ANSYS有限元分析与工程应用.pdf

ANSYS 有限元分析 与工程应用 蒋春松 孙 浩 朱一林 等编著 粟思科 审 校 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 以往介绍 ANSYS 应用实例的书籍，要么只给出 GUI 操作路径，要么只给出命令流，或者虽然同时给出GUI 操作路径和命令流，但是大多是用 GUI 操作路径分析完成后再附上实例的命令流，相互之间没有对应衔接，不便于学习。为此，本书按照 GUI 界面操作和命令流相结合的方式，帮助用户掌握大型通用有限元软件ANSYS 及其在各专业领域的应用，提高 GUI 界面操作能力，读懂命令流直至具备独立编写命令流能力。本书共分为 8 章，主要内容包括：ANSYS13.0 概述；ANSYS 分析的基本步骤，即分析问题、建立几何模型、创建有限元模型、施加载荷、求解，以及后处理分析；线性静力分析；热学分析；动力学分析；非线性分析；疲劳断裂问题分析：优化设计。本书适用于 ANSYS 软件的初、中级用户，以及有初步使用经验的技术人员，也可作为理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生及教师学习 ANSYS 软件的培训教材，也可以作为从事相关领域科学技术研究的工程技术人员学习和使用 ANSYS 软件的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 ANSYS 有限元分析与工程应用/蒋春松等编著.北京：电子工业出版社，2012.8 ISBN 978-7-121-17819-1 I.A .蒋 .有限元分析-应用程序 .O241.82 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 179328 号 责任编辑：桑 昀 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：30 字数：771.2 千字 印 次：2012 年 8 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：59.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 ANSYS 软件是融合结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、汽车工程、机械制造、航空航天、核工程等一般工业及科学研究。为了帮助用户更好地掌握 ANSYS 应用，本书以最新版 ANSYS13.0为平台，介绍了 ANSYS 的基本使用方法，包括建模、网格划分、施加载荷、求解及后处理等，并结合热点研究课题中的实例来详细讲述 ANSYS 在工程中的具体应用。本书从实际应用出发，在介绍 GUI 操作的同时，还在旁边给出命令流，即每一步操作后都从 Sessions Editor 中提取和修改相对应的命令代码，这样使读者不仅掌握了 ANSYS 软件 GUI 操作，而且也懂得命令流是如何方便获取的，进而学会如何去编辑和使用命令流，达到双重学习效果。以往的应用实例要么只给出 GUI 操作，要么只给出命令流，或者虽然GUI 和命令流均给出，但都是在 GUI 操作分析完之后再附上实例的命令流，相互之间没有对应衔接，不便于学习。本书特色 本书特色在于将 GUI 和命令流同步对应给出，即每一步操作后都打开 Sessions Editor 提取和修改相对应的命令代码。在学习 GUI 操作的同时，一起学习了命令流，从而更容易理解和使用命令流。通过这种交互的方式能够加深理解，提高学习效果。组织结构 本书分为 8 章：第 1 章简要概述了有限元方法的基本理念、技术特点，以及基本操作步骤；第 2 章详细介绍了有限元分析的一般步骤，包括建立几何模型、划分网格、施加载荷、求解设置及后处理分析；第 3 章介绍了线性静力分析的基本过程，包括杆系结构、梁结构和板壳结构的定义，以及在 ANSYS 中相应的常用单元；第 4 章介绍了热力学分析的基本过程，详细介绍了稳态热分析、瞬态热分析、热辐射分析和相变热分析；第 5 章主要介绍动力学分析，详细介绍了模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析，以及谱分析；第 6 章介绍了非线性分析，包括几何、材料和状态非线性分析；第 7 章讨论了疲劳断裂问题分析，详细介绍如何计算应力强度因子和 J 积分；第 8 章介绍了优化设计的基本过程，包括优化设计概述和优化设计的基本步骤。适用对象 ANSYS 软件的初、中级用户，以及有初步使用经验的技术人员。ANSYS 有限元分析与工程应用 IV 理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生及教师，作为学习 ANSYS 软件的培训教材。从事相关领域科学技术研究的工程技术人员，作为学习和使用 ANSYS 软件的参考书。高等院校理工科相关专业教师和学生。编者与致谢 本书由蒋春松、孙浩、朱一林等编著，粟思科审校，蒋春松统稿。王治国、张宇、刘昌龙、罗会亮、巩鹏飞、徐伟、陈龙、钟晓林、王娟、胡静、杨龙等人参与了编写工作，在此一并表示感谢。配套服务ANSYS 俱乐部 我们为 ANSYS 读者和用户尽心服务，围绕 ANSYS 技术、产品和项目市场，探讨 ANSYS应用与发展，发掘热点与重点，开展 ANSYS 教学。ANSYS 俱乐部 QQ：183090495，电子邮箱：，欢迎 ANSYS 爱好者和用户联系。本书提供部分内容的命令流，有需要的读者可登录华信教育资源网（）免费下载。由于作者水平所限，加之有限元软件 ANSYS 应用面广泛，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。编 著 者 目 录 第 1 章 ANSYS13.0 概述.（1）1.1 有限元方法简介.（1）1.1.1 有限元方法的基本思想.（1）1.1.2 有限元方法特点.（1）1.1.3 有限元分析基本步骤.（2）1.2 ANSYS 产品简介.（2）1.2.1 ANSYS 系列产品发展 过程.（2）1.2.2 ANSYS13.0 技术特点.（3）1.2.3 ANSYS13.0 功能创新.（3）1.2.4 ANSYS13.0 使用环境.（6）1.2.5 ANSYS13.0 软件功能.（6）1.2.6 ANSYS13.0 文件系统.（8）1.3 ANSYS13.0 的基本操作.（9）1.3.1 ANSYS13.0 启动.（9）1.3.2 ANSYS13.0 用户界面.（10）1.3.3 ANSYS13.0 退出.（12）1.4 ANSYS13.0 典型分析过程.（13）1.4.1 前处理.（13）1.4.2 加载求解.（13）1.4.3 后处理.（13）1.5 ANSYS13.0 的帮助文件.（14）本章小结.（15）思考题.（16）常见疑难问题解析.（16）第 2 章 ANSYS 分析的基本步骤.（17）2.1 分析问题.（17）2.2 建立几何模型.（17）2.2.1 自底向上建模方法.（18）2.2.2 自顶向下建模方法.（28）2.2.3 实体模型的布尔操作.（32）2.2.4 从其他系统导入模型.（45）2.3 创建有限元模型.（47）2.3.1 设定单元属性.（47）2.3.2 网格划分控制.（54）2.3.3 自由网格划分与映射 网格划分.（59）2.3.4 网格质量检查和修改.（60）2.3.5 直接生成单元网格的 方法.（62）2.4 施加载荷.（64）2.4.1 载荷概述.（64）2.4.2 施加载荷.（68）2.4.3 设定载荷步选项.（75）2.5 求解.（78）2.5.1 求解器.（79）2.5.2 求解多步载荷.（80）2.5.3 求解注意事项.（82）2.6 后处理.（83）2.6.1 后处理概述.（83）2.6.2 通用后处理器.（83）2.6.3 时间历程后处理器.（85）2.7 工程实例：简单台柱静力分析.（86）2.7.1 问题描述.（86）2.7.2 问题分析.（86）2.7.3 求解步骤.（86）2.7.4 简单台柱静力分析完 整命令流.（95）本章小结.（96）ANSYS 有限元分析与工程应用 VI 思考题.（96）常见疑难问题解析.（96）第 3 章 线性静力分析.（98）3.1 线性静力分析基本过程.（98）3.1.1 静力分析概述.（98）3.1.2 线性静力分析基本 步骤.（99）3.2 杆系结构静力分析.（102）3.2.1 杆系结构的定义.（102）3.2.2 ANSYS 常用的杆单元.（102）3.2.3 实例分析：人字形屋架 的静力分析.（103）3.3 梁结构静力分析.（115）3.3.1 梁结构的定义.（115）3.3.2 ANSYS 常用的梁单元.（115）3.3.3 实例分析：工字截面梁 平面弯曲分析.（115）3.4 板壳结构静力分析.（125）3.4.1 板壳结构的定义.（125）3.4.2 ANSYS 常用的 板壳单元.（126）3.4.3 实例分析：薄板圆孔构件 承载分析.（126）3.5 工程实例：龙门起重机主梁 静力分析.（134）3.5.1 问题描述.（134）3.5.2 问题分析.（135）3.5.3 求解步骤.（135）3.5.4 龙门起重机主梁静力 分析完整命令流.（145）本章小结.（147）思考题.（147）常见疑难问题解析.（148）第 4 章 热学分析.（150）4.1 热学分析简介.（150）4.1.1 基本传热方式.（150）4.1.2 热学分析的分类.（151）4.1.3 热学分析的基本材料 属性.（151）4.1.4 热学分析的边界条件.（152）4.1.5 热学分析参数符号和 单元.（153）4.2 稳态热分析.（154）4.2.1 稳态热分析概述.（154）4.2.2 实例分析：实心圆柱体的 稳态热传导过程分析.（154）4.2.3 实心圆柱体的稳态热传导 过程分析完整命令流.（165）4.3 瞬态热分析.（166）4.3.1 瞬态热分析概述.（167）4.3.2 实例分析：平板对接焊 过程模拟.（167）4.3.3 平板对接焊过程模拟完 整命令流.（179）4.4 热辐射分析.（184）4.4.1 热辐射分析概述.（184）4.4.2 实例分析：黑体热辐射 分析.（184）4.4.3 黑体热辐射分析完整求 解命令流.（190）4.5 相变热分析.（190）4.5.1 相变热分析概述.（191）4.5.2 实例分析：冰块融化的 热分析.（191）4.5.3 完整命令流.（206）4.6 热-结构耦合场分析.（208）4.6.1 热-结构耦合场概述.（208）4.6.2 实例分析：压力容器热-结构 耦合分析.（209）4.6.3 压力容器热-结构耦合 分析完整命令流.（217）4.7 工程实例：金刚石膜的残余热 应力计算.（221）4.7.1 问题描述和分析.（221）目录 VII4.7.2 求解步骤.（222）4.7.3 金刚石膜的残余热应力 完整命令流.（233）本章小结.（235）思考题.（235）常见疑难问题解析.（236）第 5 章 动力学分析.（237）5.1 动力学分析简介.（237）5.2 模态分析.（238）5.2.1 概述.（238）5.2.2 实例分析一：桁架桥模态 分析.（238）5.2.3 桁架桥模态分析完整命 令流.（247）5.2.4 实例分析二：锚固式储 液罐的模态分析.（250）5.2.5 锚固式储液罐的模态分析 完整命令流.（257）5.3 谐响应分析.（258）5.3.1 概述.（259）5.3.2 实例分析：弹簧质量系统 谐响应分析.（259）5.3.3 弹簧质量系统谐响应分析 完整命令流.（264）5.4 瞬态动力学分析.（265）5.4.1 概述.（265）5.4.2 实例分析：预应力 T 梁 瞬态分析.（265）5.4.3 预应力 T 梁瞬态分析 完整命令流.（273）5.5 谱分析.（275）5.5.1 概述.（275