现代CAE技术与应用教程PDF电子书下载

第1章 CAE总体概貌 1

1.1 概述 1

1.2 工程中的若干数值模拟与解析解问题 2

1.3 现代CAE技术的发展 3

1.3.1 CAE的发展历史 3

1.3.2 CAE发展方向 6

1.4 现代CAE技术在工程中的应用 8

1.4.1 在油气勘探开发中的应用 10

1.4.2 在石油钻井工程中的应用 10

1.4.3 在采油工程中的应用 11

1.4.4 在油田地面工程建设中的应用 11

1.5 著名的CAE软件介绍 12

1.5.1 ANSYS软件 12

1.5.2 ADINA软件 16

1.5.3 ABAQUS软件 21

1.5.4 MSC.NASTRAN软件 26

1.5.5 MSC.MARC软件 28

1.5.6 其他CAE软件 33

第2章 CAE技术基本求解过程 36

2.1 有限元法基本知识 36

2.1.1 有限元法的基本概念 36

2.1.2 有限元法的基本思路 37

2.2 线性分析有限元法的计算步骤 40

2.2.1 网格划分 40

2.2.2 单元分析 41

2.2.3 整体分析 42

2.3.1 非线性结构 43

2.3 非线性分类及有限元法基本流程 43

2.3.2 结构非线性有限元法 44

2.4 CAE软件应用案例分析基本过程 46

2.4.1 ADINA孔板应力分析 46

2.4.2 ANSYS孔板应力分析 50

2.4.3 MARC孔板应力分析 52

2.4.4 ABAQUS孔板应力分析 54

第3章 ANSYS结构分析基本过程 58

3.1 ANSYS环境和基本分析过程 58

3.1.1 ANSYS环境简介 58

3.1.2 有限元法的基本构架 59

3.1.3 ANSYS构架及命令 60

3.1.5 ANSYS文件及工作文件名 62

3.1.4 典型的分析过程 62

3.1.6 图形控制 63

3.2 有限元模型的建立 64

3.2.1 建模方法 64

3.2.2 坐标系统及工作平面 64

3.2.3 节点定义 65

3.2.4 单元定义 66

3.2.5 载荷定义 68

3.2.6 求解 71

3.2.7 用POST1进行结果后处理 72

3.3 实体模型的建立 74

3.3.1 实体模型 74

3.3.2 实体模型的建立方法 74

3.3.3 群组命令 74

3.3.5 线段定义 75

3.3.4 点定义 75

3.3.6 面定义 77

3.3.7 体定义 77

3.3.8 用体素创建ANSYS对象 79

3.3.9 布尔操作 80

3.4 实体模型网格划分 80

3.4.1 区分实体模型和有限元模型 80

3.4.2 网格化的步骤 81

3.4.3 单元形状定义 81

3.4.4 网格划分工具 82

3.5 实体模型边界约束 82

4.1 材料非线性有限元法 84

4.1.1 弹塑性有限元分析 84

第4章 材料非线性理论 84

4.1.2 塑性本构关系 88

4.1.3 弹塑性问题的有限元解法 90

4.1.4 蠕变的有限元分析 92

4.2 弹塑性分析在CAE中的实践 94

4.2.1 弹塑性模型 94

4.2.2 各向异性塑性模型 99

4.2.3 蠕变模型 103

4.3 CAE在材料非线性中的应用 107

4.3.1 土壤中Drucke-Prager材料分析（ANSYS） 107

4.3.2 受拉力的矩形板蠕变分析（ANSYS） 110

4.3.3 管道弯曲的极限载荷分析（ADINA） 111

4.3.4 内压作用下厚壁圆筒的蠕变（ABAQUS） 116

5.1 几何非线性问题基本理论 120

5.1.1 有限应变与应力 120

第5章 几何非线性与屈曲分析 120

5.1.2 变形率和本构关系 122

5.2 几何非线性有限元方程的建立 124

5.2.1 全拉格朗日列式法（T.L） 124

5.2.2 结构稳定性和屈曲问题 126

5.3 CAE中几何非线性分析描述 130

5.3.1 几何非线性 130

5.3.2 屈曲分析 133

5.4 几何非线性和屈曲分析应用实例 138

5.4.1 两块钢板压一个圆盘的大应变非线性分析（ANSYS） 138

5.4.2 圆柱壳非线性屈曲分析实例（ANSYS） 140

第6章 接触问题分析 144

6.1 概述 144

6.1.1 接触问题的描述方法 145

6.1.2 接触算法 146

6.1.3 接触算法的基本流程 147

6.2 接触体的定义和运动描述 148

6.2.1 可变形接触体的定义 148

6.2.2 刚性接触体的定义 149

6.2.3 允许传热分析的刚性接触体的定义 150

6.2.4 刚体运动描述 151

6.2.5 描述刚体运动的初始条件 151

6.3 接触探测 152

6.3.1 接触容限 152

6.3.2 偏斜系数 153

6.3.3 接触检查顺序 154

6.4 施加接触约束以及修改接触约束 154

6.4.1 刚体与变形体之间的接触约束 154

6.4.2 变形体与变形体的接触约束 154

6.4.3 接触约束的满足与接触体定义顺序的关系 155

6.5.1 滑动库仑摩擦模型 156

6.5 接触摩擦问题 156

6.5.2 剪切摩擦 158

6.5.3 粘—滑摩擦模型 158

6.5.4 其他摩擦模型 159

6.5.5 关于摩擦的其他说明 159

6.6 模拟分离 159

6.6.1 设置分离力 159

6.6.2 分离后释放接触反力 160

6.6.3 控制节点分离的发生 160

6.7 其他接触功能 160

6.7.1 粘合 160

6.7.3 对称平面 161

6.7.2 过盈检查（过盈闭合）量设置 161

6.8 CAE接触问题实例应用 162

6.8.1 钢圆柱和铝板之间的接触问题实例（MARC） 162

6.8.2 弹簧卡子接触分析实例（ANSYS） 164

6.8.3 两块板间受压的O形橡胶密封圈的接触分析实例（ADINA） 167

6.8.4 法兰盘连接接触分析（ABAQUS） 172

第7章 断裂力学问题的有限元分析 177

7.1 综述 177

7.2 断裂力学理论简介 177

7.2.1 断裂力学的形成和发展 177

7.2.2 断裂力学基本理论 179

7.3 有限元分析方法 182

7.3.1 K提取方法 184

7.3.2 J积分计算 185

7.3.3 奇异单元法 186

7.3.4 ANSYS中断裂力学的求解 186

7.4 CAE断裂力学应用实例 192

7.4.1 平板裂纹应力分析（ANSYS） 192

7.4.2 用J积分进行断裂力学分析（MARC） 197

第8章 流—固耦合问题 204

8.1 引言 204

8.2 流—固耦合问题有限元基本理论 204

8.2.1 流—固耦合系统有限元分析的（ui,p）格式 204

8.2.2 用伽辽金法建立流—固耦合的有限元方程 206

8.3 CAE耦合问题应用实例 207

8.3.1 橡胶垫阻碍水的流—固耦合分析（ANSYS） 208

8.3.2 双金属梁热—固直接耦合分析（ANSYS） 213

8.3.3 隧道内具有柔性结构的流—固耦合分析（ADINA） 217

第9章 温度场和热应力场分析 223

9.1 稳态热传导问题的有限元法 223

9.1.1 热传导方程与换热边界 223

9.1.2 稳态温度场分析的一般有限元列式 224

9.1.3 三角形单元的有限元列式 227

9.2 热弹性应力问题的有限元分析 229

9.3 热分析中CAE基础知识 232

9.3.1 传热学经典理论回顾 232

9.3.2 热传递的方式 233

9.3.3 稳态传热分析 233

9.3.4 瞬态传热分析 234

9.3.5 线性与非线性 234

9.3.7 热分析误差估计 235

9.3.8 热应力分析 235

9.3.6 边界条件、初始条件 235

9.4 CAE热分析应用实例 236

9.4.1 油气储运罐与接管内温度场分析实例（ANSYS） 236

9.4.2 间接法热应力分析实例（ANSYS） 240

9.4.3 直接法热应力分析实例（ANSYS） 243

第10章 计算流体动力学分析 245

10.1 流体流动有限元法 245

10.1.1 不可压缩流体流动的有限元法 245

10.1.2 不可压缩粘性流体流动 249

10.2 FLOTRAN计算流体动力学（CFD）分析 250

10.2.1 FLOTRAN CFD分析的概念 250

10.2.2 FLOTRAN分析基础 251

10.2.3 FLOTRAN分析的主要步骤 253

10.3.1 问题描述 259

10.3 FLOTRAN层流和湍流分析算例 259

10.3.2 分析方法及假定 260

10.3.3 几何尺寸及流体性质 260

10.3.4 分析过程 261

第11章 动力学分析 268

11.1 动力学分析基本原理 268

11.2 动力方程和质量矩阵 269

11.2.1 动力方程 269

11.2.2 质量矩阵 270

11.3 特征值问题和结构模态分析 270

11.3.1 特征值问题概述 271

11.3.2 标准特征值问题 272

11.3.3 特征对的性质 273

11.3.4 结构模态分析 274

11.4.1 结构的动力学方程 275

11.4 结构动力学问题的有限元法 275

11.4.2 系统的动力响应 277

11.5 CAE动力学分析实例应用 278

11.5.1 模态分析实例（ANSYS） 278

11.5.2 谐响应分析实例（ANSYS） 279

11.5.3 瞬态分析实例（ANSYS） 280

11.5.4 固支方板的特征频率分析（MARC） 282

第12章 CAE软件的二次开发 285

12.1 ANSYS软件的二次开发 285

12.1.1 解析UIDL语言 285

12.1.2 UIDL实例解析 288

12.2 UIDL实例解析 290

12.2.1 环境准备及构建对话框 290

12.2.2 参数提取 291

12.2.3 附录 292

12.3 ANSYS二次开发应用 293

12.3.1 UIDL开发 293

12.3.2 APDL开发 294

12.3.3 UPF开发 295

12.3.4 CAE软件接口 304

12.3.5 ANSYS用户过程和非标准用法 306

12.4 MARC二次开发与Fortran程序接口 309

12.4.1 概述 309

12.4.2 用户子程序分类及常用用户子程序 310

12.4.3 利用公共块进行数据传递 312

12.4.4 利用内部子程序进行矩阵运算 313

12.4.5 用户子程序例题——受移动载荷作用的方板分析（MARC） 314

参考文献 318