有限元分析及ANSYS18.0工程應(yīng)用

前言

第1章　有限元法與ANSYS簡(jiǎn)介 ………1

1.1　有限元法概述 ……………………1

1.1.1　有限元法發(fā)展歷史 ………………1

1.1.2　有限元法基本思想 ………………2

1.2　有限元分析步驟 ……………………4

1.3　ANSYS簡(jiǎn)介及分析步驟 …………6

1.3.1　ANSYS功能及模塊簡(jiǎn)介 …………6

1.3.2　ANSYS分析步驟 …………………9

1.4　本章小結(jié) …………………………10

思考與練習(xí) ………………………………10

第2章　有限元法理論 ………………11

2.1　彈性力學(xué)基礎(chǔ) ……………………11

2.1.1　彈性力學(xué)的基本概念 ……………11

2.1.2　彈性力學(xué)的基本方程 ……………13

2.1.3　彈性力學(xué)中的能量原理 …………15

2.2　平面問(wèn)題的有限元法 ……………16

2.3　軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的有限元法 …………25

2.4　三角形單元?jiǎng)偠扔?jì)算實(shí)例 ………26

2.5　本章小結(jié) …………………………27

思考與練習(xí) ………………………………27

第3章　ANSYS幾何建模 ………………28

3.1　坐標(biāo)系 ………………28

3.1.1　坐標(biāo)系簡(jiǎn)介 ……………………28

3.1.2　坐標(biāo)系定義 ……………………28

3.1.3　坐標(biāo)系的激活 …………………30

3.2　自底向上建模 ……………………31

3.2.1　關(guān)鍵點(diǎn) …………………………31

3.2.2　線 ………………………………32

3.2.3　面 ………………………………34

3.2.4　體 ………………………………35

3.3　自頂向下建模 ……………………36

3.3.1　定義面 …………………………37

3.3.2　定義體 …………………………37

3.4　布爾操作 …………………………38

3.4.1　交運(yùn)算 …………………………38

3.4.2　加運(yùn)算 …………………………39

3.4.3　減運(yùn)算 …………………40

3.4.4　分割運(yùn)算 ……………41

3.4.5　分類(lèi)運(yùn)算 ………………41

3.4.6　搭接運(yùn)算 ………………41

3.4.7　粘接 …………………42

3.5　導(dǎo)入CAD模型 ……42

3.6　連接板建模實(shí)例 ………43

3.7　聯(lián)軸器建模實(shí)例 ………46

3.8　本章小結(jié) ………51

思考與練習(xí) ………………51

第4章　ANSYS網(wǎng)格劃分 ……52

4.1　網(wǎng)格劃分概述 …………52

4.2　單元類(lèi)型 ……………52

4.2.1　桿單元 ………………53

4.2.2　梁?jiǎn)卧?……………54

4.2.3　二維實(shí)體單元 …………55

4.2.4　殼單元 …………………56

4.2.5　三維實(shí)體單元 …………57

4.3　網(wǎng)格劃分 ………………59

4.3.1　單元?jiǎng)澐只具^(guò)程 ……59

4.3.2　選擇網(wǎng)格劃分方法 ……60

4.3.3　分配單元屬性 ………63

4.3.4　網(wǎng)格劃分工具 …………64

4.3.5　網(wǎng)格尺寸控制 ………65

4.3.6　MESH生成網(wǎng)格 ……65

4.3.7　檢查網(wǎng)格 …………67

4.3.8　修改網(wǎng)格 ……………69

4.4三維支架網(wǎng)格劃分實(shí)例 …73

4.5　本章小結(jié) ……………75

思考與練習(xí) ………………75

第5章ANSYS加載及求解 …76

5.1　載荷介紹 ……………76

5.2　載荷類(lèi)型 …………………………76

5.2.1　自由度約束 ……………76

5.2.2　集中力載荷 …………77

5.2.3　面載荷 ………………78

5.2.4　體載荷 ………………79

5.2.5　慣性載荷 ……………79

5.2.6　耦合場(chǎng)載荷 …………80

5.3　多載荷步求解 …………80

5.3.1　多重求解法 …………80

5.3.2　使用載荷步文件法 …………80

5.4　ANSYS求解方法 ……………81

5.4.1　直接求解法 …………81

5.4.2　稀疏矩陣直接解法求解器 ………82

5.4.3　雅克比共軛梯度法求解器 ………82

5.4.4　不完全分解共軛梯度法求解器 …82

5.4.5　預(yù)條件共軛梯度法求解器 ………83

5.4.6　自動(dòng)迭代法求解器 …………83

5.4.7　不完全喬里斯基共軛梯度法求解器 ……84

5.4.8　二次最小殘差求解器 ………84

5.5　利用特定的求解控制器來(lái)指定求解類(lèi)型 …84

5.5.1　“AbridgedSolution”菜單選項(xiàng) ……84

5.5.2　使用“SolutionControls”對(duì)話框…84

5.6　重新啟動(dòng)分析 …………86

5.7　求解分析 ………………86

5.8　本章小結(jié) ………………87

思考與練習(xí) ………………88

第6章　ANSYS結(jié)果后處理 ………89

6.1　后處理概述 ……………89

6.2　通用后處理器（POST1） ………89

6.2.1　數(shù)據(jù)類(lèi)型 ……………89

6.2.2　查看結(jié)果匯總 ……………90

6.2.3　讀入結(jié)果 ……………90

6.2.4　圖形顯示結(jié)果 ……………92

6.2.5　列表顯示結(jié)果 ……………94

6.2.6　查詢(xún)結(jié)果 ……………101

6.2.7　輸出選項(xiàng) ……………102

6.3　時(shí)間歷程后處理器 …………103

6.3.1　時(shí)間歷程變量觀察器 ……103

6.3.2　進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器 ………105

6.3.3　定義變量 ……………105

6.3.4　處理變量并進(jìn)行計(jì)算 ………106

6.3.5　變量的評(píng)價(jià) ………106

6.3.6　POST26的其他功能 ……107

6.4　內(nèi)六角扳手后處理操作實(shí)例 …107

6.4.1　通用后處理 …………108

6.4.2　時(shí)間歷程后處理 …………110

6.5　本章小結(jié) ………………111

思考與練習(xí) …………………111

第7章　結(jié)構(gòu)靜力分析 ……………112

7.1　結(jié)構(gòu)靜力分析的基本概念 ……112

7.2　結(jié)構(gòu)靜力分析步驟 …………112

7.2.1　設(shè)置分析類(lèi)型 ……………112

7.2.2　選擇單元類(lèi)型 ……………113

7.2.3　添加材料屬性 ……………113

7.2.4　建立幾何模型 ……114

7.2.5　劃分網(wǎng)格 ……………115

7.2.6　添加約束和載荷 …………116

7.2.7　輸出選項(xiàng)的設(shè)定 ……117

7.2.8　求解 ………………118

7.2.9　查看結(jié)果…119

7.3　高速旋轉(zhuǎn)齒輪靜力分析實(shí)例 ……119

7.4　本章小結(jié)……139

思考與練習(xí) …………………139

第8章　模態(tài)分析 ……………140

8.1　模態(tài)分析簡(jiǎn)介 …………140

8.1.1　模態(tài)分析概述 ……………140

8.1.2　模態(tài)分析基礎(chǔ) ……………140

8.2　模態(tài)計(jì)算方法 …………142

8.3　模態(tài)分析基本流程 ……144

8.4　飛機(jī)機(jī)翼模態(tài)分析實(shí)例 ……148

8.4.1　問(wèn)題描述 ……………148

8.4.2　分析步驟 ……………149

8.4.3　命令流模式 …………156

8.5　本章小結(jié) ………………157

思考與練習(xí) …………………157

第9章　諧響應(yīng)分析 …………158

9.1　諧響應(yīng)分析簡(jiǎn)介 ……………158

9.1.1　諧響應(yīng)分析理論概述 ……158

9.1.2　諧響應(yīng)分析的求解方法 ………159

9.2　諧響應(yīng)分析的基本步驟 ……160

9.2.1　建立模型 ……………161

9.2.2　加載和求解 …………161

9.2.3　觀察模型 ……………165

9.3汽車(chē)懸架系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析實(shí)例…167

9.3.1　問(wèn)題描述 ……………167

9.3.2　分析步驟 ……………167

9.3.3　命令流模式 …………174

9.4　本章小結(jié) ………………175

思考與練習(xí) …………………175

第10章　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 …………176

10 .1　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的基本概念 …176

10 .2　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法 ……176

10 .3　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的基本步驟 …178

10 .4　哥倫布阻尼的自由振動(dòng)分析實(shí)例 ……187

10 .4.1　問(wèn)題描述 …………188

10 .4.2　哥倫布阻尼彈簧自由振動(dòng)分析…188

10 .4.3　哥倫布阻尼自由振動(dòng)分析命令流…196

10 .5　本章小結(jié) ……………197

思考與練習(xí) …………………197

第11章　接觸分析 ……………198

11 .1　接觸類(lèi)型及接觸單元簡(jiǎn)介 …198

11 .2　面－面接觸分析 …………199

11 .2.1　建立幾何模型并劃分網(wǎng)格…199

11 .2.2　識(shí)別接觸對(duì) ……………199

11 .2.3　指定接觸面和目標(biāo)面 ……200

11 .2.4　定義目標(biāo)面 ……………201

11 .2.5　定義柔體接觸面……204

11 .2.6　接觸面和目標(biāo)面的幾何修正 …206

11 .2.7　設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵字 ……207

11 .2.8　控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng) ………224

11 .2.9　定義求解和載荷步選項(xiàng) ………225

11 .2.10　求解………225

11 .2.11　觀察結(jié)果 ……225

11 .3　套管過(guò)盈裝配分析實(shí)例 …226

11 .4　本章小結(jié) ……………236

思考與練習(xí) …………………236

第12章　非線性分析 …………237

12 .1　非線性分析簡(jiǎn)介 …………237

12 .2　非線性分析的方程求解 ………241

12 .3　非線性靜態(tài)分析步驟 ……242

12 .4　非線性瞬態(tài)分析步驟 ……251

12 .5　彈塑性圓板非線性分析實(shí)例 …252

12 .6　本章小結(jié) ……………265

思考與練習(xí) …………………265

第13章　熱分析 ………………266

13 .1　熱分析基礎(chǔ)理論 …266

13 .1.1　熱分析的有限元控制方程 ……266

13 .1.2　熱分析的求解 ………269

13 .2　穩(wěn)態(tài)熱分析 …………270

13 .2.1　建立有限元模型 …………270

13 .2.2　激活穩(wěn)態(tài)熱分析 …………271

13 .2.3　設(shè)置分析選項(xiàng) ……………271

13 .2.4　定義載荷 …………273

13 .2.5　定義載荷步選項(xiàng) …………274

13 .2.6　求解 ………………276

13 .2.7　后處理 ……………276

13 .3　瞬態(tài)熱分析 …………277

13 .3.1　建立有限元模型 …………277

13 .3.2　激活瞬態(tài)熱分析……277

13 .3.3　建立初始條件 ……………278

13 .3.4　設(shè)置載荷步選項(xiàng) …279

13 .3.5　設(shè)置非線性選項(xiàng) …………281

13 .3.6　后處理 ……282

13 .4　熱應(yīng)力分析 …………283

13 .4.1　熱應(yīng)力分析分類(lèi) …………283

13 .4.2　間接法進(jìn)行熱應(yīng)力分析的步驟 …283

13 .5　熱分析應(yīng)用實(shí)例…284

13 .5.1　中空長(zhǎng)圓筒穩(wěn)態(tài)熱分析實(shí)例 …284

13 .5.2　中空長(zhǎng)圓筒熱應(yīng)力分析實(shí)例 …285

13 .5.3　銅塊冷卻瞬態(tài)熱分析實(shí)例 ……286

13 .6　本章小結(jié) ……………293

思考與練習(xí) …………………293

參考文獻(xiàn) …………………2942100433B

《有限元分析及ANSYS 18.0工程應(yīng)用》介紹了有限元法理論及ANSYS 軟件在有限元分析中的應(yīng)用。全書(shū)主要內(nèi)容包括： 有限元法與ANSYS簡(jiǎn)介、有限元法理論、ANSYS幾何建模、ANSYS網(wǎng)格劃分、ANSYS加載及求解、ANSYS結(jié)果后處理、結(jié)構(gòu)靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、非線性分析、接觸分析和熱分析等內(nèi)容。 《有限元分析及ANSYS 18.0工程應(yīng)用》可作為工程力學(xué)專(zhuān)業(yè)和機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)本科生的專(zhuān)業(yè)課教材， 可作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械電子工程等專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生、研究生教材， 也可作為高等職業(yè)學(xué)校、高等專(zhuān)科學(xué)校、成人高等學(xué)校的機(jī)電一體化、數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用、機(jī)械制造及自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的教材， 還可作為相關(guān)工程技術(shù)人員的參考資料或培訓(xùn)教材。

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品更新周期愈來(lái)愈短，企業(yè)對(duì)新技術(shù)的需求更加迫切，而有限元數(shù)值模擬技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)有效手段，所以，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，有限元法在工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的重視和應(yīng)用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，從汽車(chē)到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車(chē)、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。2100433B

《ANSYS有限元分析工程應(yīng)用實(shí)例教程》共計(jì)11章，以結(jié)構(gòu)分析為主，包括靜力分析、材料非線性分析、接觸非線性分析、幾何非線性分析、優(yōu)化分析、動(dòng)力學(xué)分析、疲勞分析、復(fù)合材料等，同時(shí)也涉及了熱分析。全面的理論基礎(chǔ)與典型案例相結(jié)合是《ANSYS有限元分析工程應(yīng)用實(shí)例教程》的顯著特色，其中案例貼合實(shí)際，講解精辟透徹，處理問(wèn)題思路清晰，論述內(nèi)容深入獨(dú)到。

《ANSYS有限元分析工程應(yīng)用實(shí)例教程》可作為土木工程領(lǐng)域研究人員和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析人員學(xué)習(xí)ANSYS的教材，也可供機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域從業(yè)技術(shù)人員作為使用ANSYS的參考書(shū)。ANSYS是國(guó)際流行的大型通用有限元分析軟件，是目前最有影響力的有限元軟件之一。其融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體，涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木工程、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。

第1篇 有限元分析的基本原理

第1章 緒論

1.1 概況

1.2 有限元方法的歷史

1.3 有限元分析的內(nèi)容和作用

第2章 有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)

2.1 變形體的描述、變量定義、分量表達(dá)與指標(biāo)記法

2.2 彈性體的基本假設(shè)

2.3 平面問(wèn)題的基本力學(xué)方程（分量形式，指標(biāo)形式）

2.4 空間問(wèn)題的基本力學(xué)方程（分量形式，指標(biāo)形式）

2.5 彈性問(wèn)題中的能量表示

2.6 特殊問(wèn)題的討論

2.7 典型例題及詳解

2.8 本章要點(diǎn)及參考內(nèi)容

2.9 習(xí)題

第3章 有限元分析的數(shù)學(xué)求解原理

3.1 簡(jiǎn)單問(wèn)題的解析求解

3.2 彈性力學(xué)問(wèn)題近似求解的加權(quán)殘值法

3.3 彈性問(wèn)題近似求解的虛功原理、最小勢(shì)能原理及其變分基礎(chǔ)

3.4 各種求解方法的特點(diǎn)及比較

3.5 典型例題及詳解

3.6 本章要點(diǎn)及參考內(nèi)容

3.7 習(xí)題

第4章 桿梁結(jié)構(gòu)有限元分析原理

4.1 有限元分析求解的完整過(guò)程

4.2 有限元分析的基本步驟及表達(dá)式

4.3 桿單元及其坐標(biāo)變換

4.4 梁?jiǎn)卧捌渥鴺?biāo)變換

4.5 典型例題及詳解

4.6 本章要點(diǎn)及參考內(nèi)容

4.7 習(xí)題

第5章 連續(xù)體的有限元分析原理

5.1 連續(xù)體的離散過(guò)程及特征

5.2 平面問(wèn)題的單元構(gòu)造

5.3 軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題及其單元結(jié)構(gòu)

5.4 空間問(wèn)題的單元的一般原理和數(shù)值積分

5.5 典型例題及詳解

5.6 本章要點(diǎn)及參考內(nèi)容

5.7 習(xí)題

第2篇 有限元分析的誤差、復(fù)雜單元及應(yīng)用領(lǐng)域

第6章 有限元分析 中的單元性質(zhì)特征與誤差處理

6.1 單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)與存儲(chǔ)帶寬

6.2 形狀函數(shù)矩陣與剛度矩陣的性質(zhì)

6.3 邊界條件的處理與支反力的計(jì)算

6.4 單元?jiǎng)偠汝嚨目s聚

6.5 位移函數(shù)構(gòu)造與收斂性要求

6.6 C0型單元與C1型單元

6.7 單元的拼片試驗(yàn)

6.8 有限元分析數(shù)值解的精度與性質(zhì)

6.9 單元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的誤差與平均處理

6.10 控制誤差和提高精度的h方法和p方法

6.11 典型例題及詳題

6.12 本章要點(diǎn)及參考內(nèi)容

6.13 習(xí)題

第7章 有限元分析中的復(fù)雜單元及實(shí)現(xiàn)

第8章 有限元分析的應(yīng)用領(lǐng)域

第3篇 有限元分析的建模、軟件平臺(tái)及實(shí)例

第9章 有限元分析的實(shí)現(xiàn)與建模

第10章 有限元分析的自主程序開(kāi)發(fā)以及與ANSYS平臺(tái)的銜接

第11章 基于ANSYS平臺(tái)的有限元建模與分析

第12章 基于MARC平臺(tái)的有限元建模與分析

參考文獻(xiàn)

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