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