有限元分析与ANSYS APDL编程及高级应用

前言

第1章概述

1.1引言

1.1.1弹性力学问题的解法

1.1.2有限元法的分类

1.2有限元法分析的步骤

1.3ANSYS软件简介

1.4ANSYS11.0的编程与特色

1.4.1ANSYS软件的编程

1.4.2ANSYS11.0的特色

第2章弹性力学的基础理论

2.1基本假设和基本概念

2.1.1弹性力学的基本假设

2.1.2弹性力学的基本概念

2.1.3弹性力学问题求解的基本方法

2.2弹性力学的基本方程

2.2.1平面应力和平面应变问题

2.2.2平衡方程应力与外力之间的关系

2.2.3几何方程应变与位移的关系

2.2.4物理方程应力与应变的关系

2.2.5三维弹性问题的基本方程

2.3轴对称问题的基本方程

2.3.1平衡方程应力与外力之间的关系

2.3.2几何方程应变与位移的关系

2.3.3物理方程应力与应变的关系

2.4有限元法的理论基础

2.4.1虚位移原理

2.4.2最小位能原理

2.4.3最小余能原理

第3章有限元分析的基础理论

3.1有限元方法的基本概念

3.2弹性力学平面问题的有限元法

3.2.1三角形常应变单元

3.2.2用等参数单元计算平面问题

3.2.3求解平面问题的较精密单元

3.3轴对称问题的有限元法

3.3.1三角形截面环形单元

3.3.2轴对称等参数单元

3.4空间问题的有限元法

3.4.1四面体单元

3.4.2等参数体单元

3.5有限元分析中几个问题的讨论

3.5.1有限元解的收敛性和误差估计

3.5.2有限单元网格划分精度的确定

3.5.3结构对称性的利用

第4章ANSYS操作与APDL编程

4.1ANSYS软件的启动与操作界面

4.1.1ANSYS的启动

4.1.2ANSYS的操作界面

4.1.3ANSYS软件的模块化组成

4.2ANSYS软件的约定与操作指南

4.2.1通用约定

4.2.2模型的缩放与平移

4.2.3图形拾取操作

4.2.4ANSYS工作平面的操作

4.2.5ANSYS坐标系统的操作

4.2.6ANSYS软件的解题步骤

4.3ANSYS的建模操作

4.3.1几何模型的生成方法

4.3.2有限元模型

4.4APDL文件的生成与运行

4.4.1如何生成APDL文件

4.4.2APDL文件的运行

4.5APDL的参数化变量

4.5.1参数名的命名规则与格式

4.5.2参数的定义与使用

4.5.3参数表达式与函数

4.6APDL中的参数化数组

4.6.1参数化数组的类型与定义

4.6.2数组元素的赋值

4.7APDL中循环与控制

4.7.1调用子程序

4.7.2无条件分支（*GO）与重复执行（*REPEAT）

4.7.3DO循环

4.7.4有条件分支（*IF）

第5章结构分析实例与应用技术

5.1高压平盖封头结构的分析

5.1.1建立力学分析模型

5.1.2ANSYS的分析过程

5.2圆柱齿轮轮齿的结构分析

5.2.1建立力学分析模型

5.2.2ANSYS的分析过程

5.3滚子链片的结构分析

5.3.1建立力学分析模型

5.3.2ANSYS的分析过程

5.4裂纹尖端应力强度因子的计算

5.4.1建立力学分析模型

5.4.2ANSYS的分析过程

5.5其他应用技术

5.5.1椭圆面或线的生成

5.5.2生成螺旋线或弹簧

5.5.3曲面上施加垂直面力

5.5.4六角头螺栓及螺纹的生成

5.5.5轴承支座及其扫略网格生成

5.5.6MPCI84单元使用实例

5.6优化设计使用实例

5.6.1尺寸优化设计实例

5.6.2行走平台结构的尺寸优化实例

5.6.3形状优化设计实例

5.6.4拓扑优化设计实例

第6章接触问题的有限元分析

6.1接触界面条件

6.2接触单元

6.2.1两节点单元

6.2.2六节点等参数单元

6.2.3三维八节点接触单元

6.3接触问题的弱形式

6.4接触问题的有限元法

6.4.1接触界面的离散处理

6.4.2Lagrange乘子法的有限元方程

6.4.3罚函数法的有限元方程

6.5ANSYS接触分析的特点及参数设置

6.5.1ANSYS接触分析的特点

6.5.2ANSYS接触分析中的参数设置

6.5.3接触对的生成

6.6接触分析的工程应用实例

6.6.1滚圈与托轮结构的接触分析

6.6.2过盈装配分析实例

6.6.3壳-实体装配分析实例

6.6.4三角架铰接结构分析实例

6.6.5热-结构的接触分析实例

第7章温度场的有限元分析

7.1温度场问题的基本方程

7.2稳态温度场的有限元法

7.3瞬态温度场的有限元法

7.4热应力问题的有限元计算

7.5利用ANSYS完成热分析

7.5.1稳态热分析

7.5.2瞬态热分析

7.6温度场分析的工程应用实例

7.6.1冷却栅的有限元分析

7.6.2罐体与节管的热分析

7.6.3瞬态传热分析实例

7.6.4压力容器的热应力分析实例

7.6.5热膨胀分析实例

7.6.6相变分析实例

第8章机械动力学的有限元分析

8.1结构的动力学方程

8.1.1基本方程

8.1.2虚功原理

8.1.3有限元分析形式

8.1.4常用单元的质量矩阵

8.1.5阻尼矩阵的计算

8.2结构动力响应的有限元分析

8.2.1无阻尼系统的解耦合方程

8.2.2阻尼系统的解耦合方程

8.2.3直接积分的显式算法

8.2.4直接积分的隐式算法

8.3机械动力学分析的工程实例

8.3.1主轴结构的模态分析

8.3.2电动机系统的谐响应分析

8.3.3瞬态动力学分析实例

8.3.4谱分析

8.3.5循环对称结构的模态分析

8.3.6振动圆梁的谐响应分析

参考文献

　　本书针对结构分析的特点，介绍了弹性力学分析、温度场分析、接触分析、动力学分析中的有限元基本理论与方程；并结合ANSYS软件，介绍了有限元分析的基本过程与步骤；特别是本书详细阐述了利用ANSYS软件完成上述分析时的参数设置。介绍了ANSYS软件的基本操作和ANSYS参数化设计编程，以及如何编写APDL命令流文件的过程与步骤。全书共分为8章，第1章至第3章主要介绍了有限元法理论中所涉及的力学知识，有限元法的基本理论、分析步骤、误差估计和网格划分对计算结果的影响，以及ANSYS软件使用和编程的特点；第4章至第8章主要介绍了ANSYS软件的基本操作及ANSYS参数化设计编程的基础知识，有限元法在结构分析、接触分析、温度场分析和动力学分析中的基本理论和工程实例，并对每个实例进行了分析和阐述，给出了详细的分析过程和APDL源代码。总之，本书是有限元法的基本理论与ANSYS软件操作及高级使用的合并，既是初学者学习有限元法的基本理论和ANSYS软件使用的教材，也为高级读者利用有限元法和ANSYS软件从事工程应用的辅导书。　　本书从介绍有限元法入手，详细讲解了ANSYSAPDL编程及其高级应用技术。全书共分为8章，除介绍弹性力学和有限元法的基础理论知识、分析过程的基本步骤及建模外，还将有限元分析和ANSYS软件相结合，通过42个编程与实例，讲解了ANSYSAPDL编程在结构分析、温度场分析、接触分析和动力学分析中的应用情况，并为每个实例提供了APDL命令流的源代码和注释，同时列出了分析结果。　　本书可作为利用有限元分析技术及ANSYS软件从事工程应用、科学研究的工程技术人员的参考书，也可作为理工科相关专业的高年级本科生、研究生学习有限元基本理论及使用ANSYS软件的教材。