第1章 有限元基本理论 1
1.1 有限元法发展综述 1
1.1.1 有限元法的孕育过程及诞生和发展 2
1.1.2 有限元法的基本思想 2
1.1.3 有限元的应用及其发展趋势 4
1.2 有限元分析基本理论 6
1.2.1 有限元分析的基本概念和计算步骤 6
1.2.2 基于最小势能原理的有限元法 14
1.2.3 杆系结构的非线性分析理论 19
1.2.4 稳定计算理论 30
1.3 本章小结 32
第2章 ANSYS Workbench 14.5概述 33
2.1 ANSYS Workbench 14.5平台及模块 33
2.1.1 Workbench平台界面 34
2.1.2 菜单栏 34
2.1.3 工具栏 41
2.1.4 工具箱 41
2.2 DesignModeler14.5几何建模 45
2.2.1 DesignModeler几何建模平台 45
2.2.2 菜单栏 46
2.2.3 工具栏 54
2.2.4 常用命令栏 56
2.2.5 Tree Outline（模型树） 56
2.2.6 DesignModeler几何建模实例——连接板 59
2.3 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler几何建模 67
2.3.1 SpaceClaim几何建模平台 68
2.3.2 菜单选项卡 69
2.3 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler几何建模实例 71
2.4 ANSYS Meshing 14.5网格划分平台 76
2.4.1 Meshing网格划分适用领域 76
2.4.2 Meshing网格划分方法 76
2.4.3 Meshing网格默认设置 79
2.4.4 Meshing网格尺寸设置 80
2.4.5 Meshing网格膨胀层设置 84
2.4.6 Meshing网格Patch Conforming选项 85
2.4.7 Meshing网格高级选项 86
2.4.8 Meshing网格损伤设置 86
2.4.9 Meshing网格评估统计 87
2.5 ANSYS Meshing 14.5网格划分实例 93
2.5.1 应用实例1——网格尺寸控制 93
2.5.2 应用实例2——扫掠网格划分 102
2.5.3 外部网格导入实例1——CDB网格导入 109
2.5.4 外部网格导入实例2——CDB网格导入 113
2.6 ANSYS Mechanical 14.5后处理 116
2.6.1 查看结果 116
2.6.2 结果显示 120
2.6.3 变形显示 120
2.6.4 应力和应变 121
2.6.5 接触结果 122
2.6.6 自定义结果显示 123
2.7 本章小结 124
第3章 结构静力学分析案例详解 125
3.1 线性静力分析简介 125
3.1.1 线性静力分析 125
3.1.2 线性静力分析流程 126
3.1.3 线性静力分析基础 127
3.2 静力学分析实例1——实体静力分析 127
3.2.1 问题描述 127
3.2.2 启动Workbench并建立分析项目 127
3.2.3 导入创建几何体 128
3.2.4 添加材料库 129
3.2.5 添加模型材料属性 130
3.2.6 划分网格 131
3.2.7 施加载荷与约束 132
3.2.8 结果后处理 134
3.2.9 保存与退出 136
3.2.10 读者演练 136
3.3 静力学分析实例2——梁单元线性静力分析 137
3.3.1 问题描述 137
3.3.2 启动Workbench并建立分析项目 137
3.3.3 创建几何体 138
3.3.4 添加材料库 142
3.3.5 添加模型材料属性 143
3.3.6 划分网格 145
3.3.7 施加载荷与约束 146
3.3.8 结果后处理 147
3.3.9 保存与退出 150
3.3.10 读者演练 150
3.4 静力学分析实例3——板单元静力分析 151
3.4.1 问题描述 151
3.4.2 启动Workbench并建立分析项目 151
3.4.3 导入创建几何体 151
3.4.4 添加材料库 152
3.4.5 添加模型材料属性 153
3.4.6 划分网格 154
3.4.7 施加载荷与约束 155
3.4.8 结果后处理 156
3.4.9 保存与退出 157
3.4.10 读者演练 158
3.5 静力学分析实例4——子模型静力分析 158
3.5.1 问题描述 158
3.5.2 启动Workbench并建立分析项目 158
3.5.3 导入创建几何体 159
3.5.4 添加材料库 160
3.5.5 添加模型材料属性 162
3.5.6 划分网格 163
3.5.7 施加载荷与约束 163
3.5.8 结果后处理 165
3.5.9 子模型分析 167
3.5.10 保存并退出 171
3.6 本章小结 171
第4章 模态分析案例详解 172
4.1 结构动力学分析简介 172
4.1.1 结构动力学分析 172
4.1.2 结构动力学分析的阻尼 173
4.2 模态分析简介 173
4.2.1 模态分析 174
4.2.2 模态分析基础 174
4.2.3 预应力模态分析 175
4.3 模态分析实例1——模态分析 175
4.3.1 问题描述 175
4.3.2 启动Workbench并建立分析项目 175
4.3.3 创建几何体 176
4.3.4 添加材料库 176
4.3.5 添加模型材料属性 178
4.3.6 划分网格 179
4.3.7 施加载荷与约束 179
4.3.8 结果后处理 181
4.3.9 保存与退出 183
4.4 模态分析实例2——有预应力模态分析 184
4.4.1 问题描述 184
4.4.2 启动Workbench并建立分析项目 184
4.4.3 创建几何体 185
4.4.4 添加材料库 185
4.4.5 添加模型材料属性 187
4.4.6 划分网格 188
4.4.7 施加载荷与约束 188
4.4.8 模态分析 190
4.4.9 后处理 190
4.4.10 保存与退出 192
4.5 模态分析实例3——有预应力模态分析 192
4.5.1 问题描述 193
4.5.2 修改外载荷数据 193
4.5.3 模态分析 193
4.5.4 后处理 194
4.5.5 保存与退出 195
4.5.6 结论 195
4.6 本章小结 196
第5章 谐响应分析案例详解 197
5.1 谐响应分析简介 197
5.1.1 谐响应分析 197
5.1.2 谐响应分析的载荷与输出 198
5.1.3 谐响应分析通用方程 198
5.2 谐响应分析实例1——梁单元谐响应分析 198
5.2.1 问题描述 199
5.2.2 启动Workbench并建立分析项目 199
5.2.3 创建模态分析项目 200
5.2.4 材料选择 200
5.2.5 施加载荷与约束 201
5.2.6 模态分析 203
5.2.7 后处理 203
5.2.8 创建谐响应分析项目 205
5.2.9 施加载荷与约束 205
5.2.10 谐响应计算 206
5.2.11 结果后处理 207
5.2.12 保存与退出 209
5.3 谐响应分析实例2——实体模型谐响应分析 209
5.3.1 问题描述 210
5.3.2 启动Workbench并建立分析项目 210
5.3.3 材料选择 211
5.3.4 施加载荷与约束 211
5.3.5 模态分析 213
5.3.6 后处理 213
5.3.7 谐响应分析 215
5.3.8 谐响应计算 216
5.3.9 结果后处理 216
5.3.10 保存与退出 218
5.4 本章小结 219
第6章 响应谱分析案例详解 220
6.1 响应谱分析简介 220
6.1.1 频谱的定义 220
6.1.2 响应谱分析的基本概念 221
6.2 响应谱分析实例1——简单桥梁响应谱分析 223
6.2.1 问题描述 223
6.2.2 启动Workbench并建立分析项目 224
6.2.3 导入几何体模型 224
6.2.4 静态力学分析 225
6.2.5 添加材料库 225
6.2.6 划分网格 226
6.2.7 施加约束 227
6.2.8 模态分析 229
6.2.9 结果后处理 229
6.2.10 响应谱分析 230
6.2.11 添加加速度谱 230
6.2.12 后处理 231
6.2.13 保存与退出 233
6.3 响应谱分析实例2——建筑物框架响应谱分析 233
6.3.1 问题描述 233
6.3.2 启动Workbench并建立分析项目 234
6.3.3 导入几何体模型 235
6.3.4 静态力学分析 235
6.3.5 添加材料库 236
6.3.6 划分网格 236
6.3.7 施加约束 237
6.3.8 模态分析 238
6.3.9 结果后处理 238
6.3.10 响应谱分析 240
6.3.11 添加加速度谱 240
6.3.12 后处理 242
6.3.13 保存与退出 242
6.4 本章小结 243
第7章 随机振动分析案例详解 244
7.1 随机振动分析简介 244
7.2 随机振动分析实例1——简单桥梁随机振动分析 245
7.2.1 问题描述 245
7.2.2 启动Workbench并建立分析项目 246
7.2.3 导入几何体模型 246
7.2.4 静态力学分析 247
7.2.5 添加材料库 248
7.2.6 划分网格 248
7.2.7 施加约束 249
7.2.8 模态分析 251
7.2.9 结果后处理 251
7.2.10 随机振动分析 253
7.2.11 添加加速度谱 253
7.2.12 后处理 254
7.2.13 保存与退出 255
7.3 随机振动分析实例2——建筑物框架随机振动分析 256
7.3.1 问题描述 256
7.3.2 启动Workbench并建立分析项目 256
7.3.3 导入几何体模型 257
7.3.4 静态力学分析 258
7.3.5 添加材料库 258
7.3.6 划分网格 258
7.3.7 施加约束 259
7.3.8 模态分析 261
7.3.9 结果后处理 261
7.3.10 随机振动分析 262
7.3.11 添加加速度谱 263
7.3.12 后处理 264
7.3.13 保存与退出 265
7.4 本章小结 265
第8章 瞬态动力学分析案例详解 266
8.1 瞬态动力学分析简介 266
8.1.1 瞬态动力学分析 266
8.1.2 瞬态动力学分析基本公式 266
8.2 瞬态动力学分析实例1——蜗轮蜗杆传动分析 267
8.2.1 问题描述 267
8.2.2 启动Workbench并建立分析项目 267
8.2.3 导入几何体模型 267
8.2.4 瞬态动力学分析 268
8.2.5 添加材料库 270
8.2.6 划分网格 270
8.2.7 施加约束 271
8.2.8 结果后处理 272
8.2.9 保存与退出 274
8.3 瞬态动力学分析实例2——活塞运动分析 274
8.3.1 问题描述 274
8.3.2 启动Workbench并建立分析项目 274
8.3.3 导入几何体模型 275
8.3.4 瞬态动力学分析 276
8.3.5 添加材料库 279
8.3.6 划分网格 279
8.3.7 施加约束 280
8.3.8 结果后处理 281
8.3.9 保存与退出 283
8.4 活塞运动优化分析 283
8.5 本章小结 287
第9章 接触分析案例详解 288
9.1 接触分析简介 288
9.2 静态接触分析实例——铝合金板孔受力分析 290
9.2.1 问题描述 290
9.2.2 启动Workbench并建立分析项目 291
9.2.3 建立几何体模型 291
9.2.4 添加材料库 292
9.2.5 添加模型材料属性 292
9.2.6 创建接触 293
9.2.7 划分网格 293
9.2.8 施加载荷与约束 295
9.2.9 结果后处理 296
9.2.10 保存与退出 298
9.3 本章小结 299
第10章 显示动力学分析案例详解 300
10.1 显示动力学分析简介 300
10.2 显示动力学分析实例1——钢球撞击金属网分析 302
10.2.1 问题描述 302
10.2.2 启动Workbench并建立分析项目 302
10.2.3 启动WorkbenchLS-DYNA建立项目 303
10.2.4 材料选择与赋予 304
10.2.5 建立项目分析 304
10.2.6 分析前处理 305
10.2.7 施加载荷 306
10.2.8 结果后处理 308
10.2.9 保存与退出 310
10.3 显示动力学分析实例2——金属块穿透钢板分析 310
10.3.1 问题描述 310
10.3.2 启动Workbench并建立分析项目 310
10.3.3 绘制几何模型 311
10.3.4 材料选择 314
10.3.5 显示动力学分析前处理 315
10.3.6 施加约束 316
10.3.7 结果后处理 318
10.3.8 启动AUTODYN软件 319
10.3.9 LS-DYNA计算 322
10.3.10 保存与退出 324
10.4 本章小结 324
第11章 复合材料分析案例详解 325
11.1 复合材料概论 325
11.2 ANSYS ACP模块功能概述 326
11.3 复合材料静力学分析实例——复合板受力分析 329
11.3.1 问题描述 329
11.3.2 启动Workbench软件 329
11.3.3 静力分析项目 330
11.3.4 定义复合材料数据 331
11.3.5 数据更新 333
11.3.6 ACP复合材料定义 334
11.3.7 有限元计算 342
11.3.8 后处理 342
11.3.9 ACP专业后处理工具 343
11.3.10 保存与退出 345
11.4 本章小结 345
第12章 疲劳分析案例详解 346
12.1 疲劳分析简介 346
12.2 疲劳分析实例——轴疲劳分析 348
12.2.1 问题描述 348
12.2.2 启动Workbench并建立分析项目 349
12.2.3 导入几何模型 349
12.2.4 添加材料库 350
12.2.5 添加模型材料属性 350
12.2.6 划分网格 350
12.2.7 施加载荷与约束 351
12.2.8 结果后处理 353
12.2.9 保存文件 354
12.2.10 启动nCode程序 354
12.2.11 疲劳分析 356
12.2.12 保存与退出 357
12.3 本章小结 357
第13章 多体动力学分析案例详解 358
13.1 多体动力学分析简介 358
13.2 多体动力学分析实例——挖掘机臂运动分析 359
13.2.1 问题描述 359
13.2.2 启动Workbench并建立分析项目 359
13.2.3 导入几何模型 360
13.2.4 多体动力学分析 360
13.2.5 添加材料库 363
13.2.6 划分网格 363
13.2.7 施加约束 363
13.2.8 结果后处理 365
13.2.9 保存与退出 367
13.3 本章小结 368
第14章 稳态热力学分析案例详解 369
14.1 热力学分析简介 369
14.1.1 热力学分析目的 369
14.1.2 热力学分析 369
14.1.3 基本传热方式 370
14.2 稳态热力学分析实例1——热传递分析 371
14.2.1 问题描述 371
14.2.2 启动Workbench并建立分析项目 371
14.2.3 导入几何模型 371
14.2.4 创建分析项目 372
14.2.5 添加材料库 372
14.2.6 添加模型材料属性 374
14.2.7 划分网格 375
14.2.8 施加载荷与约束 375
14.2.9 结果后处理 377
14.2.10 保存与退出 379
14.3 稳态热力学分析实例2——热对流分析 379
14.3.1 问题描述 379
14.3.2 启动Workbench并建立分析项目 379
14.3.3 导入几何模型 380
14.3.4 创建分析项目 381
14.3.5 添加材料库 381
14.3.6 添加模型材料属性 382
14.3.7 划分网格 383
14.3.8 施加载荷与约束 384
14.3.9 结果后处理 385
14.3.10 保存与退出 386
14.3.11 读者演练 386
14.4 稳态热力学分析实例3——热辐射分析 387
14.4.1 案例介绍 387
14.4.2 启动Workbench并建立分析项目 387
14.4.3 定义材料参数 387
14.4.4 导入模型 388
14.4.5 划分网格 388
14.4.6 定义荷载 390
14.4.7 后处理 391
14.4.8 保存并退出 393
14.5 本章小结 393
第15章 瞬态热力学分析案例详解 394
15.1 热力学分析简介 394
15.1.1 瞬态热力学分析目的 394
15.1.2 瞬态热力学分析 394
15.2 瞬态热力学分析实例1——散热片瞬态热学分析 394
15.2.1 问题描述 395
15.2.2 启动Workbench并建立分析项目 395
15.2.3 创建瞬态热分析 395
15.2.4 施加载荷与约束 396
15.2.5 后处理 396
15.2.6 保存与退出 397
15.3 瞬态热力学分析实例2——高温钢球瞬态热学分析 398
15.3.1 问题描述 398
15.3.2 启动Workbench并建立分析项目 398
15.3.3 创建瞬态热分析 398
15.3.4 施加载荷与约束 400
15.3.5 后处理 401
15.3.6 保存与退出 402
15.4 本章小结 402
第16章 流体动力学分析案例详解 403
16.1 流体动力学分析简介 403
16.1.1 流体动力学分析 403
16.1.2 CFD基础 406
16.2 流体动力学实例1——CFX内流场分析 414
16.2.1 问题描述 414
16.2.2 启动Workbench并建立分析项目 414
16.2.3 创建几何模型 415
16.2.4 网格划分 415
16.2.5 流体动力学前处理 417
16.2.6 流体计算 419
16.2.7 结果后处理 420
16.3 流体动力学实例2——Fluent流场分析 422
16.3.1 问题描述 422
16.3.2 软件启动与保存 423
16.3.3 导入几何数据文件 423
16.3.4 网格设置 424
16.3.5 进入Fluent平台 426
16.3.6 材料选择 428
16.3.7 设置几何属性 428
16.3.8 流体边界条件 429
16.3.9 求解器设置 430
16.3.10 结果后处理 431
16.3.11 Post后处理 434
16.4 流体动力学实例3——Icepak流场分析 436
16.4.1 问题描述 438
16.4.2 软件启动与保存 438
16.4.3 导入几何数据文件 438
16.4.4 添加Icepak模块 439
16.4.5 求解分析 443
16.4.6 Post后处理 445
16.4.7 静态力学分析 446
16.5 本章小结 448
第17章 电场分析案例详解 449
17.1 电磁场基本理论 449
17.1.1 麦克斯韦方程 449
17.1.2 一般形式的电磁场微分方程 451
17.1.3 电磁场中常见边界条件 452
17.1.4 ANSYS Workbench平台电磁分析 452
17.1.5 ANSOFT软件电磁分析 452
17.2 Maxwell静态电场分析实例——同轴电缆电场计算 453
17.2.1 启动Maxwell 16.0并建立分析项目 454
17.2.2 建立几何模型 454
17.2.3 建立求解器及求解域 456
17.2.4 添加材料 456
17.2.5 边界条件设置 458
17.2.6 求解计算 459
17.2.7 图表显示 461
17.2.8 Workbench平台中加载Maxwell工程文件 463
17.2.9 保存与退出 463
17.3 Maxwell直流传导分析实例——焊接位置的电场分析 464
17.3.1 启动Workbench并建立分析项目 464
17.3.2 几何模型导入 465
17.3.3 建立求解器 465
17.3.4 添加材料 465
17.3.5 边界条件设置 466
17.3.6 求解计算 467
17.3.7 网格划分 468
17.3.8 后处理 469
17.3.9 保存与退出 470
17.4 本章小结 470
第18章 磁场分析案例详解 471
18.1 ANSOFT软件磁场分析 471
18.2 Maxwell静态磁场分析实例——磁场力计算 472
18.2.1 启动Workbench并建立分析项目 472
18.2.2 建立几何模型 473
18.2.3 建立求解器及求解域 479
18.2.4 添加材料 479
18.2.5 边界条件设置 480
18.2.6 求解计算 481
18.2.7 参数化扫描 483
18.2.8 保存与退出 486
18.3 Maxwell涡流磁场分析实例——金属块涡流损耗 486
18.3.1 启动Workbench并建立分析项目 486
18.3.2 几何模型的导入 487
18.3.3 建立求解器 488
18.3.4 添加材料 488
18.3.5 边界条件设置 489
18.3.6 求解计算 490
18.3.7 损耗计算 492
18.3.8 保存与退出 493
18.4 Maxwell瞬态磁场分析实例——金属块涡流损耗 493
18.4.1 启动Workbench并建立分析项目 493
18.4.2 建立求解器 494
18.4.3 建立几何模型 494
18.4.4 添加材料 496
18.4.5 边界条件设置 496
18.4.6 网格划分 498
18.4.7 求解计算 499
18.4.8 图表显示 502
18.4.9 3D图表显示 503
18.4.10 保存与退出 505
18.5 本章小结 505
第19章 多物理场耦合分析案例详解 506
19.1 多物理场耦合分析简介 506
19.1.1 多物理场耦合分析 506
19.1.2 多物理场应用场合 507
19.2 耦合实例1——Maxwell和Mechanical线圈电磁结构瞬态耦合 508
19.2.1 问题描述 508
19.2.2 软件启动与保存 509
19.2.3 导入几何数据文件 509
19.2.4 求解器与求解域的设置 510
19.2.5 赋予材料属性 510
19.2.6 添加激励 511
19.2.7 模型检查与计算 513
19.2.8 后处理 514
19.2.9 创建电磁分析环境 516
19.2.10 创建力学分析和数据共享 517
19.2.11 材料设置 519
19.2.12 网格划分 520
19.2.13 添加边界条件与映射激励 520
19.2.14 求解计算 522
19.2.15 后处理 522
19.2.16 关闭Workbench平台 523
19.3 耦合实例2——FLUENT和Mechanical流体结构耦合分析 524
19.3.1 载入工程文件 524
19.3.2 结构力学计算 524
19.3.3 材料设置 525
19.3.4 网格划分 527
19.3.5 添加边界条件与映射激励 527
19.3.6 求解计算 529
19.3.7 后处理 529
19.3.8 读者演练 530
19.4 耦合实例3——Maxwell和Mechanical线圈电磁结构瞬态耦合 530
19.4.1 问题描述 530
19.4.2 软件启动与保存 530
19.4.3 导入几何数据文件 531
19.4.4 求解器与求解域的设置 532
19.4.5 赋予材料属性 532
19.4.6 添加激励 533
19.4.7 模型检查与计算 535
19.4.8 后处理 536
19.4.9 创建力学分析和数据共享 540
19.4.10 材料设置 541
19.4.11 网格划分 542
19.4.12 添加边界条件与映射激励 542
19.4.13 求解计算 545
19.4.14 后处理 545
19.4.15 关闭Workbench平台 546
19.5 耦合实例4——Maxwell和Icepak电磁热流耦合 546
19.5.1 问题描述 546
19.5.2 软件启动与保存 547
19.5.3 建立电磁分析 547
19.5.4 几何模型的建立 548
19.5.5 求解域的设置 552
19.5.6 赋予材料属性 552
19.5.7 添加激励 553
19.5.8 分析步创建 554
19.5.9 模型检查与计算 554
19.5.10 后处理 555
19.5.11 创建几何数据共享 556
19.5.12 添加Icepak模块 557
19.5.13 求解分析 561
19.5.14 Post后处理 563
19.6 本章小结 565
附录A Maxwell Circuit Editor电路编辑器 566
附录B ANSYS Workbench平台ACT模块 570
参考文献 573