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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POST197

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