ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例

出版说明

前言

第1章 有限元方法与ANSYS 1

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 施加函数型载荷 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Lanczos法 329

16.3.2 子空间法 329

16.3.3 PowerDynamics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

ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例》可作为高等学校理工类高年级本科生或硕士研究生学习ANSYS有限元分析软件的教材，也可供从事结构分析的工程技术人员参考使用，同时书中提供的大量实例还可供高级用户参考。