ANSYS 18.2有限元分析与应用实例

目 录

第1章　有限单元法基本概念\t1

1．1 引言\t1

1．2 有限单元法的基本原理\t2

1．2．1 结构离散化\t2

1．2．2 单元刚度矩阵\t2

1．2．3 结构总体刚度方程\t5

第2章　平面问题的有限单元法\t7

2．1 平面问题概述\t7

2．1．1 平面应力问题\t7

2．1．2 平面应变问题\t8

2．2 结构离散化\t9

2．3 位移函数\t10

2．3．1 位移函数的一般形式\t10

2．3．2 3节点三角形单元的位移函数\t11

2．3．3 形函数的性质\t12

2．3．4 位移函数与解的收敛性\t13

2．4 单元刚度矩阵\t14

2．4．1 3节点三角形单元的单元刚度矩阵\t14

2．4．2 单元刚度矩阵的性质\t16

2．5 载荷移置与等效节点载荷\t17

2．6 结构总体刚度方程\t18

2．6．1 结构总体刚度方程的建立\t19

2．6．2 形成结构总体刚度矩阵的方法\t21

2．6．3 结构总体刚度矩阵的性质\t22

2．7 位移边界条件的处理\t23

2．7．1 降阶法\t24

2．7．2 对角元置1法\t24

2．7．3 对角元乘大数法\t25

2．8 应力计算及导出结果的计算\t26

2．8．1 单元应力及应变的计算\t26

2．8．2 主应力和主方向\t26

2．8．3 节点的应力\t27

2．9 解题示例\t27

2．10 6节点三角形单元\t31

2．10．1 面积坐标\t31

2．10．2 位移函数\t32

2．10．3 单元应变\t33

2．10．4 单元应力\t33

2．10．5 单元刚度矩阵\t33

第3章　最小势能原理和有限单元法\t37

3．1 最小势能原理\t37

3．2 基于最小势能原理的有限单元法\t38

3．3 对有限单元法收敛和精度的分析\t39

3．3．1 相容性要求\t39

3．3．2 完备性要求\t40

3．3．3 收敛和精度\t40

第4章　三维问题的有限单元法\t42

4．1 三维应力状态\t42

4．2 三维问题的四面体单元\t43

4．2．1 位移函数\t43

4．2．2 单元刚度矩阵\t44

4．2．3 载荷移置与等效节点载荷\t44

4．3 轴对称问题及其有限单元法\t45

4．3．1 轴对称问题\t45

4．3．2 轴对称问题的有限单元法\t46

第5章　梁单元\t48

5．1 直梁平面弯曲问题及梁单元\t48

5．1．1 直梁平面弯曲问题\t48

5．1．2 直梁平面弯曲问题的有限单元法\t48

5．2 铁摩辛柯梁单元\t52

第6章　等参数单元\t55

6．1 4节点矩形单元\t55

6．2 平面4节点等参数单元\t56

6．2．1 坐标变换和等参数单元\t56

6．2．2 单元刚度矩阵的计算\t58

6．2．3 其他参数单元\t60

6．3 高斯积分法\t60

6．4 剪切闭锁、体积闭锁、沙漏等概念简介\t62

6．4．1 剪切闭锁\t62

6．4．2 体积闭锁\t62

6．4．3 沙漏\t63

第7章　板壳单元\t67

7．1 板弯曲的有限单元法\t67

7．1．1 克希霍夫（Kirchhoff）薄板理论\t67

7．1．2 基于薄板理论的非协调板单元\t69

7．1．3 考虑横向剪切影响的平板弯曲单元\t71

7．2 薄壳结构的有限单元法\t73

第8章　有限元方程解法\t75

8．1 概述\t75

8．2 总体刚度矩阵的一维变带宽存储\t75

8．3 直接法\t76

8．3．1 高斯消元法\t76

8．3．2 LU分解法\t76

8．3．3 波前法\t77

8．4 迭代法\t79

8．4．1 雅可比迭代法和赛德尔迭代法\t79

8．4．2 共轭梯度法\t80

第9章　结构动力学分析\t83

9．1 结构的动力学方程\t83

9．2 结构的自振频率和振型\t84

9．2．1 概述\t84

9．2．2 基本QR法\t85

9．2．3 兰索斯法\t85

9．3 结构动力响应的求解方法\t86

9．3．1 直接积分法\t87

9．3．2 振型叠加法\t88

第10章　ANSYS的基本使用方法\t90

10．1 实例E10-1――平面桁架的受力分析\t90

10．1．1 问题描述及解析解\t90

10．1．2 分析步骤\t90

10．1．3 命令流\t94

10．2 ANSYS的主要功能\t95

10．3 ANSYS的特点\t96

10．4 ANSYS产品简介\t96

10．5 处理器\t97

10．6 ANSYS软件的使用\t97

10．6．1 ANSYS软件解决问题的步骤\t97

10．6．2 命令输入方法\t98

10．7 图形用户界面\t99

10．7．1 图形用户界面（GUI）\t99

10．7．2 对话框及其组成控件\t100

10．7．3 ANSYS的菜单系统\t102

练习题\t105

第11章　实体建模技术\t106

11．1 概述\t106

11．2 基本建模技术\t106

11．2．1 关键点的创建\t106

11．2．2 线的创建\t107

11．2．3 面的创建\t115

11．2．4 体的创建\t118

11．3 工作平面\t119

11．3．1 工作平面的设置\t120

11．3．2 工作平面的偏移和旋转\t120

11．4 高级建模技术\t124

11．4．1 布尔运算\t124

11．4．2 挤出\t129

11．4．3 有关实体建模的其他操作\t130

练习题\t138

第12章　有限元模型的创建\t140

12．1 几何模型的单元划分\t144

12．1．1 单元划分的步骤\t144

12．1．2 单元类型\t144

12．1．3 定义实常数\t145

12．1．4 材料属性\t145

12．1．5 截面\t147

12．1．6 分配单元属性\t150

12．1．7 单元形状及划分方法选择\t151

12．1．8 单元尺寸控制\t151

12．1．9 划分单元命令\t154

12．1．10 MeshTool对话框\t154

12．1．11 单元形状检查\t154

12．1．12 修改网格\t156

12．2 常用ANSYS单元类型\t158

12．2．1 概述\t158

12．2．2 LINK11\t162

12．2．3 LINK180\t163

12．2．4 BEAM188\t165

12．2．5 BEAM189\t174

12．2．6 PLANE182\t176

12．2．7 PLANE183\t179

12．2．8 SOLID185\t184

12．2．9 SOLID186\t187

12．2．10 SHELL181\t191

12．3 ANSYS结构分析常用材料模型\t201

12．3．1 常用材料模型的分类\t201

12．3．2 常用材料模型的创建\t202

12．4 直接生成有限元模型\t203

12．4．1 节点的创建和操作\t203

12．4．2 单元的创建和操作\t204

12．5 创建有限元模型的高级技术\t205

12．5．1 自适应单元划分\t205

12．5．2 子模型技术\t207

第13章　加载和求解\t210

13．1 载荷和载荷步\t210

13．1．1 载荷的类型\t210

13．1．2 载荷步、子步和平衡迭代\t211

13．1．3 载荷步选项\t211

13．2 DOF 约束\t216

13．2．1 施加DOF约束\t217

13．2．2 约束操作\t218

13．2．3 对称和反对称约束\t218

13．2．4 约束冲突\t220

13．3 集中载荷\t220

13．4 表面载荷\t221

13．4．1 施加表面载荷\t221

13．4．2 表面载荷操作\t224

13．4．3 压力梯度及加载\t224

13．4．4 函数加载\t225

13．4．5 表面效应单元\t228

13．5 体载荷\t229

13．5．1 施加体载荷\t229

13．5．2 操作体载荷\t230

13．5．3 惯性载荷\t230

13．6 特殊载荷\t230

13．6．1 耦合场载荷\t230

13．6．2 初始状态\t231

13．6．3 预紧力载荷\t233

13．7 求解器\t236

13．7．1 概述\t236

13．7．2 求解器类型\t238

13．8 分析类型\t239

13．9 多载荷步求解\t239

13．9．1 用多个SOLVE命令直接求解\t239

13．9．2 用载荷步文件求解\t240

13．9．3 用载荷数组参数求解\t241

第14章　结果后处理\t242

14．1 概述\t242

14．1．1 结果文件\t242

14．1．2 基本解和导出解\t242

14．2 通用后处理器\t243

14．2．1 读取结果数据到数据库\t243

14．2．2 结果坐标系\t244

14．2．3 单元表\t245

14．2．4 结果图形显示\t250

14．2．5 路径图\t258

14．2．6 列表操作\t260

14．2．7 结果查询\t263

14．2．8 载荷工况\t264

14．2．9 误差估计\t266

14．3 时间历程后处理器\t267

14．3．1 概述\t267

14．3．2 用变量查看结果\t268

14．4 动画技术\t273

第15章　其他辅助功能\t275

15．1 文件和文件管理\t275

15．1．1 概述\t275

15．1．2 文件操作\t275

15．2 实体选择、组件和部件\t277

15．2．1 实体选择\t278

15．2．2 组件和部件\t284

15．3 坐标系\t284

15．3．1 坐标系和工作平面概述\t284

15．3．2 有关坐标系的操作\t287

第16章　结构线性静力学分析\t297

16．1 概述\t297

16．2 桁架结构\t298

16．3 梁结构\t300

16．4 板壳结构\t309

16．5 平面结构\t311

16．6 空间结构\t317

第17章　ANSYS结构动力学分析\t328

17．1 概述\t328

17．2 模态分析\t328

17．2．1 模态分析的求解方法\t328

17．2．2 模态分析步骤\t329

17．2．3 模态分析选项\t330

17．3 谐响应分析\t341

17．3．1 谐响应分析概述\t341

17．3．2 谐响应分析步骤\t342

17．3．3 谐响应分析操作\t344

17．4 瞬态动力学分析\t353

17．4．1 瞬态动力学分析方法\t353

17．4．2 完全法瞬态动力学分析步骤\t354

17．4．3 模态叠加法瞬态动力学分析步骤\t355

17．4．4 瞬态动力学分析操作\t356

17．4．5 积分时间步长的确定\t359

17．5 谱分析\t374

17．5．1 概述\t374

17．5．2 单点响应谱分析步骤\t375

第18章　非线性分析\t385

18．1 非线性分析的基本概念\t385

18．1．1 概述\t385

18．1．2 非线性有限元方程的求解方法\t386

18．1．3 非线性分析的特性\t387

18．2 非线性分析的基本过程\t388

18．2．1 非线性分析的步骤\t388

18．2．2 非线性分析的操作\t389

18．3 几何非线性分析\t392

18．3．1 几何非线性概述\t392

18．3．2 应力和应变\t392

18．3．3 几何非线性分析的注意事项\t393

18．3．4 屈曲分析\t394

18．4 材料非线性分析\t399

18．4．1 材料非线性概述\t399

18．4．2 塑性力学的基本法则\t400

18．4．3 输入材料数据\t401

18．5 状态非线性分析\t405

18．5．1 接触概述\t405

18．5．2 接触问题的基本知识\t406

18．5．3 面-面接触\t408

18．6 单元生死技术\t425

18．6．1 概述\t425

18．6．2 单元生死的实现和应用\t426

18．6．3 使用ANSYS结果控制单元生死\t427

18．6．4 单元生死有关操作\t427

第19章　耦合场分析\t441

19．1 耦合场分析概述\t441

19．1．1 耦合场分析的定义\t441

19．1．2 耦合场分析的类型\t441

19．2 热应力计算\t443

19．2．1 ANSYS热分析简介\t443

19．2．2 稳态热分析步骤\t445

19．2．3 瞬态热分析步骤\t446

19．2．4 热应力计算方法\t448

19．3 流固耦合分析\t455

19．3．1 ANSYS流体动力学分析简介\t455

19．3．2 ANSYS流固耦合分析\t461

第20章　参数化设计语言APDL及优化设计\t468

20．1 参量及操作\t468

20．1．1 参量的定义和赋值\t468

20．1．2 数组参量\t469

20．1．3 表格型数组的定义和应用\t473

20．2 ANSYS内部函数和获取函数\t475

20．2．1 内部函数\t475

20．2．2 获取函数\t476

20．3 分支、循环和重复功能\t478

20．3．1 分支\t478

20．3．2 循环\t479

20．3．3 重复功能\t479

20．4 宏\t484

20．4．1 宏的创建\t484

20．4．2 宏的运行\t486

20．4．3 宏的参量\t486

20．5 定制用户化界面\t487

20．5．1 创建及编辑缩写\t487

20．5．2 提示用户输入单个参量值\t487

20．5．3 用MULTIPRO命令创建一个对话框\t488

20．5．4 消息对话框\t489

20．6 优化设计\t489

附录\t496

参考文献\t499