风机叶轮离心力分析案例，了解ANSYS Workbench
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作者 | 刘笑天，仿真秀科普作者
下面将通过一个简单的风机叶轮离心力分析的案例，让读者对ANSYS Workbench 14.0有一个初步的了解，在学习时无需了解操作步骤的每一项内容，这些内容在后面的章节中将有详细的介绍，读者仅需按照操作步骤学习，了解ANSYS Workbench有限元分析的基本流程即可。
1.5.1案例介绍
此次使用ANSYS WORKBENCH 14.0 静力分析模块通过对某风机叶轮模型加载每分钟1480转的旋转载荷来模拟叶轮运行时候旋转产生的离心力对结构的影响。
1.5.2启动Workbench并建立分析项目
(1) 使用三维机械设计软件SOILDWORKS 2012 X64版进行建模然后通过ANSYS接口进入ANSYS WORKBENCH 14.0。
(2) 首先启动SOILDWORKS 2012。选择模型文件打开。如图-1所示。
图-1 选择模型文件
图-2 进入ANSYS Workbench 14.0
(3) 打开ANSYS 14.0程序接口→点击Workbench 启动ANSYS Workbench 14.0，进入程序。如图-2所示。
（4）此为进入主界面后的状态。程序自动在项目管理区创建分析项目A。单击Toolbox（工具箱）中的Analysis System（分析系统）→
（静力分析模块），将其拖动到项目管理区分析项目A2（Geometry）中，这时会如图-2显示。这时候程序左下角的状态栏会从
（Ready 准备好了）变成
（繁忙），当程序运行完毕就会重新回到Ready状态。
图-3 启动静力分析模块
（5）然后放开鼠标完成模型数据的导入过程。此时项目A2与B3之间的模型参数数据可以关联共享。如图-3所示。
图-4 进行材料参数定义
1.5.3定义材料参数
（1）在项目管理区双击点击图-4中项目B2 Engineering Data（材料数据）对材料属性进行定义。
在Outline of Schematic B2：Engineering Data 的A3项中选择Structural Steel（不锈钢）→Properties of Outline Row 3：Structural Steel中的A2项Density(密度) 下的B2项中输入7850→A8项 Young`s Modulus (杨氏模量)中的B8项输入 2E11→在A9项 Poisson`s Ratio(泊松比)中的B9项输入0.3→然后单击
（返回到项目管理区）返回到项目主菜单。操作流程如图-5所示。
图-5 定义材料参数
图-6 保存项目文件
（2）单击菜单栏中的
（Save 保存）按钮，之后程序会出现如图-6所示的对话框，我们将项目文件命名为2 然后单击保存按钮。保存本次分析文件。
1.5.4划分网格
（1）本例首先用自动网格划分。
返回项目管理区后双击单击B4项目Model（网格）
，这时在程序开启过程中，左下方的状态栏会从
(准备好了)变成
，并且程序会自动出现如图-7所示的进度框，通知程序模型加载的实际。进度开启后会变为Ready。
等待几分钟程序开启后，单击Outline（分析树）→B4项 Mesh（网格）。不修改其他选项直接单击上方的Update（刷新网格）来刷新并划分网格。如图-8所示。
图-7 程序载入过程
图-8 划分网格
（2）在网格划分过程中程序会自动出现ANSYS Workbench Update Model Status对话框，如图-9所示。其显示并可监控网格划分的进度。
注意，此过程随模型的零件数量、复杂程度以及电脑性能的不同，可能需要消耗几分钟，几十分钟或更多时间，请耐心等待。当网格划分完毕后此对话框会自动消失。
注意：在网格划分同时打开系统任务管理器，同步监视电脑CPU以及内存运作状况。通过观察在网格划分时的CPU使用率状况可知，此过程对多核心调用效率不高，故单核心性能较高的CPU能更好的加快网格划分过程。如图-10所示。
图-9 网格划分进度
图-10 系统运作状况
（3）网格划分后如图-11所示。
图-11 网格划分结果
图-12 统计
（4）单击打开Statistics（统计）可以看到模型的Nodes（单元）数量为106790个，Elements(节点)数量为51817个。如图-12所示。
注意：实际的网格数量随计算机软件硬件不同而略有差异。
（5）由于此自动划分网格质量不高，现在我们使用Mesh Control（网格控制）功能来优化网格质量，从而提高分析的精度。
这次使用映射功能。
首先单击模型轮盘的一个面
注意：被选择上的面会变成绿色
然后按住键盘的Ctrl键再单击另一个需要映射的面。
注意：当选择目标面的时候如果需要转动模型那么需要先放开Ctrl按键然后按住鼠标中键转动模型，再按住Ctrl来继续选择目标面。并且当被选择的面在当前视图被遮蔽的时候，在模型空间左下方会出现几个层叠的面，我们可以逐个单击尝试选择合适的面。
（6）单击Mesh Control（网格控制）→Mapped Face Meshing（映射）功能。如图-13所示
图-13 选择需要映射的面
图14 映射后的网格
(7)选择完毕后单击菜单栏中的
（刷新）按钮来刷新网格设置。刷新完成后的网格如图-14所示。
我们可以对比刷新前的图-11在轮盘位置的网格与图-14中被红框圈住的区域的网格，可以发现变得规整的多。
注意：映射功能仅仅用在形状规则变化较少的面，当面不规则或者有孔洞等特征时，一般而言都不能成功被映射。
（8）同样的我们也可以将模型叶片部分做映射处理。
首先选择一半的叶片映射。这里需要分别选择叶片的前后两面选择后单击菜单栏中的
（刷新）按钮来刷新网格设置。如图-15所示。
刷新后的网格如图-16所示。可以看到使用网格控制与不使用而自动划分的不同。
图-15映射叶片面
图-16对比网格
（9）继续选择轮盘内表面进行网格控制如图-17所示。
（10）刷新网格后如图-18所示。对比图-11可知，在被红框圈出的区域网格质量大幅度提高。
图-17 映射轮盘内表面
图-18 最终的网格
（11）单击打开Statistics（统计）可以看到模型的Nodes（单元）数量为126033个，Elements(节点)数量为61141个较自动划分的网格稍多。如图-19所示。
图-19统计
1.5.5施加载荷与约束
（1）首先施加圆柱。单击Outline（分析树）中的Static Structural（B5）→单击选择叶轮轮盘内表面→单击Supports（约束）→单击Cylindrical Support（圆柱约束）命令。如图-20所示。
图-20施加圆柱约束
图-21 施加旋转速度
（2）单击单击Outline（分析树）中的Static Structural（B5）→单击Inertial（惯性载荷）→单击Rotational（选择速度）命令。如图-21所示。
（3）在Magnitude（属性）里面输入 1480 RPM作为叶轮转速。然后选择叶轮轮盘内表面然后单击Apply（确定），设定好选择载荷。在设定后程序会自动在旋转轴处生成如图-22的旋转方向的提示。因此风机叶轮为后弯曲叶片形式，此旋转方向与实际相同，不需要调整。
图-22 设定转速
图-23 旋转方向
1.5.5求解与结果后处理
（1）单击Outline（分析树）→Static Structural（B5）→单击
（求解）按钮。如图-24所示。
在求解过程中程序会自动出现ANSYS Workbench Solution Status对话框，如图-25所示。其显示并可监控网格划分的进度。
同时我们打开任务管理器，我们可以看出CPU 占用率较高，说明程序充分调用了CPU的性能。
注意：笔者使用默认许可证文件运行的ANSYS程序，其最大支持CPU/核心数量为8个。如果需要调用更高性能必须使用HPC（高性能计算机）许可证文件。
根据帮助文件显示，在最多同时使用3个HPC许可证的时候ANSYS程序最大可以调用2048个CPU/核心进行运算。
同时通过查看帮助文件可知，ANSYS 14.0官方推荐的最低配置为双核心2.0Ghz以及以上的CPU，内存则最低为8G。故当求解规模较大时，一台高性能计算机还是必要的。
科学运算主要执行开方乘方等精确到小数点后几位的运算，以前需要较高的浮点运算能力的CPU。近几年来由于显卡GPU浮点运算能力已经远远超过CPU。比如一块2000元左右的高端游戏显卡的GPU浮点运算能力已经达到同价位桌面顶级CPU的10~20倍。调用GPU浮点运算能力具有了硬件基础。
著名的显卡制造商Nvidia公司投资10亿美元开发基于使用GPU芯片的CUDA技术的专用科学运算卡。第一代取名特斯拉，今年刚刚发布的更新版的是麦克斯韦。都是著名物理学家的名字。
特斯拉其单卡单精度浮点运算能力达到一万亿次每秒。相当于1997年Intel公司使用4000多颗Pentium PRO CPU超级计算机的运算能力。也相当于约20颗顶级桌面CPU的性能。在软件的支持下在普通台式机或者工作站上增加一块或者几块数千元的特斯拉加速卡的运算性能可以相当于以前单纯使用CPU时几十台并行机的超级计算能力。极大的降低了能耗，提高了效率。
对于ANSYS来说其在13.0版本时已经开始支持调用Nvidia公司的专用GPU卡加速分析过程。走在了有限元软件支持GPU加速的前列。根据ANSYS 13.0官方测试结果，固体类分析最大可以比单纯CPU加速4倍，流体则可以加速几十倍。
我国去年世界最快的超级计算机天河A1也搭载了几千块特斯拉M2050加速卡，其平均比单纯CPU加速5倍，取得了良好的费用效率能耗比。
注意：求解过程随模型的零件数量，复杂程度以及电脑性能的不同，可能需要消耗几分钟，几十分钟或更多时间，请耐心等待。当求解完毕后此对话框会自动消失。
图-24 开始求解
图-25 求解过程监视
（2）单击界面左侧Outline（分析树）→Solution（B6）→单击Deformation（变形）→Total（全部）由于我们要得到X 、Y 、Z三个方向的变形结果，需要单击三次Directional（单一方向）。如图-26所示。
图-26 变形结果
图-27 设定方向
（3）单击Outline（分析树）→Directional。其中Directional会默认成X方向的结果，这里不需要设定。只需要设定Directional 2以及Directional 3的方向。
（4）单击Outline（分析树）→Directional 2进入Details of “Directional 2” →单击Orientation（方向）中选择Y Axis（Y轴）。执行同样操作在Directional 3中选择Z轴。
注意：结果输出的坐标轴需要指定（默认的或者新建的）。默认状态为系统坐标，各个轴向方向同图-28所示。
图-28 系统坐标轴
（5）选择等效应变以及等效应力结果。等效应变如图-29所示。
单击后处理菜单栏中的Strain（应变）→Equivalent（等效应变）。等效应力图-30所示。
单击Stress（应力）→Equivalent（等效应力）。
图-29等效应变
图-30 等效应力
（6）选择完需要输出的后处理结果后，单击（求解）按钮进行结果求解。求解过程中会出现如图-31所示的进度对话框，其在求解完毕后会自动消失。
图-31 求解
（7）查看结果。图-32到图-36分别为总变形、X方向变形、Y方向变形、Z方向变形以及等效应变。
图-32 总变形
图-33 X方向变形
图-34 Y方向变形
图-35 Z方向变形
图-36 等效应变
（8）在查看后处理结果的时候我们也可以将鼠标放在彩虹条的左上角，程序会自动出现+的符号，鼠标点击后可以增加彩虹图色阶的数量从而更加细分结果。点击前图图-37所示。点击后如图-38所示。
图-37
图-38
（8）我们也可以通过后处理的截图功能保存结果。操作如图-39所示 。
图-39 保存截图
图-40 保存项目文件
1.5.6保存并退出
（1）最后再次保存项目文件。
单击机械设计模块菜单栏中的File（文件）→Save Project（保存项目文件）→Close Mechanical（关闭机械模块）。如图-40所示。
（2）程序退回到项目管理区。如图-41所示。图中红框圈出部分各个项目均为绿色对号，说明分析过程没有错误。
图-41 分析过程正确
图-42 保存并退出ANSYS
（4）单击项目菜单中的File（文件）→Save（保存）→Exit（退出）。关闭程序完成此次分析工作。如图-42所示。
