有限元分析 ANSYS13.0从入门到实战PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1有限单元法概述 1

1.2 ANSYS基本原理 1

1.2.1 ANSYS计算中的基本方程 1

1.2.2 ANSYS计算的基本方法 2

1.2.3 ANSYS计算的基本流程 3

1.3 ANSYS 13.0简介与基本使用 3

1.3.1软件功能简介 4

1.3.2前处理模块 4

1.3.3分析计算模块 4

1.3.4后处理模块 5

第2章 坐标系和工作平面 6

2.1坐标系 6

2.1.1坐标系简介 6

2.1.2坐标系的定义 6

2.1.3坐标系的激活 9

2.2工作平面 9

2.2.1工作平面的定义 10

2.2.2工作平面的操作 10

2.2.3工作平面的增强功能 11

第3章 建立模型 13

3.1建立实体模型的方法 13

3.2自下向上建模 15

3.2.1关键点 15

3.2.2硬点 15

3.2.3线 16

3.2.4面 17

3.2.5体 17

3.3自上向下建模 18

3.3.1定义面 18

3.3.2定义体 19

3.4布尔运算 20

3.4.1交运算 20

3.4.2加运算 21

3.4.3减运算 21

3.4.4分割运算 22

3.4.5搭接运算 23

3.4.6互分运算 24

3.4.7粘接运算 24

3.5其他建立实体模型的方法 25

3.5.1移动和复制实体模型 25

3.5.2质量和惯量的计算 26

3.6有限元模型 27

3.6.1节点 27

3.6.2单元 28

3.7从CAD中导入模型 31

3.7.1概述 31

3.7.2 CAD模型的导入 31

3.8参数化建模 32

3.8.1参数化建模简介 32

3.8.2使用参数 33

3.8.3 APDL中的控制命令 37

第4章网格划分 40

4.1网格划分概述 40

4.2定义单元属性 40

4.2.1定义单元属性表 40

4.2.2分配单元属性 41

4.3网格划分工具 41

4.4单元尺寸控制 42

4.4.1智能单元尺寸控制 42

4.4.2人工单元尺寸控制 44

4.4.3裂纹尖端网格划分控制 48

4.5网格划分器 49

4.5.1三角形表面网格划分 49

4.5.2四边形表面网格划分 50

4.5.3四面体单元网格划分 50

4.5.4控制四面体单元的改进 50

4.6网格划分方法 50

4.6.1自由网格划分 50

4.6.2映射网格划分 51

4.6.3体扫掠生成网格 54

4.7修改网格 55

4.7.1重新划分网格 55

4.7.2清除网格 56

4.7.3细化局部网格 56

第5章 耦合和约束方程 57

5.1耦合的概念 57

5.2定义耦合自由度 57

5.2.1在给定节点处定义并修改耦合自由度 57

5.2.2耦合重合节点 57

5.2.3定义更多的耦合集 58

5.2.4列表和删除耦合集 58

5.2.5耦合的注意事项 58

5.3约束方程的定义 59

5.4定义约束方程 59

5.4.1直接方法 59

5.4.2修改约束方程 60

5.4.3直接与自动定义约束方程的对比 61

第6章 加载 63

6.1载荷的概念 63

6.2载荷步、子步和平衡迭代 63

6.3时间的作用 64

6.4阶跃载荷和斜坡载荷 65

6.5施加载荷的方法 65

6.5.1实体模型载荷 65

6.5.2有限单元载荷 66

6.5.3自由度约束 66

6.5.4施加对称或反对称边界条件 68

6.5.5施加集中力载荷 69

6.5.6施加压力载荷 71

6.5.7施加结构体载荷——温度 74

6.5.8惯性载荷 77

6.5.9施加轴对称载荷 78

6.5.10施加表格型载荷 79

6.5.11施加函数型载荷 79

6.6设置载荷步选项 82

6.6.1通用选项 82

6.6.2动力学分析选项 84

6.6.3非线性选项 84

6.6.4输出控制 85

6.7创建多载荷步文件 85

6.8定义接头固定处预拉伸 86

6.8.1使用PSMESH命令 86

6.8.2使用EINTF命令 87

6.8.3执行拉伸分析的典型过程 87

第7章 求解 89

7.1选择求解器 89

7.2求解器的类型 89

7.2.1波前求解器 89

7.2.2稀疏矩阵直接解法求解器 90

7.2.3雅可比共轭梯度法求解器 90

7.2.4不完全乔累斯基共轭梯度法求解器 90

7.2.5预条件共轭梯度法求解器 90

7.2.6代数多栅求解器 91

7.2.7分布式求解器 91

7.2.8自动迭代（快速）求解器选项 91

7.3在某些类型结构分析时使用特殊求解工具 91

7.3.1使用简化求解菜单 91

7.3.2使用求解控制对话框 92

7.4获得解答 93

7.5求解多载荷步 94

7.5.1使用多步求解法 94

7.5.2使用载荷步文件法 94

7.6奇异解 95

第8章 后处理技术 96

8.1后处理的基本概念 96

8.2结果文件 97

8.3后处理可用的数据类型 97

8.4通用后处理器POST1 97

8.4.1 POST1概述 97

8.4.2将数据结果读入数据库 98

8.4.3在POST1中观察结果 100

8.4.4 POST1的其他后处理内容 106

8.5时间历程后处理器（POST26 ） 109

8.5.1时间历程变量观察器 109

8.5.2进入时间历程处理器 111

8.5.3定义变量 111

8.5.4处理变量并进行计算 113

8.5.5变量的评价 114

8.5.6 POST26后处理器的其他功能 115

第9章 设计ANSYS分析方案 117

9.1设计分析方案的重要性 117

9.2确定分析目标 117

9.3确定模型类型 117

9.4确定模型单元 117

9.4.1线性插值单元 118

9.4.2二次插值单元 118

9.5不同单元之间的连接 121

9.6分析中使用对称性 121

9.7确定模型细节 122

9.8确定模型的网格密度 123

第10章 结构线性静力分析 124

10.1静力分析概述 124

10.2静力分析的求解步骤 124

10.2.1建模 124

10.2.2设置求解控制 124

10.2.3设置其他求解选项 126

10.2.4施加载荷 128

10.2.5求解 129

10.2.6检查分析结果 130

10.3实例：阶梯轴施加扭矩和弯矩 131

10.3.1工程背景 131

10.3.2问题的描述 131

10.3.3 GUI操作 132

第11章 模态分析 136

11.1模态分析的定义及应用 136

11.2模态分析的方法 136

11.2.1分块Lanczos法 136

11.2.2子空间法（Subspace） 136

11.2.3 Power Dynamics法 136

11.2.4缩减法（Reduced/Householder） 137

11.2.5非对称法（Unsymmetric ） 137

11.2.6阻尼法（Damp） 137

11.2.7 QR阻尼法 137

11.3矩阵缩减技术和主自由度的选择准则 137

11.3.1矩阵缩减 137

11.3.2人工选择主自由度的准则 138

11.4模态分析过程 139

11.4.1建模 139

11.4.2加载及求解 139

11.5扩展模态 142

11.5.1注意要点 143

11.5.2扩展模态 143

11.6观察结果 144

11.6.1观察结果数据的过程 144

11.6.2选项：列表显示所有频率 145

11.6.3选项：图形显示变形 145

11.6.4选项：列表显示主自由度 145

11.6.5选项：线单元结果 145

11.7有预应力的模态分析 145

11.8大变形预应力的模态分析 146

11.9实例：印刷机滚筒的模态分析 146

11.9.1工程背景 146

11.9.2问题的描述 146

11.9.3 GUI操作 147

第12章 谐响应分析 152

12.1谐响应分析的定义与应用 152

12.2三种求解方法 152

12.2.1完全法 152

12.2.2缩减法 152

12.2.3模态叠加法 153

12.2.4三种方法均存在的局限性 153

12.3完全法谐响应分析 153

12.3.1建模 153

12.3.2加载并求解 154

12.3.3观察结果 157

12.4缩减法谐响应分析 158

12.4.1加载并求得缩减解 158

12.4.2观察缩减法求解的结果 159

12.4.3扩展解 159

12.4.4观察扩展解的结果 161

12.5模态叠加法谐响应分析 162

12.5.1获取模态分析解 162

12.5.2获取模态叠加法谐响应解 162

12.5.3扩展模态叠加解 163

12.5.4观察结果 164

12.6有预应力的完全法谐响应分析 164

12.6.1有预应力的完全法谐响应分析 164

12.6.2有预应力的缩减法谐响应分析 164

12.6.3有预应力的模态叠加法谐响应分析 164

12.7实例：汽车悬架系统的谐响应分析 164

12.7.1工程背景 164

12.7.2问题的描述 165

12.7.3 GUI操作 165

第13章 谱分析 169

13.1谱分析的定义 169

13.2谱的基本概念 169

13.2.1响应谱分析 169

13.2.2动力设计分析方法 169

13.2.3功率谱密度 170

13.2.4确定性分析与概率分析 170

13.3单点响应谱（SPRS）分析步骤 170

13.3.1建立模型 170

13.3.2获得模态解 170

13.3.3获得谱解 171

13.3.4扩展模态 172

13.3.5合并模态 173

13.3.6观察结果 174

13.4随机振动（PSD）分析步骤 176

13.4.1扩展模态 176

13.4.2获得谱解 176

13.4.3合并模态 178

13.4.4观察结果 179

13.5随机振动分析结果的应用 181

13.5.1随机振动结果与失效计算 181

13.5.2随机疲劳失效 181

13.6 DDAM（动力设计分析方法）谱分析 183

13.7多点响应谱（MPRS ）分析 184

13.8实例：钢架结构厂房的随机振动分析 184

13.8.1工程背景 184

13.8.2问题的描述 184

13.8.3 GUI操作 185

第14章 瞬态动力学分析 192

14.1瞬态动力学分析的概念 192

14.2瞬态动力学分析前的准备工作 192

14.3瞬态动力学分析的理论基础 192

14.4三种求解方法 193

14.4.1完全法 193

14.4.2模态叠加法 194

14.4.3缩减法 194

14.5完全法瞬态动力学分析 194

14.5.1建造模型 194

14.5.2建立初始条件 195

14.5.3设置求解控制 197

14.5.4设置其他求解选项 199

14.5.5施加载荷 201

14.5.6存储当前载荷步的载荷配置 201

14.5.7针对每个载荷步重复 201

14.5.8存储数据库备份文件 201

14.5.9开始瞬态求解 201

14.5.10退出求解器 202

14.5.11观察结果 202

14.6模态叠加法瞬态动力分析 202

14.6.1建造模型 202

14.6.2获取模态解 203

14.6.3获取模态叠加法瞬态分析解 203

14.6.4扩展模态叠加解 206

14.6.5观察结果 206

14.7缩减法瞬态动力学分析过程 206

14.7.1获取缩减解 207

14.7.2观察缩减法求解的结果 210

14.7.3扩展处理 210

14.7.4观察已扩展解的结果 211

14.8有预应力瞬态动力学分析 212

14.8.1有预应力的完全法瞬态动力学分析 212

14.8.2有预应力的模态叠加法瞬态动力学分析 213

14.8.3有预应力的缩减法瞬态动力学分析 213

14.9瞬态分析的关键技术细节 213

14.9.1积分时间步长选取准则 213

14.9.2自动时间步长 214

14.9.3阻尼 215

14.10实例：路面冲击载荷作用下汽车的瞬态动力学分析 217

14.10.1工程背景 217

14.10.2问题的描述 218

14.10.3 GUI操作 219

第15章 非线性分析 227

15.1概述 227

15.1.1结构非线性的概念 227

15.1.2非线性分析的基本知识 228

15.2结构非线性分析 230

15.2.1非线性静态分析步骤 231

15.2.2非线性瞬态分析步骤 237

15.2.3非线性分析的提示 238

15.3几何非线性 242

15.3.1大应变效应 242

15.3.2应力与应变 242

15.3.3小应变大位移 243

15.3.4应力刚化 243

15.3.5旋转软化 244

15.4屈曲分析 244

15.4.1屈曲分析的类型 244

15.4.2非线性屈曲分析 245

15.4.3特征值（线性）屈曲分析 247

15.5材料非线性分析 251

15.5.1塑性理论简介 252

15.5.2常用的非线性材料本构关系简介 255

15.5.3如何使用塑性 256

15.6实例：支撑架特征值屈曲分析 258

15.6.1工程背景 258

15.6.2问题的描述 258

15.6.3 GUI操作 259

15.7实例：复合地基沉降的弹塑性分析 262

15.7.1工程背景 262

15.7.2问题的描述 262

15.7.3 GUI操作 263

第16章 接触分析 267

16.1概述 267

16.2接触分类 267

16.3 ANSYS接触分析功能 267

16.3.1点-点接触 268

16.3.2点-面接触 268

16.3.3线-面接触 268

16.3.4面-面的接触 268

16.4面-面的接触分析 269

16.4.1应用面-面接触单元 269

16.4.2建立几何模型并划分网格 269

16.4.3识别接触对 270

16.4.4指定接触面和目标面 270

16.4.5定义目标面 271

16.4.6定义柔体的接触面 275

16.4.7设置实常数和单元关键选项 278

16.4.8控制刚性目标面的运动（刚体-柔体接触） 290

16.4.9热接触模拟 291

16.4.10为柔体单元施加必要的边界条件 294

16.4.11定义求解和载荷步选项 294

16.4.12求解 295

16.4.13观察结果 296

16.5实例：薄钢板冲压分析 297

16.5.1工程背景 297

16.5.2问题的描述 297

16.5.3 GUI操作 298

第17章 复合材料 304

17.1复合材料的相关概念 304

17.2建立复合材料模型 304

17.2.1选择合适的单元类型 304

17.2.2定义材料的叠层结构 305

17.2.3定义失效准则 307

17.2.4应遵循的建模和后处理规则 308

17.3实例：复合材料传动轴的失效分析 310

17.3.1工程背景 310

17.3.2问题的描述 310

17.3.3 GUI操作 310

第18章 断裂力学分析 315

18.1断裂分析基础 315

18.1.1断裂模式 315

18.1.2断裂力学参数 315

18.2断裂力学模型的建立 317

18.2.1裂纹尖端区域建模 317

18.2.2计算断裂参数 318

18.3 ANSYS断裂力学参数数值计算 319

18.3.1 J积分计算 319

18.3.2应力强度因子计算 322

18.4实例：弹塑性焊接接头的J积分计算 325

18.4.1工程背景 325

18.4.2问题的描述 325

18.4.3 GUI操作 326

第19章 热分析 332

19.1热分析概述 332

19.1.1热分析的目的 332

19.1.2 ANSYS中的热分析 332

19.1.3热分析的类型 332

19.1.4耦合场分析 333

19.2基础知识 333

19.2.1符号与单位 333

19.2.2热分析经典理论回顾 333

19.2.3热传递的方式 334

19.2.4稳态热分析 334

19.2.5瞬态热分析 334

19.2.6热辐射 335

19.2.7线性与非线性 336

19.2.8边界条件和初始条件 336

19.2.9热分析误差估计 336

19.3稳态热分析 336

19.3.1稳态热分析的概念 336

19.3.2热分析的单元 336

19.3.3稳态热分析的步骤 337

19.3.4建模 337

19.3.5施加载荷和求解 338

19.3.6后处理 342

19.4瞬态热分析 343

19.4.1瞬态热分析的定义 343

19.4.2瞬态热分析中使用的单元和命令 343

19.4.3瞬态热分析的步骤 343

19.4.4建模 343

19.4.5施加载荷和求解 344

19.4.6后处理 349

19.4.7相变问题 349

19.5表面效应单元 349

19.5.1简介 349

19.5.2表面效应单元的应用 350

19.5.3设置表面效应单元 350

19.5.4创建表面效应单元 351

19.6热应力分析 352

19.6.1热应力分析的分类 352

19.6.2间接法进行热应力分析的步骤 352

19.7实例：多芯片组件热分析 353

19.7.1工程背景 353

19.7.2问题的描述 353

19.7.3 GUI操作 354

第20章 边坡稳定性分析 358

20.1边坡稳定性分析概述 358

20.1.1边坡稳定性研究概况 358

20.1.2边坡稳定性分析的研究方法 358

20.2稳定安全系数的计算 359

20.2.1计算的主要方法 359

20.2.2强度折减法的计算原理 359

20.2.3颗粒状材料（混凝土、岩石和土壤）的4种屈服准则 360

20.2.4屈服准则在ANSYS中的实现 361

20.2.5采用折减系数法计算边坡稳定系数 361

20.3实例：确定边坡安全系数 361

20.3.1工程背景 361

20.3.2问题的描述 362

20.3.3 GUI操作 362

第21章 界面开裂与失效模拟 365

21.1界面开裂的分析 365

21.2模拟开裂的界面单元 365

21.2.1单元的定义 366

21.2.2单元的选择 366

21.3定义材料属性 366

21.3.1材料的特点 366

21.3.2材料常数 366

21.4网格划分和定义边界条件 367

21.4.1网格划分 367

21.4.2边界条件 367

21.5求解过程和结果的输出 367

21.6观察结果 368

21.7实例：功能梯度材料界面开裂分析 368

21.7.1工程背景 368

21.7.2问题的描述 368

21.7.3 GUI操作 369

第22章 衬垫连接模拟 373

22.1引言 373

22.2执行单元组件分析 373

22.3衬垫单元的构造 373

22.3.1单元的拓扑布局 374

22.3.2厚度方向 374

22.4界面单元的家族 374

22.4.1单元选择 374

22.4.2应用 375

22.5材料性质的定义 375

22.5.1材料的特点 375

22.5.2数据输入格式 376

22.5.3与温度相关的数据 378

22.5.4画出衬垫数据曲线 379

22.6划分界面单元 380

22.7求解过程和结果的输出 381

22.8观察结果 382

22.9实例：螺栓预紧法兰盘衬垫分析 382

22.9.1工程背景 382

22.9.2问题的描述 382

22.9.3 GUI操作 383

第23章 齿轮分析 391

23.1概述 391

23.2齿轮模型的术语 391

23.3渐开线直齿齿轮模型的建立 393

23.3.1渐开线的生成原理 393

23.3.2创建渐开线曲线 393

23.3.3生成齿根过渡曲线 394

23.3.4生成完整齿廓线 394

23.3.5生成完整齿轮面 394

23.4实例：多齿轮动态接触分析 394

23.4.1工程背景 394

23.4.2问题的描述 394

23.4.3 GUI操作 395

第24章 转子动力学分析 403

24.1概述 403

24.1.1通用动力学方程 403

24.1.2有限单元法模拟转子动力学的优点 403

24.2转子动力学分析工具 404

24.2.1常用的命令 404

24.2.2常用的单元 404

24.2.3常用的术语 404

24.3建立转子动力学模型 406

24.3.1建立模型 406

24.3.2建立轴承模型 407

24.3.3建立模型的其他部件 409

24.4施加载荷和约束 410

24.5求解转子动力学问题 410

24.5.1添加阻尼 411

24.5.2指定旋转速度并考虑陀螺效应 411

24.5.3求解随后预应力结构坎贝尔分析 411

24.5.4求解承受同步或不同步力的谐响应问题 411

24.5.5选择合适的求解器 412

24.6转子动力学的后处理 413

24.6.1处理复数结果 413

24.6.2观察运动轨迹 414

24.6.3输出轨迹特性 414

24.6.4动画显示轨迹 415

24.6.5完成瞬态分析后观察轨迹 415

24.6.6后处理轴承和反力 415

24.6.7坎贝尔图 416

24.7实例：转子-轴承系统的临界转速计算 416

24.7.1工程背景 416

24.7.2问题的描述 416

24.7.3 GUI操作 417

第25章 焊接工程问题分析 423

25.1焊接工程的意义 423

25.2焊接过程有限元分析的特点 423

25.3焊接过程有限元模型的简化 424

25.4焊接温度场的分析理论 424

25.4.1焊接过程的有限元基本方程 424

25.4.2非线性瞬态热传导的有限元分析 424

25.5焊接应力和变形的分析理论 425

25.6计算模型 425

25.6.1焊接热源模型 425

25.6.2热源模型的选取 427

25.6.3材料物理性能参数的影响 427

25.6.4边界换热系数 427

25.6.5相变潜热 428

25.7 ANSYS焊接模拟过程 428

25.7.1焊接过程温度场模拟分析 428

25.7.2焊接过程应力应变场的模拟分析 430

25.8实例：三维平板堆焊焊接的残余应力分析 431

25.8.1工程背景 431

25.8.2问题的描述 432

25.8.3 GUI操作 433

第26章 优化设计 441

26.1优化设计的基本概念 441

26.2优化设计的步骤 442

26.2.1生成分析文件 442

26.2.2建立优化过程中的参数 444

26.2.3指定分析文件（OPT） 445

26.2.4声明优化变量 446

26.2.5选择优化工具或优化方法 446

26.2.6指定优化循环控制方式 447

26.2.7进行优化分析 448

26.2.8查看设计序列结果 449

26.2.9操作设计序列 449

26.2.10多层优化计算 450

26.3优化技术 451

26.3.1零阶方法 451

26.3.2一阶方法 453

26.3.3随机搜索法 454

26.3.4等步长搜索法 454

26.3.5乘子计算法 454

26.3.6最优梯度法 454

26.4选择优化变量注意事项 454

26.4.1选择设计变量 454

26.4.2选择状态变量 455

26.4.3选择目标函数 455

26.5实例：高速转盘的动力学优化设计 456

26.5.1工程背景 456

26.5.2问题的描述 456

26.5.3 GUI操作 457

第27章 拓扑优化 462

27.1拓扑优化的基本概念 462

27.2拓扑优化的步骤 462

27.2.1定义拓扑优化问题 462

27.2.2选择单元类型 462

27.2.3指定优化和非优化的区域 462

27.2.4定义载荷 463

27.2.5定义和控制优化过程 464

27.2.6查看结果 470

27.3实例：自行车车架的拓扑优化 470

27.3.1工程背景 470

27.3.2问题的描述 471

27.3.3 GUI操作 471

第28章 疲劳分析 474

28.1疲劳的基本概念 474

28.1.1 ANSYS程序处理疲劳问题的过程 474

28.1.2基本术语 474

28.2疲劳分析的步骤 475

28.2.1进入POST1和恢复数据库 475

28.2.2建立疲劳计算的规模、材料疲劳性质和疲劳计算的位置 475

28.2.3储存应力、指定事件循环次数和比例因子 476

28.2.4激活疲劳计算 481

28.2.5查看计算结果 481

28.3实例：压力容器的疲劳分析 481

28.3.1工程背景 481

28.3.2问题的描述 482

28.3.3 GUI操作 482

第29章 自适应网格划分 487

29.1网格自适应划分的概念 487

29.2自适应网格划分的先决条件 487

29.3自适应网格划分的基本过程 487

29.4修改基本过程 488

29.4.1选择自适应性 488

29.4.2通过用户子程序定制ADAPT宏 488

29.4.3定制ADAPT宏 490

29.5自适应网格划分的注意事项 490

29.6实例：应力集中模型的自适应计算 491

29.6.1工程背景 491

29.6.2问题的描述 491

29.6.3 GUI操作 492

第30章 可靠性分析 494

30.1基于有限元的概率设计简介 494

30.2可靠性分析术语 495

30.3随机输入参数类型 496

30.3.1高斯正态分布 496

30.3.2截断高斯分布 497

30.3.3对数正态分布 497

30.3.4三角分布 498

30.3.5均匀分布 498

30.3.6指数分布 498

30.3.7 Beta分布 499

30.3.8伽玛分布 499

30.3.9威布尔分布 499

30.4概率设计方法 500

30.4.1蒙特卡罗模拟技术 500

30.4.2响应面法 502

30.5实例：路基可靠性分析 504

30.5.1工程背景 504

30.5.2问题的描述 505

30.5.3 GUI操作 505

附录 511

附录A获取函数 511

附录B ANSYS有限元网格划分的基本原则 513

附录C有限元收敛速度和精确估计 516