理論，進(jìn)行盡可能全面而深入的講解，以幫助讀者知其然且其所以然。

而后，主要以真實(shí)產(chǎn)品的工程案例為背景，全面詳細(xì)介紹Mechanical模塊的各主要功能，與在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到的各種問(wèn)題和解決方案的實(shí)踐應(yīng)用案例。在每個(gè)案例中，穿插多個(gè)軟件使用技巧與筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從第九章到第二十四章，共計(jì)十六個(gè)章節(jié)。

第九章、冷卻塔設(shè)計(jì)優(yōu)化案例。本案例通過(guò)使用靜力分析模塊與模態(tài)分析模塊，對(duì)核電廠用冷卻塔框架模型，進(jìn)行靜力分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析計(jì)算，以獲得結(jié)構(gòu)在承受龍卷風(fēng)極端工況下的響應(yīng)。通過(guò)對(duì)結(jié)果的評(píng)判，發(fā)現(xiàn)了冷卻塔結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，并進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和進(jìn)一步數(shù)值分析驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了用最小的結(jié)構(gòu)增重代價(jià)，獲得明顯的加強(qiáng)效果。

本案例還介紹了靜水壓力荷載的施加方法、使用探針功能提取支座反力的功能和根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的思路等技巧。

第十章、空調(diào)響應(yīng)譜分析案例。本案例以某出口空調(diào)的框架模型為例，進(jìn)行響應(yīng)譜分析，以簡(jiǎn)單計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗震性能。

案例中還介紹了，適用于適合觀察模型內(nèi)部情況的切片功能、選擇被遮擋位置表面的技巧、選擇過(guò)濾器的使用和方便實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬標(biāo)準(zhǔn)化，流水線化分析的，創(chuàng)建分析模板的方法等技巧。

第十一章、核電空調(diào)隨機(jī)振動(dòng)分析案例。本案例對(duì)某核電站用空調(diào)的框架模型，加載中國(guó)軍用環(huán)境實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的功率密度譜，來(lái)演示ANSYS WOKBENCH 15.0機(jī)械設(shè)模塊中，隨機(jī)振動(dòng)分析模塊的基本操作過(guò)程。

案例中還介紹了導(dǎo)入模型的另一種方法、抑制部分不需要參與計(jì)算的零件的方法和提取單個(gè)零件變形值的方法、壓縮項(xiàng)目文件，以利于數(shù)據(jù)傳遞等技巧。

第十二章、風(fēng)機(jī)橋架諧響應(yīng)分析案例。本案例以某大型軸流風(fēng)機(jī)橋架為模型，介紹諧響應(yīng)分析的操作。案例中還介紹了插入質(zhì)量點(diǎn)的設(shè)置，和與SoildWorks軟件配合計(jì)算質(zhì)量點(diǎn)慣性矩的技巧。并插入了使用弱彈簧和模態(tài)分析功能，檢查模型尺寸與連接正確性的方法。

第十三章、網(wǎng)格無(wú)關(guān)解案例。有限元結(jié)果，一般是存在離散誤差的，本案例以一個(gè)L形狀模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜力學(xué)分析，介紹了通過(guò)五種細(xì)化網(wǎng)格和一種定義結(jié)果收斂值，從而獲得應(yīng)力的網(wǎng)格無(wú)關(guān)解的方法。案例中還介紹了人體大腦的基本情況和如何能讓大腦更高效工作的有關(guān)知識(shí)。

第十四章、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片周期擴(kuò)展分析案例。本案例以英國(guó)勞斯萊斯公司，斯貝航空發(fā)動(dòng)機(jī)，1級(jí)壓氣機(jī)葉片模型為例，進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，以簡(jiǎn)單介紹ANSYS WORKBENCH 15.0靜力學(xué)分析模塊的操作和使用。

本案例介紹了，適合對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件簡(jiǎn)化分析時(shí)，使用圓周期擴(kuò)展功能的操作方法和兩種生成高分辨率截圖的技巧。

第十五章、性能試驗(yàn)臺(tái)子結(jié)構(gòu)技術(shù)案例。以一個(gè)在建的風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)模型的局部為例，介紹子結(jié)構(gòu)功能的操作并對(duì)比了計(jì)算完整模型和子模型的計(jì)算時(shí)間和求解結(jié)果的對(duì)比。

第十六章、設(shè)計(jì)助手案例。介紹使用設(shè)計(jì)助手功能進(jìn)行多工況結(jié)果疊加的操作技巧。DM模塊生成點(diǎn)焊接觸、添加隨公式函數(shù)變化荷載的技巧。

第十七章、等強(qiáng)度梁優(yōu)化設(shè)計(jì)分析案例。本案例使用SolidWork軟件建立三維“等強(qiáng)度”梁模型，直接導(dǎo)入靜力學(xué)分析模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取在承受規(guī)定荷載作用下，實(shí)現(xiàn)最小結(jié)構(gòu)重量及最小的變形量的尺寸方案。案例中還介紹了網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)定的方法和為了獲取高質(zhì)量網(wǎng)格而切分模型的幾個(gè)基本思路等技巧。

第十八章、等強(qiáng)度梁形狀優(yōu)化分析案例。本案例以等強(qiáng)度梁模型為例，介紹WORKBENCH 15.0平臺(tái)中形狀模塊的使用方法。案例中還介紹了在Solid Works軟件中對(duì)模型進(jìn)行分割操作的具體做法、加載傾斜方向荷載的方法和切片功能的使用等技巧。

第十九章、壓力容器靜力學(xué)分析案例。介紹壓力行業(yè)專有的理論基礎(chǔ)知識(shí)并結(jié)合我公司某壓力容器產(chǎn)品模型介紹靜力學(xué)分析下應(yīng)力線性化評(píng)定過(guò)程。還介紹了兩種提取模型任意斷面結(jié)果平均值的技巧和設(shè)置材料物理屬性的方法和切片功能的使用。

第二十章、壓力容器彈-塑性分析案例。該案例介紹基于ASME Ⅷ-2《壓力容器建造另一種規(guī)則》中，用于防止局部失效分析時(shí)采用的，“真實(shí)”應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系彈-塑性材料非線性直接法的一種簡(jiǎn)化應(yīng)用。案例中還介紹了施加單值函數(shù)正弦規(guī)律變化的位移荷載等技巧。

第二十一章、鋼結(jié)構(gòu)立柱線性屈曲分析案例。本案例以某系列產(chǎn)品的鋼結(jié)構(gòu)立柱模型，對(duì)其進(jìn)行線性屈曲分析，以計(jì)算受壓時(shí)的穩(wěn)定性，確定屈曲系數(shù)。案例中還介紹了輸出結(jié)果動(dòng)畫的功能、提取單一零件結(jié)果的技巧和對(duì)模型進(jìn)行壓縮和隱藏的技巧等內(nèi)容。

第二十二章、排氣管道非線性屈曲分析案例。本案例采用電廠某輔機(jī)中，設(shè)備蒸汽分配管的簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行基于微小擾動(dòng)的非線性屈曲分析，以計(jì)算在外壓作用下，該結(jié)構(gòu)承載力的極限值。案例中還介紹了利用FE模塊和更新結(jié)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(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計(jì)圖的技巧等。

第二十三章、螺紋接觸分析案例。本案例主要介紹ANSYS WORKBENCH 15.0中，采用簡(jiǎn)化的螺紋接觸方法，分析帶螺紋部件的新功能。案例中還介紹了設(shè)置環(huán)境光線效果、15.0版中部分的新功能、三種常見(jiàn)錯(cuò)誤的解決方法、對(duì)模型等比例放大、解決求解結(jié)束后，CPU占用率仍然過(guò)高的問(wèn)題、查找某零件包含的接觸等內(nèi)容。

第二十四章、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析案例。本案例以文字模型為例建立三維模型，進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，以簡(jiǎn)單介紹ANSYS WORKBENCH 15.0的耦合分析功能。

本書的第二十五章到第三十一章，是隨著用戶的基礎(chǔ)理論知識(shí)與軟件操作經(jīng)驗(yàn)的逐步累積，與分析規(guī)模和分析內(nèi)容的不斷擴(kuò)大與深入，也許現(xiàn)有的硬件平臺(tái)不能再滿足要求，需要升級(jí)硬件或購(gòu)買全新計(jì)算機(jī)。正如古人云：“工欲善其事必先利其器”。為了幫助用戶更好的將軟件對(duì)計(jì)算性能的需求與硬件條件對(duì)接，專門編寫了介紹高性能計(jì)算機(jī)硬件選配方法的內(nèi)容。

這六個(gè)章節(jié)，主要介紹總價(jià)約在3000元到20萬(wàn)之間，用于中小規(guī)模分析用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、CPU、硬盤、主板和GPU等硬件的運(yùn)行機(jī)制和互相之間的合理搭配方法。其中也插入了一些專業(yè)硬件網(wǎng)站的硬件性能測(cè)試結(jié)果和筆者親自進(jìn)行的，不同計(jì)算規(guī)模和硬件條件下，ANSYS Workbench 15.0 Mechanical求解效率的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

在光盤中，針對(duì)用戶在前處理過(guò)程中，會(huì)面臨材料屬性難求的問(wèn)題。為了方便讀者，筆者匯總了200余個(gè)牌號(hào)金屬材料，不同溫度下的線彈性物理屬性匯總表。適合于常規(guī)的線性靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、瞬態(tài)熱分析等分析使用。

掌握任何一項(xiàng)高級(jí)技能的過(guò)程，都是孤獨(dú)、艱辛而痛苦的。往往需要擁有一顆永不放棄的心，一個(gè)合理的學(xué)習(xí)未知領(lǐng)域知識(shí)的方法和超過(guò)10000小時(shí)的努力，作為幕后支撐。一個(gè)專業(yè)知識(shí)強(qiáng)大的專業(yè)人士的背后，必定蘊(yùn)藏著強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力。

對(duì)于未知領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)，在初級(jí)階段，在數(shù)量上的積累與翻閱各種資料，是最重要的。初級(jí)階段，要用最快的速度，并且最大數(shù)量的翻閱全部資料。通過(guò)對(duì)量的積累，給自己找到一個(gè)方向的指引；當(dāng)熟練到一定程度后，資料的質(zhì)量與深度才更加重要。

在學(xué)習(xí)的早期階段，需要熟悉與掌握軟件的操作流程與步驟；中期需要廣泛而深厚的基礎(chǔ)理論知識(shí)支撐；后期需要對(duì)良好思路與技巧的鍛煉以及開(kāi)拓視野，站在巨人的肩膀上，俯瞰云端。這也是貫穿全書的指導(dǎo)思想。

學(xué)習(xí)過(guò)程中，要時(shí)刻對(duì)自己提問(wèn)。我有什么資料、在哪里可以獲得更多的資料、它們講了些什么、我學(xué)到了什么、還缺乏什么、遇到問(wèn)題如何去做，怎么做、先做什么，后做什么、哪些資料的哪些內(nèi)容，可以解決相同或類似的問(wèn)題、還可以有哪些解決方法等等。

希望讀者放平心態(tài)、回歸基本、堅(jiān)定信念、不懼艱險(xiǎn)、刻苦學(xué)習(xí)、不斷練習(xí)、不怕失敗，以在無(wú)數(shù)次失敗的量變中，實(shí)現(xiàn)成功的質(zhì)變。最終達(dá)到“資之深，則取之左右逢其源”。

本書全部由哈爾濱空調(diào)股份有限公司劉笑天編寫。感謝哈爾濱空調(diào)股份有限公司前空調(diào)設(shè)計(jì)部部長(zhǎng)劉曉部長(zhǎng)（高級(jí)工程師）、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化分會(huì)培訓(xùn)中心曹宏博副主任(博士)、長(zhǎng)春裝甲兵技術(shù)學(xué)院張洪才給予的指導(dǎo)和支持。此外，感謝中國(guó)仿真互動(dòng)網(wǎng)（www.simwe.com）和廣大網(wǎng)友。

由于本書涉獵面甚廣，筆者水平有限、經(jīng)驗(yàn)不足，本書可能存在許多缺陷和錯(cuò)誤，懇請(qǐng)讀者示教斧正，不勝感激。聯(lián)系郵箱371968291@qq.com。讀者交流QQ群，群名為“ansys工作站”，群號(hào)為：202154341。

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