ANSYS18.2有限元分析與套用實例

內容簡介

本書在總結作者多年教學和工程經驗的基礎上，從使學習者快速入門並能夠解決實際問題的角度出發，介紹了有限單元法的基礎理論、ANSYS軟體的使用方法及其在機械工程領域的套用實例等。本書的中心是ANSYS軟體套用，其他內容圍繞該中心展開，目的是引領讀者從實際套用出發，由淺入深，采刪鑽逐漸掌握ANSYS軟體和有限單元法理論。力求使讀者能夠在較短時間內，既知其然，又知其所以然，真正掌握ANSYS軟體和有限元分析方法，並能將其靈活套用於實際問題中。全書包括80多個ANSYS軟體套用實例，每種分析類型都配備了入門實例和高級實例，並儘量涵蓋其在實際中的主要套用。每個實例都提供了操作命令流，為方便讀者學習，入門實例還介紹了GUI操作方法。本書可以作為高等院校機械、建築、力學類專業本科生和研究生的教科書，也可以作為工程技術人員學習有限單元法和ANSYS軟體的參考書。

圖書目錄

第1章　有限單元法基本概念民照匪1

1.1 引言1

1.2 有限單元法的基本原理2

1.2.1 結構離散化2

1.2.2 單元剛度矩陣2

1.2.3 結構總體剛度方程5

第2章　平面問題的有限單元法7

2.1 平面問題概述7

2.1.1 平面應力問題7

2.1.2 平面應變問題8

2.2 結構離散化9

2.3 位移函式10

2.3.1 位移函式的一般形式10

2.3.2 3節點三角形單元的位移函式11

2.3.3 形函式的性質12

2.3.4 位移函式與解的收斂性13

2.4 單元剛度矩陣14

2.4.1 3節點三角形單元的單元剛度矩陣14

2.4.2 單元剛度矩陣的性質16

2.5 載荷移置與等效節點載荷17

2.6 結構總體剛度方程18

2.6.1 結構總體剛度方程的建立19

2.6.2 形成結構總體剛度矩陣的方法21

2.6.3 結構總體剛度矩陣的性質22

2.7 位移邊界條件的處理23

2.7.1 降階法24

2.7.2 對角元置1法24

2.7.3 對角元乘大數法25

2.8 應力計算及導出結果的計算26

2.8.1 單元應力及應變的計算26

2.8.2 主應力和主方向26

2.8.3 節點的應力27

2.9 解題示例27

2.10 6節點三角形單元31

2.10.1 面積坐標31

2.10.2 位幾拔閥腿移函式32

2.10.3 單元應變33

2.10.4 單元應力33

2.10.5 單元剛度矩陣33

第3章　最小勢能原理和有限單元法37

3.1 最小勢能原理37

3.2 基於最小勢能原理的有再檔匙淚限單元法38

3.3 對有限單元法收斂和精度的分析凝燥射39

3.3.1 相容性要求39

3.3.2 完備性要求40

3.3.3 收斂和精度40

第4章　三維問題的有限單元法42

4.1 三維應力狀態42

4.2 三維問題的四面體單元43

4.2.1 位移函式43

4.2.2 單元剛度矩陣44

4.2.3 載荷移置與等效節點載荷44

4.3 軸對稱問題及其有限單元法45

4.3.1 軸對稱問題45

4.3.2 軸對稱問題的有限單元法46

第5章　梁單元48

5.1 直梁平面彎曲問題及梁單元48

5.1.1 直梁平面彎曲問題48

5.1.2 直梁平面彎曲問題的有限單元法48

5.2 鐵摩辛柯梁單元52

第6章　等參數單元55

6.1 4節點矩形單元55

6.2 平面4節點等參數單元56

6.2.1 坐標變換和等參數單元56

6.2.2 單元剛度矩陣的計算58

6.2.3 其他參數單元60

6.3 高斯積分法60

6.4 剪下閉鎖、體積閉鎖、沙漏等概念簡介62

6.4.1 剪下閉鎖62

6.4.2 體積閉鎖62

6.4.3 沙漏63

第7章　板殼單元67

7.1 板彎曲的有限單元法67

7.1.1 克希霍夫（Kirchhoff）薄板理論67

7.1.2 基於薄板理論的非協調板單元69

7.1.3 考慮橫向剪下影響的平板彎曲單元71

7.2 薄殼結構的有限單元法73

第8章　有限元方程解法75

8.1 概述75

8.2 總體剛度矩陣的一維變頻寬存儲75

8.3 直接法76

8.3.1 高斯消元法76

8.3.2 LU分解法76

8.3.3 波前法77

8.4 疊代法79

8.4.1 雅可比戒判籃疊代法和賽德爾疊代法79

8.4.2 共軛梯度法80

第9章　結構動力學分析83

9.1 結構的全催動力學方程83

9.2 結構的自振頻率和振型84

9.2.1 概述84

9.2.2 基本QR法85

9.2.3 蘭索斯法85

9.3 結構動力回響的求解方法86

9.3.1 直接積分法87

9.3.2 振型疊加法88

第10章　ANSYS的基本使用方法90

10.1 實例E10-1——平面桁架的受力分析90

10.1.1 問題描述及解析解90

10.1.2 分析步驟90

10.1.3 命令流94

10.2 ANSYS的主要功能95

10.3 ANSYS的特點96

10.4 ANSYS產品簡介96

10.5 處理器97

10.6 ANSYS軟體的使用97

10.6.1 ANSYS軟體解決問題的步驟97

10.6.2 命令輸入方法98

10.7 圖形用戶界面99

10.7.1 圖形用戶界面（GUI）99

10.7.2 對話框及其組成控制項100

10.7.3 ANSYS的選單系統102

練習題105

第11章　實體建模技術106

11.1 概述106

11.2 基本建模技術106

11.2.1 關鍵點的創建106

11.2.2 線的創建107

11.2.3 面的創建115

11.2.4 體的創建118

11.3 工作平面119

11.3.1 工作平面的設定120

11.3.2 工作平面的偏移和旋轉120

11.4 高級建模技術124

11.4.1 布爾運算124

11.4.2 擠出129

11.4.3 有關實體建模的其他操作130

練習題138

第12章　有限元模型的創建140

12.1 幾何模型的單元劃分144

12.1.1 單元劃分的步驟144

12.1.2 單元類型144

12.1.3 定義實常數145

12.1.4 材料屬性145

12.1.5 截面147

12.1.6 分配單元屬性150

12.1.7 單元形狀及劃分方法選擇151

12.1.8 單元尺寸控制151

12.1.9 劃分單元命令154

12.1.10 MeshTool對話框154

12.1.11 單元形狀檢查154

12.1.12 修改格線156

12.2 常用ANSYS單元類型158

12.2.1 概述158

12.2.2 LINK11162

12.2.3 LINK180163

12.2.4 BEAM188165

12.2.5 BEAM189174

12.2.6 PLANE182176

12.2.7 PLANE183179

12.2.8 SOLID185184

12.2.9 SOLID186187

12.2.10 SHELL181191

12.3 ANSYS結構分析常用材料模型201

12.3.1 常用材料模型的分類201

12.3.2 常用材料模型的創建202

12.4 直接生成有限元模型203

12.4.1 節點的創建和操作203

12.4.2 單元的創建和操作204

12.5 創建有限元模型的高級技術205

12.5.1 自適應單元劃分205

12.5.2 子模型技術207

第13章　載入和求解210

13.1 載荷和載荷步210

13.1.1 載荷的類型210

13.1.2 載荷步、子步和平衡疊代211

13.1.3 載荷步選項211

13.2 DOF 約束216

13.2.1 施加DOF約束217

13.2.2 約束操作218

13.2.3 對稱和反對稱約束218

13.2.4 約束衝突220

13.3 集中載荷220

13.4 表面載荷221

13.4.1 施加表面載荷221

13.4.2 表面載荷操作224

13.4.3 壓力梯度及載入224

13.4.4 函式載入225

13.4.5 表面效應單元228

13.5 體載荷229

13.5.1 施加體載荷229

13.5.2 操作體載荷230

13.5.3 慣性載荷230

13.6 特殊載荷230

13.6.1 耦合場載荷230

13.6.2 初始狀態231

13.6.3 預緊力載荷233

13.7 求解器236

13.7.1 概述236

13.7.2 求解器類型238

13.8 分析類型239

13.9 多載荷步求解239

13.9.1 用多個SOLVE命令直接求解239

13.9.2 用載荷步檔案求解240

13.9.3 用載荷數組參數求解241

第14章　結果後處理242

14.1 概述242

14.1.1 結果檔案242

14.1.2 基本解和導出解242

14.2 通用後處理器243

14.2.1 讀取結果數據到資料庫243

14.2.2 結果坐標系244

14.2.3 單元表245

14.2.4 結果圖形顯示250

14.2.5 路徑圖258

14.2.6 列表操作260

14.2.7 結果查詢263

14.2.8 載荷工況264

14.2.9 誤差估計266

14.3 時間歷程後處理器267

14.3.1 概述267

14.3.2 用變數查看結果268

14.4 動畫技術273

第15章　其他輔助功能275

15.1 檔案和檔案管理275

15.1.1 概述275

15.1.2 檔案操作275

15.2 實體選擇、組件和部件277

15.2.1 實體選擇278

15.2.2 組件和部件284

15.3 坐標系284

15.3.1 坐標系和工作平面概述284

15.3.2 有關坐標系的操作287

第16章　結構線性靜力學分析297

16.1 概述297

16.2 桁架結構298

16.3 梁結構300

16.4 板殼結構309

16.5 平面結構311

16.6 空間結構317

第17章　ANSYS結構動力學分析328

17.1 概述328

17.2 模態分析328

17.2.1 模態分析的求解方法328

17.2.2 模態分析步驟329

17.2.3 模態分析選項330

17.3 諧回響分析341

17.3.1 諧回響分析概述341

17.3.2 諧回響分析步驟342

17.3.3 諧回響分析操作344

17.4 瞬態動力學分析353

17.4.1 瞬態動力學分析方法353

17.4.2 完全法瞬態動力學分析步驟354

17.4.3 模態疊加法瞬態動力學分析步驟355

17.4.4 瞬態動力學分析操作356

17.4.5 積分時間步長的確定359

17.5 譜分析374

17.5.1 概述374

17.5.2 單點回響譜分析步驟375

第18章　非線性分析385

18.1 非線性分析的基本概念385

18.1.1 概述385

18.1.2 非線性有限元方程的求解方法386

18.1.3 非線性分析的特性387

18.2 非線性分析的基本過程388

18.2.1 非線性分析的步驟388

18.2.2 非線性分析的操作389

18.3 幾何非線性分析392

18.3.1 幾何非線性概述392

18.3.2 應力和應變392

18.3.3 幾何非線性分析的注意事項393

18.3.4 屈曲分析394

18.4 材料非線性分析399

18.4.1 材料非線性概述399

18.4.2 塑性力學的基本法則400

18.4.3 輸入材料數據401

18.5 狀態非線性分析405

18.5.1 接觸概述405

18.5.2 接觸問題的基本知識406

18.5.3 面-面接觸408

18.6 單元生死技術425

18.6.1 概述425

18.6.2 單元生死的實現和套用426

18.6.3 使用ANSYS結果控制單元生死427

18.6.4 單元生死有關操作427

第19章　耦合場分析441

19.1 耦合場分析概述441

19.1.1 耦合場分析的定義441

19.1.2 耦合場分析的類型441

19.2 熱應力計算443

19.2.1 ANSYS熱分析簡介443

19.2.2 穩態熱分析步驟445

19.2.3 瞬態熱分析步驟446

19.2.4 熱應力計算方法448

19.3 流固耦合分析455

19.3.1 ANSYS流體動力學分析簡介455

19.3.2 ANSYS流固耦合分析461

第20章　參數化設計語言APDL及最佳化設計468

20.1 參量及操作468

20.1.1 參量的定義和賦值468

20.1.2 數組參量469

20.1.3 表格型數組的定義和套用473

20.2 ANSYS內部函式和獲取函式475

20.2.1 內部函式475

20.2.2 獲取函式476

20.3 分支、循環和重複功能478

20.3.1 分支478

20.3.2 循環479

20.3.3 重複功能479

20.4 宏484

20.4.1 宏的創建484

20.4.2 宏的運行486

20.4.3 宏的參量486

20.5 定製用戶化界面487

20.5.1 創建及編輯縮寫487

20.5.2 提示用戶輸入單個參量值487

20.5.3 用MULTIPRO命令創建一個對話框488

20.5.4 訊息對話框489

20.6 最佳化設計489

附錄496

參考文獻499

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