基本介紹
內容簡介,前言,目錄,
內容簡介
通過大量精心設計的具有實際工程套用背景的原創性分析實例，以圖形用戶界面及命令流兩種方式向讀者全面介紹ANSYS 12.0結構有限元分析方法及套用。可作為力學、土木、機械、航空、航天、船舶、水利、交通、橋樑等專業高年級本科生或研究生學習ANSYS 12.0有限元分析軟體的教材，也可供從事上述專業結構分析的工程技術人員參考使用。
本書主要包括以下 4 部分內容：ANSYS基礎，內容包括ANSYS 12.0結構有限元分析概述、幾何建模與格線劃分、施載入荷與求解過程、結果後處理、APDL程式語言；ANSYS結構有限元分析基本過程，內容包括桿繫結構有限元分析、梁繫結構有限元分析、板殼結構有限元分析、實體結構有限元分析；ANSYS高級分析實例詳解，內容包括結構動力學分析、結構非線性分析、結構穩定性分析；ANSYS工程套用實戰演練，內容包括ANSYS在複合材料結構中的套用、ANSYS在機械工程中的套用、ANSYS在土木工程中的套用。
本書內容全面新穎、實例原創豐富、講述循序漸進、套用領域廣泛，通過本書的學習，讀者可逐步提高自身的ANSYS操作水平以及利用有限元分析理論進行結構分析的能力，最終具備在結構分析領域解決實際工程問題的思路、方法和能力。
前言
目前，幾乎所有高校的力學、土木、機械、航空、航天、船舶、水利、交通、橋樑等理工科專業，都為高年級本科生開設了《有限元方法》基礎課程，為研究生開設了《非線性有限元方法》學位課程。學生在學習完有限元課程之後，還必須熟練掌握相關有限元軟體的使用，才能將有限元基本理論有效地套用到實際工程問題分析中去。為此，部分有條件的高校也開設了有限元軟體套用課程（課程名稱可能會因學校及專業的不同而有所差異，但都是以講解有限元軟體ANSYS或其他軟體為主）。哈爾濱工業大學航天學院工程力學專業20世紀90年代末即開設了該類課程《套用軟體工程——ANSYS》，作者從2003年開始接手講授該門課程。雖然市面上的ANSYS書籍很多，但卻難以找出一本非常適合做教材的書籍，因此作者參考多本書籍自主編寫了校內講稿。經過6年多的試用，目前已基本成型，現將多年的校內講稿和心得體會完善成書，以期與開設該類課程的兄弟院校分享、共勉，同時也供從事相關科研與工程項目的人員參考閱讀。
ANSYS軟體是目前國際上最著名的大型通用有限元分析軟體，經過三十年的發展，已形成融結構、熱、流體、電磁、聲學及多物理場耦合為一體的大型通用有限元分析軟體，廣泛套用於航空航天、石油、化工、汽車、造船、鐵道、電子、機械製造、地礦能源、水利、核能、生物、醫學、土木工程、輕工、一般工業及科學研究等各個領域，其極強的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題。作為世界最具權威的有限元產品和工業化分析標準，目前幾乎所有的CAD/CAE/CAM軟體都競相開發了與ANSYS的專用接口，實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。ANSYS軟體在Linux和Windows下均有版本，並同時有32位和64位版本，目前最新的版本為12.0。
本書以ANSYS 12.0版本為依據，以Windows NT為操作平台，將結構有限元分析的基本理論與ANSYS實踐操作緊密結合，通過大量精心篩選的具有實際工程套用背景的原創性分析實例，以圖形用戶界面和命令流兩種方式向讀者全面介紹了ANSYS結構有限元分析方法。
導讀
本書在內容組織上分為4部分，共15章內容，知識點循序漸進、由淺入深，具體安排如下。
第1部分 ANSYS基礎
第1部分包括第1章至第5章，內容分別為ANSYS 12.0結構有限元分析概述、幾何建模與格線劃分、施載入荷與求解過程、結果後處理、APDL程式語言。該部分對ANSYS程式的基本功能、操作過程和程式語言進行了深入細緻的討論，不單純局限於選單操作，而是結合實例進行講解，內容生動。該部分適合於渴望入門的新手學習，作為入門教材參考使用。
第2部分 ANSYS結構有限元分析基本過程
第2部分包括第6章至第9章，內容分別為ANSYS桿系結構有限元分析、ANSYS梁繫結構有限元分析、ANSYS板殼結構有限元分析、ANSYS實體結構有限元分析。該部分按照常規有限元書籍的書寫順序，從桿梁一維結構到板殼二維結構，最後到實體三維結構，每章列舉2個典型的工程實例，以實例驅動方式進行結構有限元分析基本過程的講解，令讀者記憶深刻。該部分適合於具有一定基礎的高年級本科生作為《套用軟體工程——ANSYS》的教材參考使用。
第3部分 ANSYS高級分析實例詳解
第3部分包括第10章至第12章，內容分別為ANSYS結構動力學分析、ANSYS結構非線性分析和ANSYS結構穩定性分析。該部分介紹了結構分析中經常用到的高級分析專題，每章列舉2個典型的工程實例，同時介紹了每個專題的基本概念和具體操作過程。該部分適合於具有較高基礎的研究生作為《高等結構動力學》、《非線性有限元》課程的補充教材參考使用。
第4部分 ANSYS工程套用實戰演練
第4部分包括第13章至第15章，內容分別為ANSYS在複合材料結構中的套用、ANSYS在機械工程中的套用和ANSYS在土木工程中的套用。該部分覆蓋了結構有限元分析最常套用的領域，即材料、機械和土木工程。其中，複合材料領域列舉了2個典型工程實例，機械工程領域和土木工程領域分別列舉了4個典型工程實例。該部分中所有的實例均為作者多年來曾經設計過的一些實際工程，具有典型的代表意義，可以幫助讀者將ANSYS結構有限元分析方法融會貫通。該部分適合於希望解決實際工程問題的高級用戶和希望在有限元結構分析領域提升職業競爭力的讀者參考使用。
相信通過本書的學習，讀者定能迅速地提高自身的ANSYS操作水平，打好利用有限元分析理論進行結構分析的功底，從而具備在結構分析領域解決實際工程問題的能力。
特色
專注結構分析領域——為避免內容大而泛的弊端，本書將重點放於結構分析領域，選擇材料、機械、土木3個熱點套用領域進行詳細講解，本書的工程套用實戰演練部分覆蓋了上述各個領域中的典型套用，工程實例都是從作者的實際工程及科研項目中提煉出來的，具有非常重要的參考價值。
知識點循序漸進——本書在章節安排上由淺入深、層次分明，讀者可以從基礎部分入門，再通過結構有限元分析基本過程部分掌握結構靜力學有限元分析的基本技能，然後通過高級分析實例詳解部分提升高級分析的實際套用能力，最後通過工程套用實戰演練部分提高分析解決實際工程問題的能力。讀者可以一氣呵成地完成從入門級到專業級的蛻變過程。
圖形用戶界面與命令流並行——每章的實例詳解部分都是通過圖形用戶界面（GUI）和命令流兩種方式為讀者進行了詳細的講解，讓讀者在熟悉圖形用戶界面操作的同時，也掌握命令流操作的基本方法，極大地豐富讀者的分析手段，提高工作效率，提升高級分析的能力。
增加“提示”及“注意”段落——在通過圖形用戶界面講解具體操作的過程中，增加了很多“提示”和“注意”段落，“提示”可以在適當地方給讀者一些提示，使讀者能迅速理解作者的分析思路及意圖，“注意”可以在容易出現問題的地方及時提醒讀者注意，避免讀者犯一些易犯錯誤，為讀者節省寶貴時間。
光碟內容豐富且配備習題——購買本書還贈送一張精彩實用的光碟，其中包括每章實例詳解例題的資料庫檔案和命令流檔案，讀者可以從光碟中直接讀取檔案並進行相應分析，以最直接的方式快速掌握ANSYS軟體。光碟中還配備了每章的習題，讀者可以親自動手測試一下自己對知識點的掌握程度。通過對習題的操作練習，對各章知識進行系統的回顧，進而舉一反三、觸類旁通。
約定
為了便於讀者閱讀理解，本書作如下約定：
本書用“→”表示上下級選單或命令的關聯，例如Utility Menu→File→Save as，表示選擇通用選單中的File選單，執行其中的Save as命令；又如Main Menu→Preprocessor→ Material Props→Material Models，表示在主選單中依次選擇Preprocessor、Material Props、Material Models命令，最後出現Define Material Model Behavior對話框，其他依此類推。
在沒有特別說明時，“單擊”、“雙擊”表示用滑鼠左鍵單擊、雙擊。
命令流中“！”後面的中文為解釋說明部分，讀者在使用命令流過程中不必輸入。但讀者在日後自己編程時，應養成良好習慣，在關鍵步驟後面加上註解，以便後續的解讀。
讀者
本書非常適合於作為力學、土木、機械、航空、航天、船舶、水利、交通、橋樑等相關專業高年級本科生或研究生學習《套用軟體工程——ANSYS》的主要參考書。對於從事結構分析的工程技術人員，本書也是很有價值的參考資料。
致謝
本書由哈爾濱工業大學航天學院劉偉、高維成、於廣濱主編，由哈爾濱理工大學賴一楠教授擔任本書的主審。多年以來，作者一直從事哈爾濱工業大學工程力學專業《套用軟體工程——ANSYS》課程的教學工作，具有豐富的教學經驗；同時作者也使用ANSYS軟體進行科研、設計工作，完成了許多實際工程問題的仿真計算，具有深厚的有限元理論背景，對ANSYS軟體的使用也有較深的造詣。參加編寫和錄入工作的還有張榮、金向陽、於岩磊、程翔、劉一志、牛瑞濤、王兆敏、馬勝強、李小樂、徐一軒、周松官、於舒春等，在此一併表示深深的感謝。此外，還要感謝電子工業出版社編輯人員的大力支持，正是他們辛勤的勞動和辛苦的付出，才使得本書能夠在第一時間出版。對於在創作過程中一如既往給予關心支持的親密愛人表示最真摯的感謝。
由於時間倉促且作者的水平有限，書中缺點和錯誤在所難免，懇請專家和廣大讀者批評指正，同時也歡迎業內人士來電來函共同探討。
目錄
第1部分 ANSYS基礎 1
第1章 ANSYS 12.0結構有限元分析概述 2
1.1 ANSYS 12.0軟體介紹 2
1.1.1 ANSYS發展過程 3
1.1.2 ANSYS軟體功能介紹 3
1.1.3 ANSYS 12.0的創新之處 6
1.2 ANSYS 12.0的啟動與退出 9
1.2.1 ANSYS 12.0的啟動 9
1.2.2 ANSYS 12.0的退出 11
1.3 ANSYS 12.0操作界面與常用選單 12
1.3.1 ANSYS 12.0操作界面及輸出視窗 12
1.3.2 ANSYS 12.0套用選單 13
1.3.3 ANSYS 12.0主選單 13
1.3.4 ANSYS 12.0其他視窗 14
1.3.5 ANSYS 12.0對話框 14
1.3.6 ANSYS 12.0幫助選單 14
1.4 ANSYS 12.0檔案系統與檔案操作 16
1.4.1 ANSYS檔案類型 16
1.4.2 ANSYS檔案的存儲與恢復 19
1.4.3 讀入ANSYS檔案 19
1.4.4 寫出ANSYS檔案 20
1.4.5 導入導出幾何檔案 21
1.5 ANSYS 12.0結構有限元分析 21
1.5.1 有限元分析的基本思想 21
1.5.2 ANSYS 12.0結構有限元分析概述 22
1.5.3 ANSYS 12.0結構有限元分析過程 22
1.6 ANSYS結構有限元分析初體驗：兩桿桁架靜力分析 25
1.6.1 問題描述與分析 25
1.6.2 求解過程 26
1.7 小結 34
第2章 幾何建模與格線劃分 35
2.1 有限元模型建立概述 35
2.1.1 典型步驟 35
2.1.2 基本方法 36
2.2 ANSYS坐標系與工作平面 37
2.2.1 坐標系及操作 37
2.2.2 工作平面及使用 41
2.3 自底向上建模 44
2.3.1 定義關鍵點及操作 45
2.3.2 定義線及操作 46
2.3.3 定義面及操作 47
2.3.4 定義體及操作 48
2.4 自頂向下建模 48
2.4.1 面對象的建立 48
2.4.2 體對象的建立 51
2.5 布爾運算與模型修改 54
2.5.1 布爾運算 54
2.5.2 模型修改 56
2.6 格線屬性與劃分控制 58
2.6.1 定義單元類型及屬性 58
2.6.2 格線劃分工具 59
2.6.3 Smartsize格線劃分控制 61
2.6.4 尺寸與形狀控制 62
2.7 自由格線與映射格線 64
2.7.1 自由格線劃分 65
2.7.2 映射格線劃分 66
2.8 小結 69
第3章 施載入荷與求解過程 70
3.1 載荷與載荷步 70
3.1.1 載荷的分類 70
3.1.2 載荷步、子步與平衡疊代 71
3.1.3 跟蹤中時間的作用 72
3.1.4 階躍載荷與斜坡載荷 72
3.2 載荷的施加 73
3.2.1 位移約束 73
3.2.2 集中載荷 79
3.2.3 表面載荷 82
3.2.4 體載荷 87
3.3 載荷步選項與多步載荷的創建 89
3.3.1 載荷步選項 89
3.3.2 創建多載荷步 91
3.4 求解 92
3.4.1 求解器選擇 93
3.4.2 求解 94
3.5 小結 97
第4章 結果後處理 98
4.1 後處理求解器簡介 98
4.2 通用後處理器（POST1） 99
4.2.1 圖形顯示結果 100
4.2.2 單元表 106
4.2.3 列表顯示結果 107
4.2.4 路徑操作 110
4.2.5 動畫顯示結果 113
4.2.6 載荷工況 115
4.2.7 通用後處理器的其他套用 117
4.3 時間歷程後處理器（POST26） 119
4.3.1 變數定義與存儲 120
4.3.2 變數操作與查看 122
4.3.3 結果圖形顯示與列表 123
4.4 小結 127
第5章 APDL程式語言 128
5.1 APDL語言概述 128
5.2 參數與變數參數的用法 129
5.2.1 參數與變數參數的命名規則 129
5.2.2 變數參數的使用方法 130
5.3 數組參數的用法 139
5.3.1 數組參數概述 139
5.3.2 數組參數的定義 140
5.3.3 數組參數的賦值 141
5.3.4 數組參數的運算 147
5.3.5 矢量和矩陣運算設定 152
5.4 APDL程式結構 153
5.4.1 子程式調用（宏嵌套） 154
5.4.2 無條件分支*GO 154
5.4.3 條件分支*IF 155
5.4.4 重複執行一個命令*REPEAT 156
5.4.5 循環命令*DO 157
5.4.6 控制函式列表 157
5.5 宏檔案 158
5.5.1 宏的創建 159
5.5.2 宏的使用 161
5.5.3 局部變數 163
5.6 小結 164
第2部分 ANSYS結構有限元分析基本過程 165
第6章 ANSYS桿繫結構有限元分析 166
6.1 桿繫結構有限元分析基本過程 166
6.1.1 基本假定 167
6.1.2 單元剛度矩陣 167
6.1.3 結構總剛度矩陣 169
6.1.4 邊界條件 169
6.1.5 桿件內力 169
6.2 ANSYS中提供的桿單元簡介 169
6.2.1 LINK1單元特性簡介 170
6.2.2 LINK8單元特性簡介 172
6.2.3 LINK10單元特性簡介 173
6.3 桿系結構有限元分析實例詳解1：傳輸塔架的靜力分析 175
6.3.1 問題描述與分析 175
6.3.2 求解過程 176
6.4 桿系結構有限元分析實例詳解2：立體桁架的靜力分析 188
6.4.1 問題描述與分析 188
6.4.2 求解過程 189
6.4.3 命令流 201
6.5 小結 205
第7章 ANSYS梁繫結構有限元分析 206
7.1 梁繫結構有限元分析基本過程 206
7.1.1 基本假定 206
7.1.2 單元剛度矩陣 206
7.1.3 結構總體剛度矩陣 208
7.1.4 邊界條件及求解 208
7.1.5 空間梁繫結構的單元剛度矩陣及坐標變換矩陣 209
7.2 ANSYS中提供的梁單元簡介 209
7.2.1 BEAM3單元特性簡介 210
7.2.2 BEAM4單元特性簡介 213
7.2.3 BEAM188和BEAM189單元特性簡介 219
7.3 梁系結構有限元分析實例詳解1：多跨連續梁靜力分析 219
7.3.1 問題描述與分析 220
7.3.2 求解過程 220
7.3.3 命令流 236
7.4.1 問題描述與分析 238
7.4.2 求解過程 238
7.4.3 命令流 253
7.5 小結 255
第8章 ANSYS板殼結構有限元分析 256
8.1 板殼結構有限元分析基本過程 256
8.1.1 彈性平面問題有限元分析基本思想 256
8.1.2 平面問題的離散化過程 257
8.1.3 單元剛度分析和結構整體分析 258
8.2 ANSYS中提供的板殼單元簡介 258
8.2.1 PLANE42單元特性簡介 258
8.2.2 PLANE82單元特性簡介 261
8.2.3 SHELL63單元特性簡介 262
8.2.4 SHELL93單元特性簡介 262
8.3 板結構有限元分析實例詳解1：帶孔平板結構靜力分析 265
8.3.1 問題描述與分析 265
8.3.2 求解過程 265
8.3.3 命令流 277
8.4 殼結構有限元分析實例詳解2：混凝土圓柱殼結構靜力分析 277
8.4.1 問題描述與分析 277
8.4.2 求解過程 278
8.4.3 命令流 290
8.5 小結 291
第9章 ANSYS實體結構有限元分析 292
9.1 實體結構有限元分析基本過程 292
9.1.1 格線劃分 292
9.1.2 單元分析 293
9.1.3 整體分析 293
9.2 ANSYS中提供的實體單元簡介 294
9.2.1 SOLID45單元特性簡介 294
9.2.2 SOLID65單元特性簡介 294
9.2.3 SOLID92單元特性簡介 295
9.3.1 問題描述與分析 296
9.3.2 求解過程 297
9.4 實體結構有限元分析實例詳解2：軸承座的靜力分析 313
9.4.1 問題描述與分析 313
9.4.2 求解過程 314
9.5 小結 336
第3部分 ANSYS高級分析實例詳解 337
第10章 ANSYS結構動力學分析 338
10.1 結構動力學分析概述 338
10.2 模態分析及實例詳解 339
10.2.1 模態分析理論的基本假設 339
10.2.2 模態分析方法 339
10.2.3 模態分析過程 340
10.2.4 模態分析實例詳解：立體桁架結構模態分析 343
10.3 諧回響分析及實例詳解 355
10.3.1 諧回響分析的定義及套用 355
10.3.2 諧回響分析方法 356
10.3.3 諧回響分析步驟 357
10.3.4 諧回響分析實例詳解：兩自由度系統諧回響分析 359
10.4 瞬態分析及實例詳解 367
10.4.1 瞬態分析的含義和套用 367
10.4.2 瞬態分析求解方法 368
10.4.3 瞬態分析求解步驟 369
10.4.4 瞬態分析實例：移動載荷作用下斜拉懸臂樑結構的瞬態回響分析 370
10.5 譜分析及實例詳解 377
10.5.1 譜分析的含義和套用 377
10.5.2 譜分析的類型及方法 377
10.5.3 回響譜分析 378
10.5.4 譜分析實例：地震位移譜作用下三角平台結構回響分析 380
10.6 小結 389
第11章 ANSYS結構非線性分析 390
11.1 結構非線性分析的基本過程 390
11.1.1 結構非線性分析概述 390
11.1.2 幾何非線性 391
11.1.3 材料非線性 391
11.1.4 狀態非線性 391
11.1.5 非線性分析在ANSYS中的實現 392
11.1.6 非線性分析的基本過程 393
11.2 幾何非線性有限元分析實例詳解1：細長桿失穩分析 396
11.2.1 問題描述 396
11.2.2 問題分析 396
11.2.3 求解步驟 397
11.2.4 命令流 406
11.3 材料非線性有限元分析實例詳解：橡膠圓筒受壓分析 407
11.3.1 問題描述 408
11.3.2 問題分析 408
11.3.3 求解步驟 408
11.3.4 命令流 417
11.4 小結 418
第12章 ANSYS結構穩定性分析 419
12.1 結構穩定性分析的基本概念 419
12.1.1 特徵值屈曲分析 419
12.1.2 非線性屈曲分析 420
12.2 實例詳解1：懸臂樑受壓線性屈曲分析 420
12.2.1 問題描述與分析 420
12.2.2 求解過程（GUI方法） 421
12.2.3 命令流 429
12.3 實例詳解2：複合材料圓柱殼非線性屈曲分析 430
12.3.1 問題描述與分析 430
12.3.2 求解過程（GUI方法） 430
12.3.3 命令流 440
12.4 小結 442
第4部分 ANSYS工程套用實戰演練 443
第13章 ANSYS在複合材料結構中的套用 444
13.1 ANSYS中提供的複合材料單元簡介 444
13.1.1 SHELL99——線性層狀結構殼單元 444
13.1.2 SHELL91——非線性層狀結構殼單元 444
13.1.3 SHELL181——有限應變殼單元 445
13.1.4 SOLID46——三維層狀結構體單元 445
13.1.5 SOLID191——層狀結構體單元 445
13.1.6 其他可用於複合材料分析的單元 445
13.2 複合材料結構有限元分析基本過程 446
13.2.1 定義材料的疊層結構 446
13.2.2 定義失效準則 449
13.2.3 建模和後處理規則 449
13.3 複合材料結構分析實例詳解1：複合材料梁彎曲分析 451
13.3.1 問題描述與分析 451
13.3.2 GUI圖形化求解過程 452
13.3.3 APDL命令流求解過程 462
13.4 複合材料結構分析實例詳解2：複合材料四邊簡支板模態分析 464
13.4.1 問題描述與分析 464
13.4.2 GUI圖形化求解過程 465
13.4.3 命令流 474
13.5 小結 475
第14章 ANSYS在機械工程中的套用 476
14.1 有限元分析實例詳解1：扳手的靜力分析 477
14.1.1 問題描述與分析 477
14.1.2 求解過程 477
14.1.3 命令流 487
14.2 有限元分析實例詳解2：殼體零件的靜力分析 489
14.2.1 問題描述與分析 490
14.2.2 求解過程 490
14.3 有限元分析實例詳解3：支架零件模態分析 495
14.3.1 問題描述與分析 495
14.3.2 求解過程 496
14.4 有限元分析實例詳解4：電機支架的拓撲結構最佳化設計 502
14.4.1 問題描述與分析 502
14.4.2 電機支架拓撲結構最佳化設計 502
14.4.3 最佳化後電機支架的靜力分析 506
14.5 小結 511
第15章 ANSYS在土木工程中的套用 512
15.1 實例詳解1：橢圓型雙層網殼結構靜力分析 512
15.1.1 問題描述與分析 512
15.1.2 求解過程 513
15.1.3 命令流 522
15.2 實例詳解2：空間張弦梁結構設計分析 525
15.2.1 問題描述與分析 525
15.2.2 求解過程 525
15.2.3 命令流 539
15.3 實例詳解3：空腹梁樓蓋組合結構模態分析 544
15.3.1 問題描述與分析 544
15.3.2 求解過程 544
15.3.3 命令流 553
15.4 實例詳解4：懸鏈面薄膜結構找形分析 555
15.4.1 問題描述與分析 556
15.4.2 求解過程 558
15.4.3 命令流 566
15.5 小結 567
附錄A ANSYS結構分析常用命令參考 568
附錄B ANSYS結構分析常用單元總結 586
參考文獻 587
