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第1章 有限元方法与ANSYS1

1.1 有限元方法的基本原理1

1.2 ANSYS 14.0的新功能1

1.2.1 接触分析的改进2

1.2.2 单元和非线性计算2

1.2.3 线性动力学3

1.2.4 材料模型与断裂力学3

1.3 ANSYS分析范例4

1.3.1 范例问题描述4

1.3.2 命令流4

第2章 单元6

2.1 单元插值和形函数6

2.2 单元的形状检查6

2.2.1 概述6

2.2.2 长宽比检查7

2.2.3 偏差角检查8

2.2.4 平行偏差检查8

2.2.5 最大顶角检查9

2.2.6 雅可比比率检查10

2.2.7 翘曲系数检查12

2.3 常用单元简介14

2.3.1 结构质量单元14

2.3.2 结构杆单元15

2.3.3 结构实体单元17

2.3.4 结构壳体单元24

2.3.5 热质量单元27

2.3.6 热杆单元28

2.3.7 热实体单元31

2.3.8 热壳体单元36

2.3.9 梁单元37

2.3.10 弹簧单元40

2.4 单元的选择流程45

2.4.1 设置单元筛选菜单45

2.4.2 根据模型的几何形状选择46

2.4.3 根据模型的维数选择47

2.4.4 选择单元的阶数47

第3章 模型的建立48

3.1 坐标系48

3.1.1 坐标系简介48

3.1.2 坐标系定义48

3.1.3 坐标系的激活51

3.2 自下向上建模51

3.2.1 关键点51

3.2.2 线52

3.2.3 面53

3.2.4 体53

3.3 自上向下建模54

3.3.1 定义面54

3.3.2 定义体55

3.4 建立有限元模型56

3.4.1 节点56

3.4.2 单元57

3.5 导入CAD模型59

3.6 参数化建模60

3.6.1 参数化建模概念60

3.6.2 使用参数60

3.6.3 APDL中控制程序64

3.7 布尔运算66

3.7.1 交运算66

3.7.2 加运算67

3.7.3 减运算68

3.7.4 分割运算69

3.7.5 搭接运算69

3.7.6 互分运算70

3.7.7 粘接运算71

第4章 网格划分72

4.1 网格划分的指导思想72

4.2 网格划分工具72

4.3 网格划分尺寸控制74

4.3.1 智能网格尺寸控制74

4.3.2 人工网格尺寸控制76

4.3.3 裂纹尖端网格尺寸控制79

4.4 网格划分器79

4.4.1 三角形表面网格划分80

4.4.2 四边形表面网格划分80

4.4.3 四面体单元网格划分功能81

4.4.4 控制四面体单元的改进81

4.5 网格划分流程81

4.5.1 设置单元属性81

4.5.2 设置单元尺寸82

4.5.3 选择网格划分方法82

4.5.4 检查网格84

4.5.5 修改网格85

第5章 加载86

5.1 载荷的概念86

5.2 载荷步、子步和平衡迭代87

5.3 跟踪中时间的作用87

5.4 阶跃与斜坡载荷88

5.5 定义载荷88

5.5.1 自由度约束89

5.5.2 对称与反对称约束89

5.5.3 施加力载荷91

5.5.4 施加表面载荷91

5.5.5 施加体积载荷93

5.5.6 施加惯性载荷95

5.5.7 施加轴对称载荷和反作用力96

5.5.8 施加表格型载荷97

5.5.9 旋加函数型载荷98

5.6 设置载荷步选项100

5.6.1 通用选项100

5.6.2 动力学分析选项102

5.6.3 非线性选项103

5.6.4 输出控制103

5.7 创建多载荷步文件104

第6章 求解105

6.1 选择求解器105

6.2 求解器的类型105

6.2.1 稀疏矩阵直接解法求解器105

6.2.2 预条件共轭梯度法求解器106

6.2.3 雅可比共轭梯度法求解器106

6.2.4 不完全乔里斯基共轭梯度法求解器106

6.2.5 二次最小残差求解器107

6.3 在某些类型结构分析使用特殊求解控制107

6.3.1 使用简化求解菜单107

6.3.2 使用“求解控制”对话框107

6.4 获得解答109

6.5 求解多载荷步109

6.5.1 使用多步求解法109

6.5.2 使用载荷步文件法109

第7章 后处理111

7.1 后处理功能概述111

7.1.1 ANSYS的后处理类型111

7.1.2 结果文件111

7.1.3 后处理可用的数据类型111

7.2 通用后处理器112

7.2.1 数据文件选项112

7.2.2 查看结果总汇113

7.2.3 读入结果113

7.2.4 图形显示结果115

7.2.5 列表显示结果118

7.2.6 查询结果119

7.2.7 输出选项120

7.2.8 单元表122

7.2.9 路径查看126

7.2.10 载荷工况128

7.3 时间-历程后处理器130

7.3.1 时间-历程变量观察器130

7.3.2 进入时间-历程后处理器132

7.3.3 定义变量132

7.3.4 处理变量并进行计算133

7.3.5 变量的评价134

7.3.6 POST26的其他功能135

第8章 线弹性静力学分析137

8.1 静力学分析概述137

8.2 线弹性静力学分析基本理论137

8.2.1 结构矩阵的导出137

8.2.2 线弹性静力学求解原理139

8.3 线弹性静力学分析步骤142

8.3.1 建立有限元模型142

8.3.2 激活静力学分析142

8.3.3 设置“求解控制”对话框142

8.3.4 施加载荷143

8.3.5 求解144

8.3.6 观察结果145

8.4 线弹性静力学工程实例145

第9章 梁结构分析148

9.1 概述148

9.2 梁横截面概述148

9.3 理解创建梁横截面149

9.3.1 定义梁横截面并关联截面ID号149

9.3.2 定义梁横截面几何尺寸并设置截面属性点149

9.3.3 使用BEAM188或BEAM189单元模拟线模型150

9.4 创建梁横截面150

9.4.1 使用梁工具去创建普通横截面151

9.4.2 使用用户定义网格建立自定义横截面155

9.4.3 创建具有网格加密和多种材料特性的自定义截面156

9.4.4 定义复合截面156

9.4.5 定义渐变式梁157

9.5 管理横截面和用户网格库157

9.6 梁结构分析工程实例158

第10章 壳结构分析160

10.1 概述160

10.2 理解壳体横截面160

10.3 创建壳体横截面160

10.3.1 定义壳体横截面并关联一个截面ID号161

10.3.2 定义层数据161

10.3.3 覆盖程序计算的截面属性161

10.3.4 指定可变厚度的壳体161

10.3.5 设置截面属性点161

10.3.6 把面与截面相关联162

10.3.7 壳截面工具162

10.4 如何定义变截面壳体164

10.5 壳体结构分析工程实例164

第11章 非线性分析167

11.1 非线性分析种类167

11.1.1 几何非线性167

11.1.2 材料非线性167

11.1.3 状态非线性167

11.2 几何非线性168

11.2.1 几何非线性的类型168

11.2.2 几何非线性基本理论168

11.2.3 几何非线性分析中的应变种类170

11.2.4 几何非线性的输入与输出171

11.3 材料非线性172

11.3.1 材料非线性的概念172

11.3.2 弹塑性理论基础173

11.3.3 常用的弹塑性模型定义方法178

11.3.4 粘塑性理论基础184

11.3.5 粘塑性材料模型的定义方法186

11.3.6 蠕变理论基础186

11.3.7 蠕变模型的实验数据拟合方法190

11.3.8 超弹材料理论基础193

11.3.9 超弹材料实验数据拟合198

11.4 求解非线性方程201

11.4.1 非线性方程求解方法201

11.4.2 非线性收敛准则203

11.4.3 预测器205

11.4.4 自适应下降206

11.4.5 线性搜索206

11.4.6 弧长法207

11.5 非线性静态分析步骤210

11.5.1 建立有限元模型210

11.5.2 激活静力学分析210

11.5.3 设置“求解控制”对话框210

11.5.4 设置分析选项217

11.5.5 定义载荷219

11.5.6 设置载荷步选项219

11.5.7 求解220

11.5.8 后处理220

11.6 非线性分析工程实例220

11.6.1 悬臂板的大变形分析220

11.6.2 钓鱼竿的非线性分析222

11.6.3 压力容器的弹塑性分析225

11.6.4 循环载荷作用的力学响应分析226

11.6.5 螺栓的应力松弛分析230

第12章 屈曲分析232

12.1 屈曲分析的类型232

12.1.1 非线性屈曲分析232

12.1.2 特征值屈曲分析233

12.2 非线性屈曲分析233

12.2.1 施加载荷增量233

12.2.2 自动时间步长功能233

12.2.3 不收敛解234

12.2.4 施加初始缺陷或扰动234

12.2.5 注意事项235

12.3 后屈曲分析235

12.4 特征值（线性）屈曲分析步骤236

12.4.1 基本理论236

12.4.2 特征值屈曲分析的步骤237

12.5 屈曲分析工程实例240

12.5.1 超长杆的特征值屈曲分析240

12.5.2 薄壁圆筒的特征值屈曲分析241

12.5.3 铰接薄壳的后屈曲分析242

第13章 接触分析245

13.1 概述245

13.2 接触问题分类245

13.2.1 面-面接触单元246

13.2.2 点-面接触单元246

13.2.3 三维线-线接触246

13.2.4 线面接触246

13.2.5 点-点接触单元247

13.3 面-面接触分析247

13.3.1 面面接触单元简介247

13.3.2 建立几何模型并划分网格247

13.3.3 识别接触对247

13.3.4 指定接触面和目标面248

13.3.5 定义目标面249

13.3.6 定义柔体的接触面253

13.3.7 接触和目标面的几何修正255

13.3.8 设置实常数和单元关键字选项257

13.3.9 控制刚性目标面的运动（刚体-柔体接触）276

13.3.10 为变形体时间必要的边界条件278

13.3.11 定义求解和载荷步选项278

13.3.12 求解278

13.3.13 观察结果278

13.4 热接触模拟279

13.4.1 热接触行为与接触状态279

13.4.2 自由热表面280

13.4.3 目标面上的温度280

13.4.4 模拟热传导280

13.4.5 模拟对流281

13.4.6 模拟辐射281

13.4.7 模拟摩擦生热282

13.4.8 模拟外部热通量282

13.5 接触分析工程实例283

13.5.1 过盈装配分析283

13.5.2 滚压成型分析285

13.5.3 橡胶圆筒的大变形接触分析289

13.5.4 平面拉弯成型分析291

13.5.5 圆柱滚子轴承的接触分析294

13.5.6 球体与平面的接触分析297

13.5.7 橡胶密封圈分析299

13.5.8 螺栓连接有限元分析301

第14章 装配体分析306

14.1 概述306

14.2 实体-实体和壳体-壳体的装配体307

14.3 壳体-实体的装配体308

14.4 基于面的约束310

14.4.1 定义基于面的约束311

14.4.2 定义影响范围（PINB）312

14.4.3 基于面约束的自由度312

14.4.4 指定一个局部坐标系312

14.4.5 分布力约束的几点说明313

14.4.6 刚性面约束的几点说明314

14.4.7 模拟梁-实体的装配体314

14.5 模拟刚体314

14.6 发现过度约束并消除315

14.7 使用内部MPC的限制和注意事项315

14.8 装配体分析工程实例316

14.8.1 轴支撑结构装配体分析316

14.8.2 壳体实体装配体分析317

第15章 阻尼分析320

15.1 ANSYS支持的阻尼类型320

15.2 瞬态分析和模态分析支持的阻尼类型320

15.2.1 基本理论320

15.2.2 输入方法321

15.3 谐响应分析支持的阻尼类型321

15.3.1 基本理论321

15.3.2 输入方法322

15.4 模态叠加法支持的阻尼类型324

15.4.1 基本理论324

15.4.2 输入方法325

15.5 瑞雷阻尼326

第16章 模态分析327

16.1 模态分析的概念327

16.2 模态分析基本理论327

16.2.1 无阻尼模态分析理论327

16.2.2 有阻尼模态分析理论328

16.2.3 重复的固有频率328

16.2.4 复数特征解328

16.3 模态计算方法329

16.3.1 分块Larczos法329

16.3.2 子空间法329

16.3.3 PowerDvnamics法329

16.3.4 缩减法330

16.3.5 非对称法330

16.3.6 阻尼法330

16.3.7 QR阻尼法330

16.4 模态分析基本流程330

16.4.1 建立有限元模型330

16.4.2 划分网格331

16.4.3 激活模态求解331

16.4.4 设置模态分析选项331

16.4.5 定义载荷334

16.4.6 设置载荷步选项334

16.4.7 求解334

16.4.8 观察结果334

16.5 缩减法模态分析336

16.5.1 程序选择主自由度336

16.5.2 用户选择主自由度336

16.5.3 选择主自由度的总体建议337

16.6 预应力模态分析337

16.7 大变形预应力模态分析338

16.8 模态分析工程实例338

16.8.1 齿轮装配体模态分析338

16.8.2 多材料的复模态分析343

16.8.3 旋转叶片的预应力模态分析345

第17章 瞬态动力学分析349

17.1 瞬态动力学分析的概念349

17.2 瞬态动力学的理论基础349

17.2.1 假设和限制349

17.2.2 求解瞬态动力学方程的基本方法349

17.2.3 积分时间步长选取准则353

17.2.4 自动时间步长355

17.3 完全法瞬态动力学分析步骤355

17.3.1 建立有限元模型355

17.3.2 激活完全法求解瞬态动力学356

17.3.3 设置初始条件356

17.3.4 设置“求解控制”对话框358

17.3.5 设置分析选项360

17.3.6 施加载荷361

17.3.7 设置载荷步选项361

17.3.8 求解361

17.3.9 观察结果361

17.4 缩减法瞬态动力学分析步骤362

17.4.1 建立有限元模型362

17.4.2 激活缩减法求解瞬态动力学362

17.4.3 设置分析选项363

17.4.4 定义主自由度363

17.4.5 定义间隙条件363

17.4.6 定义初始条件364

17.4.7 定义载荷365

17.4.8 定义载荷步365

17.4.9 求解368

17.4.10 观察结果368

17.4.11 扩展求解368

17.4.12 观察已扩展解的结果370

17.5 模态叠加法瞬态动力学分析步骤370

17.5.1 建立有限元模型370

17.5.2 进行模态分析370

17.5.3 激活模态叠加法求解瞬态动力学371

17.5.4 设置分析选项371

17.5.5 定义间隙条件371

17.5.6 定义初始条件372

17.5.7 定义载荷372

17.5.8 定义载荷步372

17.5.9 求解372

17.5.10 观察结果372

17.5.11 扩展求解372

17.6 有预应力瞬态动力学分析372

17.6.1 有预应力的完全法瞬态动力学分析372

17.6.2 有预应力的缩减法瞬态动力学分析373

17.6.3 有预应力的模态叠加法瞬态动力学分析373

17.7 瞬态动力学分析工程实例373

17.7.1 破碎锤的瞬态动力学分析373

17.7.2 冲击载荷作用悬臂梁的阻尼振动分析377

17.7.3 滑动摩擦接触分析379

第18章 谐响应分析383

18.1 谐响应分析的概念383

18.2 谐响应分析理论基础383

18.3 完全法谐响应分析步骤384

18.3.1 建立有限元模型384

18.3.2 激活谐响应分析384

18.3.3 设置谐响应分析选项385

18.3.4 定义载荷386

18.3.5 定义载荷步387

18.3.6 求解388

18.3.7 观察结果388

18.4 缩减法谐响应分析388

18.4.1 建立有限元模型388

18.4.2 激活谐响应分析388

18.4.3 设置缩减法求解388

18.4.4 定义主自由度389

18.4.5 定义载荷389

18.4.6 定义载荷步389

18.4.7 求解389

18.4.8 观察缩减法求解的结果389

18.4.9 扩展求解390

18.4.10 观察已扩展解的结果391

18.5 模态叠加法谐响应分析392

18.5.1 建立有限元模型392

18.5.2 获取模态分析解392

18.5.3 激活谐响应分析392

18.5.4 设置模态叠加法求解392

18.5.5 定义载荷393

18.5.6 定义载荷步393

18.5.7 开始求解394

18.5.8 扩展模态叠加解394

18.5.9 观察结果394

18.6 有预应力的谐响应分析394

18.6.1 有预应力的完全法谐响应分析394

18.6.2 有预应力的缩减法谐响应分析394

18.6.3 有预应力的模态叠加法谐响应分析395

18.7 谐响应分析工程实例395

18.7.1 碟片弹簧的谐响应分析395

18.7.2 扭杆的谐响应分析397

18.7.3 楔形梁的谐响应分析399

第19章 谱分析402

19.1 谱分析的概念402

19.2 谱分析的种类402

19.2.1 响应谱分析402

19.2.2 动力设计分析方法403

19.2.3 随机振动分析（功率谱密度）403

19.2.4 确定性分析与概率分析403

19.3 谱分析的基本理论403

19.3.1 ANSYS的假设和限制403

19.3.2 响应谱分析的基本原理403

19.3.3 参与因子和模态系数404

19.3.4 合并模态405

19.3.5 随机振动方法407

19.4 单点响应谱分析步骤410

19.4.1 建立有限元模型410

19.4.2 获得模态解410

19.4.3 激活谱分析410

19.4.4 设置分析选项411

19.4.5 定义载荷步选项411

19.4.6 开始求解413

19.4.7 退出求解器413

19.4.8 扩展模态414

19.4.9 合并模态415

19.4.10 观察结果417

19.5 随机振动（PSD）分析步骤417

19.5.1 建立有限元模型417

19.5.2 获得模态解417

19.5.3 激活谱分析417

19.5.4 设置分析选项417

19.5.5 定义载荷步选项417

19.5.6 定义载荷418

19.5.7 计算上述PSD激励参与因子419

19.5.8 处理多个PSD激励420

19.5.9 设置输出控制项421

19.5.10 开始求解421

19.5.11 合并模态421

19.5.12 观察结果422

19.6 随机振动分析结果应用424

19.6.1 随机振动结果与失效计算424

19.6.2 随机疲劳失效424

19.7 多点响应谱分析426

19.7.1 建立有限元模型426

19.7.2 获得模态解426

19.7.3 激活谱分析426

19.7.4 设置谱分析类型426

19.7.5 定义载荷步选项427

19.7.6 定义载荷428

19.7.7 计算上述多点响应谱激励参与因子428

19.7.8 合并模态428

19.7.9 观察结果428

19.8 谱分析工程实例428

19.8.1 简支梁的随机振动分析428

19.8.2 框架结构的单点响应谱分析430

第20章 热分析433

20.1 热分析的目的433

20.2 热分析的基本理论433

20.2.1 热分析的有限元控制方程433

20.2.2 热分析的求解技术436

20.3 稳态热分析的步骤437

20.3.1 建立有限元模型437

20.3.2 激活稳态热分析437

20.3.3 设置分析选项438

20.3.4 定义载荷439

20.3.5 定义载荷步选项441

20.3.6 求解443

20.3.7 后处理443

20.4 瞬态传热444

20.4.1 建立有限元模型444

20.4.2 激活瞬态热分析444

20.4.3 建立初始条件445

20.4.4 设置载荷步选项446

20.4.5 非线性选项448

20.4.6 后处理449

20.4.7 相变问题449

20.5 热-结构耦合分析450

20.5.1 热应力分析的分类450

20.5.2 间接法进行热应力分析的步骤451

20.6 热分析工程实例451

20.6.1 多材料热接触的传热分析451

20.6.2 液-固体相变分析453

第21章 断裂力学分析456

21.1 断裂力学分析基础456

21.1.1 裂纹类型456

21.1.2 断裂力学参数456

21.2 求解断裂力学问题458

21.2.1 建模裂纹尖端区域模型459

21.2.2 计算断裂参数460

21.3 J积分460

21.3.1 理解域积分法460

21.3.2 J积分计算过程462

21.4 能量释放率464

21.4.1 使用VCCT计算能量释放率464

21.4.2 能量释放率计算步骤466

21.5 应力强度因子468

21.5.1 基于相互作用积分法计算应力强度因子468

21.5.2 使用位移外推法计算应力强度因子471

21.6 断裂力学计算工程实例472

21.6.1 薄板边裂纹的应力强度因子计算472

21.6.2 冲击载荷作用下的动态应力强度因子计算474

21.6.3 三维应力强度因子的计算479

21.6.4 界面裂纹能量释放率的计算483

21.6.5 热应力作用下的断裂力学分析486

第22章 裂纹扩展模拟489

22.1 基于VCCT的裂纹扩展模拟489

22.2 VCCT裂纹扩展模拟过程489

22.2.1 建立预先定义裂纹路径的有限元模型489

22.2.2 执行能量释放率计算490

22.2.3 执行裂纹扩展计算490

22.2.4 裂纹扩展集定义491

22.3 裂纹扩展491

22.4 断裂准则492

22.4.1 临界能量释放率准则492

22.4.2 线性断裂准则493

22.4.3 双线性断裂准则493

22.4.4 B-K断裂准则494

22.4.5 修正B-K断裂准则494

22.4.6 幂率断裂准则495

22.4.7 用户自定义断裂准则496

22.5 裂纹扩展分析工程实例498

第23章 转子动力学分析504

23.1 概述504

23.1.1 通用动力学方程504

23.1.2 有限单元法模拟转子动力学的优点504

23.2 转子动力学分析工具505

23.2.1 常用的命令505

23.2.2 常用的单元505

23.2.3 常用的术语505

23.3 建立转子动力学模型508

23.3.1 建立模型508

23.3.2 建立轴承模型508

23.3.3 建立模型其他部件511

23.4 施加载荷和约束512

23.4.1 瞬态分析时施加旋转力512

23.4.2 谐响应分析时施加旋转力512

23.5 求解转子动力学问题513

23.5.1 添加阻尼513

23.5.2 指定旋转速度并且考虑陀螺效应513

23.5.3 求解随后预应力结构坎贝尔分析513

23.5.4 求解承受同步或不同步力的谐响应问题514

23.5.5 选择合适的求解器514

23.6 转子动力学的后处理515

23.6.1 处理复数结果515

23.6.2 观察运动轨迹516

23.6.3 输出轨迹特性517

23.6.4 动画显示轨迹517

23.6.5 完成瞬态分析后观察轨迹517

23.6.6 后处理轴承和反力517

23.6.7 坎贝尔图518

23.7 转子动力学分析工程实例521

23.7.1 单盘转子的临界转速分析521

23.7.2 转子系统不平衡激励的谐响应分析522

23.7.3 转子系统启动时的瞬态动力学分析526

23.7.4 冲击载荷作用下的转子系统响应分析532