有限元分析及ANSYS18.0工程应用

前言

第1章　有限元法与ANSYS简介 ………1

1.1　有限元法概述 ……………………1

1.1.1　有限元法发展历史 ………………1

1.1.2　有限元法基本思想 ………………2

1.2　有限元分析步骤 ……………………4

1.3　ANSYS简介及分析步骤 …………6

1.3.1　ANSYS功能及模块简介 …………6

1.3.2　ANSYS分析步骤 …………………9

1.4　本章小结 …………………………10

思考与练习 ………………………………10

第2章　有限元法理论 ………………11

2.1　弹性力学基础 ……………………11

2.1.1　弹性力学的基本概念 ……………11

2.1.2　弹性力学的基本方程 ……………13

2.1.3　弹性力学中的能量原理 …………15

2.2　平面问题的有限元法 ……………16

2.3　轴对称问题的有限元法 …………25

2.4　三角形单元刚度计算实例 ………26

2.5　本章小结 …………………………27

思考与练习 ………………………………27

第3章　ANSYS几何建模 ………………28

3.1　坐标系 ………………28

3.1.1　坐标系简介 ……………………28

3.1.2　坐标系定义 ……………………28

3.1.3　坐标系的激活 …………………30

3.2　自底向上建模 ……………………31

3.2.1　关键点 …………………………31

3.2.2　线 ………………………………32

3.2.3　面 ………………………………34

3.2.4　体 ………………………………35

3.3　自顶向下建模 ……………………36

3.3.1　定义面 …………………………37

3.3.2　定义体 …………………………37

3.4　布尔操作 …………………………38

3.4.1　交运算 …………………………38

3.4.2　加运算 …………………………39

3.4.3　减运算 …………………40

3.4.4　分割运算 ……………41

3.4.5　分类运算 ………………41

3.4.6　搭接运算 ………………41

3.4.7　粘接 …………………42

3.5　导入CAD模型 ……42

3.6　连接板建模实例 ………43

3.7　联轴器建模实例 ………46

3.8　本章小结 ………51

思考与练习 ………………51

第4章　ANSYS网格划分 ……52

4.1　网格划分概述 …………52

4.2　单元类型 ……………52

4.2.1　杆单元 ………………53

4.2.2　梁单元 ……………54

4.2.3　二维实体单元 …………55

4.2.4　壳单元 …………………56

4.2.5　三维实体单元 …………57

4.3　网格划分 ………………59

4.3.1　单元划分基本过程 ……59

4.3.2　选择网格划分方法 ……60

4.3.3　分配单元属性 ………63

4.3.4　网格划分工具 …………64

4.3.5　网格尺寸控制 ………65

4.3.6　MESH生成网格 ……65

4.3.7　检查网格 …………67

4.3.8　修改网格 ……………69

4.4三维支架网格划分实例 …73

4.5　本章小结 ……………75

思考与练习 ………………75

第5章ANSYS加载及求解 …76

5.1　载荷介绍 ……………76

5.2　载荷类型 …………………………76

5.2.1　自由度约束 ……………76

5.2.2　集中力载荷 …………77

5.2.3　面载荷 ………………78

5.2.4　体载荷 ………………79

5.2.5　惯性载荷 ……………79

5.2.6　耦合场载荷 …………80

5.3　多载荷步求解 …………80

5.3.1　多重求解法 …………80

5.3.2　使用载荷步文件法 …………80

5.4　ANSYS求解方法 ……………81

5.4.1　直接求解法 …………81

5.4.2　稀疏矩阵直接解法求解器 ………82

5.4.3　雅克比共轭梯度法求解器 ………82

5.4.4　不完全分解共轭梯度法求解器 …82

5.4.5　预条件共轭梯度法求解器 ………83

5.4.6　自动迭代法求解器 …………83

5.4.7　不完全乔里斯基共轭梯度法求解器 ……84

5.4.8　二次最小残差求解器 ………84

5.5　利用特定的求解控制器来指定求解类型 …84

5.5.1　“AbridgedSolution”菜单选项 ……84

5.5.2　使用“SolutionControls”对话框…84

5.6　重新启动分析 …………86

5.7　求解分析 ………………86

5.8　本章小结 ………………87

思考与练习 ………………88

第6章　ANSYS结果后处理 ………89

6.1　后处理概述 ……………89

6.2　通用后处理器（POST1） ………89

6.2.1　数据类型 ……………89

6.2.2　查看结果汇总 ……………90

6.2.3　读入结果 ……………90

6.2.4　图形显示结果 ……………92

6.2.5　列表显示结果 ……………94

6.2.6　查询结果 ……………101

6.2.7　输出选项 ……………102

6.3　时间历程后处理器 …………103

6.3.1　时间历程变量观察器 ……103

6.3.2　进入时间历程后处理器 ………105

6.3.3　定义变量 ……………105

6.3.4　处理变量并进行计算 ………106

6.3.5　变量的评价 ………106

6.3.6　POST26的其他功能 ……107

6.4　内六角扳手后处理操作实例 …107

6.4.1　通用后处理 …………108

6.4.2　时间历程后处理 …………110

6.5　本章小结 ………………111

思考与练习 …………………111

第7章　结构静力分析 ……………112

7.1　结构静力分析的基本概念 ……112

7.2　结构静力分析步骤 …………112

7.2.1　设置分析类型 ……………112

7.2.2　选择单元类型 ……………113

7.2.3　添加材料属性 ……………113

7.2.4　建立几何模型 ……114

7.2.5　划分网格 ……………115

7.2.6　添加约束和载荷 …………116

7.2.7　输出选项的设定 ……117

7.2.8　求解 ………………118

7.2.9　查看结果…119

7.3　高速旋转齿轮静力分析实例 ……119

7.4　本章小结……139

思考与练习 …………………139

第8章　模态分析 ……………140

8.1　模态分析简介 …………140

8.1.1　模态分析概述 ……………140

8.1.2　模态分析基础 ……………140

8.2　模态计算方法 …………142

8.3　模态分析基本流程 ……144

8.4　飞机机翼模态分析实例 ……148

8.4.1　问题描述 ……………148

8.4.2　分析步骤 ……………149

8.4.3　命令流模式 …………156

8.5　本章小结 ………………157

思考与练习 …………………157

第9章　谐响应分析 …………158

9.1　谐响应分析简介 ……………158

9.1.1　谐响应分析理论概述 ……158

9.1.2　谐响应分析的求解方法 ………159

9.2　谐响应分析的基本步骤 ……160

9.2.1　建立模型 ……………161

9.2.2　加载和求解 …………161

9.2.3　观察模型 ……………165

9.3汽车悬架系统的谐响应分析实例…167

9.3.1　问题描述 ……………167

9.3.2　分析步骤 ……………167

9.3.3　命令流模式 …………174

9.4　本章小结 ………………175

思考与练习 …………………175

第10章　瞬态动力学分析 …………176

10 .1　瞬态动力学分析的基本概念 …176

10 .2　瞬态动力学分析方法 ……176

10 .3　瞬态动力学分析的基本步骤 …178

10 .4　哥伦布阻尼的自由振动分析实例 ……187

10 .4.1　问题描述 …………188

10 .4.2　哥伦布阻尼弹簧自由振动分析…188

10 .4.3　哥伦布阻尼自由振动分析命令流…196

10 .5　本章小结 ……………197

思考与练习 …………………197

第11章　接触分析 ……………198

11 .1　接触类型及接触单元简介 …198

11 .2　面－面接触分析 …………199

11 .2.1　建立几何模型并划分网格…199

11 .2.2　识别接触对 ……………199

11 .2.3　指定接触面和目标面 ……200

11 .2.4　定义目标面 ……………201

11 .2.5　定义柔体接触面……204

11 .2.6　接触面和目标面的几何修正 …206

11 .2.7　设置实常数和单元关键字 ……207

11 .2.8　控制刚性目标面的运动 ………224

11 .2.9　定义求解和载荷步选项 ………225

11 .2.10　求解………225

11 .2.11　观察结果 ……225

11 .3　套管过盈装配分析实例 …226

11 .4　本章小结 ……………236

思考与练习 …………………236

第12章　非线性分析 …………237

12 .1　非线性分析简介 …………237

12 .2　非线性分析的方程求解 ………241

12 .3　非线性静态分析步骤 ……242

12 .4　非线性瞬态分析步骤 ……251

12 .5　弹塑性圆板非线性分析实例 …252

12 .6　本章小结 ……………265

思考与练习 …………………265

第13章　热分析 ………………266

13 .1　热分析基础理论 …266

13 .1.1　热分析的有限元控制方程 ……266

13 .1.2　热分析的求解 ………269

13 .2　稳态热分析 …………270

13 .2.1　建立有限元模型 …………270

13 .2.2　激活稳态热分析 …………271

13 .2.3　设置分析选项 ……………271

13 .2.4　定义载荷 …………273

13 .2.5　定义载荷步选项 …………274

13 .2.6　求解 ………………276

13 .2.7　后处理 ……………276

13 .3　瞬态热分析 …………277

13 .3.1　建立有限元模型 …………277

13 .3.2　激活瞬态热分析……277

13 .3.3　建立初始条件 ……………278

13 .3.4　设置载荷步选项 …279

13 .3.5　设置非线性选项 …………281

13 .3.6　后处理 ……282

13 .4　热应力分析 …………283

13 .4.1　热应力分析分类 …………283

13 .4.2　间接法进行热应力分析的步骤 …283

13 .5　热分析应用实例…284

13 .5.1　中空长圆筒稳态热分析实例 …284

13 .5.2　中空长圆筒热应力分析实例 …285

13 .5.3　铜块冷却瞬态热分析实例 ……286

13 .6　本章小结 ……………293

思考与练习 …………………293

参考文献 …………………2942100433B

《有限元分析及ANSYS 18.0工程应用》介绍了有限元法理论及ANSYS 软件在有限元分析中的应用。全书主要内容包括： 有限元法与ANSYS简介、有限元法理论、ANSYS几何建模、ANSYS网格划分、ANSYS加载及求解、ANSYS结果后处理、结构静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、非线性分析、接触分析和热分析等内容。 《有限元分析及ANSYS 18.0工程应用》可作为工程力学专业和机械工程专业本科生的专业课教材， 可作为机械设计制造及其自动化、机械设计及理论、机械电子工程等专业高年级本科生、研究生教材， 也可作为高等职业学校、高等专科学校、成人高等学校的机电一体化、数控技术及应用、机械制造及自动化等专业的教材， 还可作为相关工程技术人员的参考资料或培训教材。

随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。2100433B

《ANSYS有限元分析工程应用实例教程》共计11章，以结构分析为主，包括静力分析、材料非线性分析、接触非线性分析、几何非线性分析、优化分析、动力学分析、疲劳分析、复合材料等，同时也涉及了热分析。全面的理论基础与典型案例相结合是《ANSYS有限元分析工程应用实例教程》的显著特色，其中案例贴合实际，讲解精辟透彻，处理问题思路清晰，论述内容深入独到。

《ANSYS有限元分析工程应用实例教程》可作为土木工程领域研究人员和结构计算分析人员学习ANSYS的教材，也可供机械、航空航天、能源、交通运输、水利、电子、地矿、生物医学等众多领域从业技术人员作为使用ANSYS的参考书。ANSYS是国际流行的大型通用有限元分析软件，是目前最有影响力的有限元软件之一。其融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体，涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木工程、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域。

第1篇 有限元分析的基本原理

第1章 绪论

1.1 概况

1.2 有限元方法的历史

1.3 有限元分析的内容和作用

第2章 有限元分析的力学基础

2.1 变形体的描述、变量定义、分量表达与指标记法

2.2 弹性体的基本假设

2.3 平面问题的基本力学方程（分量形式，指标形式）

2.4 空间问题的基本力学方程（分量形式，指标形式）

2.5 弹性问题中的能量表示

2.6 特殊问题的讨论

2.7 典型例题及详解

2.8 本章要点及参考内容

2.9 习题

第3章 有限元分析的数学求解原理

3.1 简单问题的解析求解

3.2 弹性力学问题近似求解的加权残值法

3.3 弹性问题近似求解的虚功原理、最小势能原理及其变分基础

3.4 各种求解方法的特点及比较

3.5 典型例题及详解

3.6 本章要点及参考内容

3.7 习题

第4章 杆梁结构有限元分析原理

4.1 有限元分析求解的完整过程

4.2 有限元分析的基本步骤及表达式

4.3 杆单元及其坐标变换

4.4 梁单元及其坐标变换

4.5 典型例题及详解

4.6 本章要点及参考内容

4.7 习题

第5章 连续体的有限元分析原理

5.1 连续体的离散过程及特征

5.2 平面问题的单元构造

5.3 轴对称问题及其单元结构

5.4 空间问题的单元的一般原理和数值积分

5.5 典型例题及详解

5.6 本章要点及参考内容

5.7 习题

第2篇 有限元分析的误差、复杂单元及应用领域

第6章 有限元分析 中的单元性质特征与误差处理

6.1 单元节点编号与存储带宽

6.2 形状函数矩阵与刚度矩阵的性质

6.3 边界条件的处理与支反力的计算

6.4 单元刚度阵的缩聚

6.5 位移函数构造与收敛性要求

6.6 C0型单元与C1型单元

6.7 单元的拼片试验

6.8 有限元分析数值解的精度与性质

6.9 单元应力计算结果的误差与平均处理

6.10 控制误差和提高精度的h方法和p方法

6.11 典型例题及详题

6.12 本章要点及参考内容

6.13 习题

第7章 有限元分析中的复杂单元及实现

第8章 有限元分析的应用领域

第3篇 有限元分析的建模、软件平台及实例

第9章 有限元分析的实现与建模

第10章 有限元分析的自主程序开发以及与ANSYS平台的衔接

第11章 基于ANSYS平台的有限元建模与分析

第12章 基于MARC平台的有限元建模与分析

参考文献

中文索引

英文索引