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第1章 绪论 1

1.1 复合材料结构概述 1

1.2 CAE的基本概念及其发展沿革 4

1.2.1 CAE的基本概念 4

1.2.2 CAE在产品研制中的作用 6

1.2.3 CAE技术的发展沿革 7

1.2.4 CAE技术的实际工程应用 8

1.3 复合材料结构CAE的任务、内容和研究方法 9

1.4 复合材料结构CAE课程的地位和作用 9

习题 10

第2章 有限元法基础 11

2.1 有限元法概念 11

2.2 有限元法的一般步骤 13

2.3 有限元法示例 13

2.4 有限元法解结构强度、刚度、振动及稳定性问题的概念 23

2.4.1 应用有限元法分析静力强度、刚度问题的概念 23

2.4.2 应用有限元法求解结构振动问题的概念 23

2.4.3 应用有限元法求解结构稳定问题的概念 24

2.5 非线性问题及其有限元法 26

2.6 有限元法的收敛性准则 27

2.7 有限元法与其他分析方法的比较 28

2.7.1 梁振动的运动方程 29

2.7.2 准确的解析解（分离变量法） 29

2.7.3 近似的解析解 30

2.7.4 数值解之有限差分法 31

2.7.5 数值解之有限元法 32

习题 35

第3章 大型通用有限元软件结构分析基本过程和方法 36

3.1 概述 36

3.1.1 利用有限元法进行结构分析的过程 36

3.1.2 有限元模型的概念 36

3.1.3 CAE软件ANSYS的使用环境、图形用户界面和输出文件简介 37

3.2 基于ANSYS的有限元建模方法 42

3.2.1 设置工作目录 42

3.2.2 指定作业名和分析标题 43

3.2.3 定义图形界面过滤参数 44

3.2.4 ANSYS的单位制 45

3.2.5 定义单元类型 45

3.2.6 定义单元实常数 47

3.2.7 定义单元截面参数 48

3.2.8 定义材料属性 54

3.2.9 几何建模和有限元建模概述 55

3.2.10 坐标系 56

3.2.11 实体建模 63

3.2.12 耦合和约束 91

3.2.13 模型的合并和归档 94

3.3 ANSYS分析的加载与求解 95

3.3.1 加载 96

3.3.2 ANSYS的求解 103

3.4 ANSYS分析的结果后处理 108

3.4.1 通用后处理器（POST1） 109

3.4.2 单元表 115

3.4.3 路径 121

3.4.4 时间历程后处理器（POST26） 125

3.5 ANSYS分析算例 131

习题 140

第4章 复合材料结构有限元分析的单元 143

4.1 概述 143

4.2 复合材料层合板壳理论的若干基础知识 144

4.3 复合材料层合板壳单元 146

4.3.1 SHELL181单元 146

4.3.2 SHELL281单元 154

4.3.3 SHELL208单元 159

4.3.4 SHELL209单元 164

4.4 复合材料层合实体单元 169

4.4.1 SOLID185层合实体单元 169

4.4.2 SOLID186层合实体单元 173

4.4.3 SOLID278层合实体热传导分析单元 178

4.4.4 SOLID279层合实体热传导分析单元 181

4.5 实体壳单元SOLSH190 183

4.5.1 SOLSH190单元的基本属性 183

4.5.2 SOLSH190单元的选项 184

4.5.3 SOLSH190的数据输入 185

4.5.4 SOLSH190单元的输出数据 185

4.5.5 SOLSH190单元的假定和限定条件 188

4.6 Cohesive单元 189

4.6.1 界面单元 189

4.6.2 接触单元 193

4.6.3 INTER202单元 197

4.6.4 INTER203界面单元 198

4.6.5 INTER204单元 199

4.6.6 INTER205单元 201

4.6.7 分析脱粘的接触单元CONTA174 202

习题 204

第5章 复合材料结构有限元分析的前处理与后处理 206

5.1 复合材料结构有限元分析的前处理 206

5.1.1 复合材料结构有限元建模的特点 206

5.1.2 层合复合材料单元的选项设置 207

5.1.3 铺层材料性能数据的输入 210

5.1.4 截面铺层方案的定义 212

5.1.5 层合壳单元中节点偏置的设定 213

5.1.6 本构矩阵的直接输入 215

5.1.7 逻辑选择 216

5.1.8 输入CAD软件中创建好的几何模型 218

5.1.9 划分网格 218

5.1.10 复合材料结构分析中应遵循的建模规则 223

5.2 复合材料失效准则及相关参数的输入 226

5.2.1 复合材料失效准则 226

5.2.2 在ANSYS中失效准则值的含义 231

5.2.3 在ANSYS中指定失效准则中材料性能的命令 233

5.2.4 定义失效准则的一些注意事项 234

5.3 复合材料结构分析的后处理 235

5.3.1 复合材料结构分析的目的与输出结果 235

5.3.2 结果的图形显示 240

5.3.3 结果的数据列表 243

5.3.4 特定量沿指定路径的变化规律 244

习题 246

第6章 复合材料结构分析实例 247

6.1 悬臂复合材料工字梁的静强度分析 247

6.1.1 采用层合壳单元分析 247

6.1.2 采用层合实体单元分析 254

6.2 加筋壁板的特征值屈曲分析 260

6.2.1 定义单元类型、材料参数和截面 261

6.2.2 建立有限元模型 262

6.2.3 添加约束和载荷并求解 264

6.2.4 观察结果 265

6.3 复合材料层合板拉伸的层间应力分析 266

6.3.1 定义单元类型、材料参数和截面 266

6.3.2 建立有限元模型 267

6.3.3 添加约束和载荷并求解 268

6.3.4 观察结果 269

6.4 单钉连接破坏载荷分析 270

6.4.1 定义单元类型、材料特性 270

6.4.2 建立几何模型 271

6.4.3 划分单元网络 274

6.4.4 定义接触对 276

6.4.5 加载求解 278

6.4.6 后处理 279

6.5 阶梯形胶接连接分析 279

6.5.1 定义单元 280

6.5.2 定义失效准则 280

6.5.3 建立有限元模型 281

6.5.4 添加约束和载荷并求解 283

6.5.5 观察结果 283

6.6 复合材料梁热-力耦合弯曲问题分析 285

6.6.1 定义工作文件名与工作标题 285

6.6.2 定义单元类型、材料参数 286

6.6.3 建立有限元模型 287

6.6.4 加载与求解 288

6.6.5 查看结果 289

习题 291

第7章 参数化设计语言及其应用 293

7.1 APDL简介 293

7.1.1 参数化建模实例 294

7.1.2 用APDL命令进行流程控制实例 295

7.1.3 用APDL命令流进行结构响应分析的全过程实例 295

7.2 APDL参数类型及其应用 297

7.2.1 APDL参数类型 297

7.2.2 参数的命名 297

7.2.3 标量参数及其用法 298

7.2.4 数组参数及其用法 305

7.2.5 ANSYS内部函数 312

7.3 APDL常用命令 313

7.4 APDL宏 314

7.4.1 宏的生成 314

7.4.2 宏文件命名规则 314

7.4.3 宏的搜索路径 315

7.4.4 在ANSYS中生成宏 315

7.4.5 用文本编辑器生成宏 315

7.4.6 使用宏库文件 315

7.4.7 运行宏和宏库文件 316

7.4.8 程序流的控制 317

7.5 APDL应用示例 320

7.5.1 悬臂梁分析的命令流文件 320

7.5.2 加筋壁板稳定分析的命令流文件 323

习题 327

第8章 基于CAD数模的有限元建模方法 328

8.1 概述 328

8.2 AutoCAD的几何模型与ANSYS的交互 328

8.2.1 将工字梁的CAD线模型导入ANSYS的示例 329

8.2.2 将一垂尾的CAD点线模型导入ANSYS的示例 331

8.3 CATIA几何模型导入ANSYS的方法 332

8.3.1 基于iges格式文件实施导入 332

8.3.2 直接基于CATIA图形文件实施导入 333

8.3.3 基于CATIA建立的加筋壁板模型的导入示例 334

8.4 HyperMesh的数模转换及有限元建模示例 335

8.4.1 HyperMesh软件简介 335

8.4.2 将CATIA几何模型导入Hypermesh 337

8.4.3 HyperMesh的有限元模型与ANSYS的交互 339

8.4.4 使用Hypermesh和ANSYS联合求解叶片静强度的示例 339

习题 346

第9章 复合材料专业设计分析软件在CAE中的应用 348

9.1 概述 348

9.2 复合材料专业设计分析软件ESAComp简介 348

9.3 单层板的创建和细观力学分析 349

9.3.1 单层板的创建 350

9.3.2 单层板的细观力学分析 353

9.4 单层板的宏观力学分析 354

9.4.1 单层板的应力-应变关系 354

9.4.2 Carpet曲线 355

9.5 层合板的创建和性能分析 357

9.5.1 层合板的创建 357

9.5.2 层合板的性能分析 358

9.6 板分析 367

9.7 梁分析 369

9.7.1 创建梁 369

9.7.2 轴向载荷分析 370

9.7.3 横向载荷分析 371

9.7.4 梁的固有频率分析 372

9.8 胶接接头分析 372

9.8.1 添加粘合材料 372

9.8.2 创建胶接接头 373

9.8.3 创建边界条件与载荷 373

9.8.4 载荷响应和失效分析 374

9.9 机械连接接头分析 375

9.9.1 创建机械连接接头 375

9.9.2 载荷响应分析 375

9.10 ESAComp与ANSYS的有限元接口 376

9.11 后处理模块CompoLyX 378

习题 379

第10章 复合材料结构CAE的发展 380

10.1 概述 380

10.2 可用于二、三次复合材料结构分析的特色软件 380

10.2.1 p型自适应有限元软件StressCheck简介 380

10.2.2 多尺度复合材料渐进失效/耐久性/损伤容限分析软件Genoa简介 386

10.2.3 复合材料结构优化设计HyperWorks平台的OptiStruct模块功能简介 388

10.3 可用于一、二次复合材料结构分析的特色软件 395

10.3.1 复合材料性能表征和鉴定分析软件MCQ简介 395

10.3.2 复合材料与结构多尺度建模分析软件Digimat简介 396

10.4 复合材料结构工艺仿真软件 397

10.4.1 FiberSIM软件简介 397

10.4.2 PAM-RTM树脂模注工艺仿真软件简介 413

10.5 复合材料结构分析面临的问题与挑战 416

参考文献 417