ANSYS有限元分析及仿真（第2版）

目 录

第1章 ANSYS操作基础 1
1.1 概述 1
1.2 操作界面 2
1.2.1 启动与设置 2
1.2.2 界面介绍 4
1.2.3 鼠标操作 6
1.3 ANSYS文件系统 6
1.3.1 文件类型 6
1.3.2 导入及导出其他兼容的数据格式 7
1.3.3 保存数据库文件 7
1.3.4 读取数据库文件 8
1.4 ANSYS分析过程 8
1.4.1 有限元分析过程 8
1.4.2 ANSYS典型分析过程 10
第2章 几何建模 11
2.1 几何建模概述 11
2.2 坐标系 12
2.2.1 坐标系的类型 12
2.2.2 总体坐标系 12
2.2.3 局部坐标系 13
2.2.4 显示坐标系 14
2.2.5 节点坐标系 14
2.2.6 单元坐标系 15
2.2.7 结果坐标系 15
2.3 工作平面 16
2.3.1 工作平面简介 16
2.3.2 定义一个新的工作平面 16
2.3.3 控制工作平面的显示和样式 17
2.3.4 移动工作平面 17
2.3.5 旋转工作平面 18
2.4 布尔操作 18
2.4.1 布尔操作的设置 18
2.4.2 相交操作 18
2.4.3 两两相交操作 19
2.4.4 相加操作 20
2.4.5 相减操作 20
2.4.6 利用工作平面相减操作 21
2.4.7 粘接操作 22
2.4.8 搭接操作 22
2.4.9 分割操作 23
2.5 自底向上创建几何模型 23
2.5.1 关键点 23
2.5.2 硬点 25
2.5.3 线 26
2.5.4 面 29
2.5.5 体 31
2.6 自顶向下创建几何模型 32
2.6.1 创建面素 33
2.6.2 创建体素 34
2.7 移动、复制和缩放几何模型 35
2.7.1 复制图元 35
2.7.2 镜像图元 36
2.7.3 转换图元的坐标系 36
2.7.4 图元的缩放 37
2.8 将CAD几何模型导入ANSYS 37
2.8.1 从IGES文件中输入几何模型 37
2.8.2 用IGES文件进行工作 37
2.8.3 把常用的CAD模型数据导入ANSYS 38
2.9 综合实例 39
实例2-1 直齿圆柱齿轮建模 39
实例2-2 轴承座建模 49
实例2-3 导入显示器外壳 59
第3章 网格划分 61
3.1 有限元模型概述 61
3.2 设置单元属性 62
3.2.1 生成单元属性表 62
3.2.2 网格划分前分配单元属性 63
3.3 网格划分控制 64
3.3.1 网格划分工具（MeshTool） 65
3.3.2 尺寸控制 66
3.3.3 网格划分器选项 67
3.3.4 单元形状控制 67
3.4 自由网格划分和映射网格划分 68
3.4.1 自由网格划分 68
3.4.2 映射网格划分 68
3.5 直接生成有限元模型 69
3.5.1 节点 69
3.5.2 单元 72
3.6 编号控制 75
3.6.1 合并重复项 75
3.6.2 压缩编号 76
3.6.3 设置起始编号 76
3.6.4 设置编号偏差 77
3.7 工程实例 77
实例3-1 轴的建模及网格划分 77
实例3-2 叶轮的建模及网格划分 83
实例3-3 飞轮的建模及网格划分 90
第4章 施加载荷 103
4.1 载荷概述 103
4.1.1 载荷类型 103
4.1.2 载荷步、子步和平衡迭代 104
4.1.3 时间的作用 104
4.1.4 加载方式 105
4.1.5 实体模型载荷与有限元
模型载荷 106
4.2 施加载荷 106
4.2.1 自由度约束 107
4.2.2 集中载荷 107
4.2.3 表面载荷 108
4.2.4 体载荷 109
4.2.5 惯性载荷 110
4.2.6 耦合场载荷 110
第5章 求解过程 111
5.1 求解概述 111
5.2 求解器 111
5.2.1 波前直接法 113
5.2.2 稀疏矩阵直接法 113
5.2.3 雅克比共轭梯度法 113
5.2.4 不完全分解共轭梯度法 113
5.2.5 预条件共轭梯度法 113
5.2.6 自动迭代法 114
5.3 求解方式 114
5.3.1 一般求解 114
5.3.2 多载荷步求解 115
5.3.3 重新启动分析 116
5.4 ANSYS求解前的预估计 117
5.4.1 估计求解时间 117
5.4.2 估计文件大小 118
5.4.3 估计内存需求 118
5.5 求解时需要注意的事项 119
第6章 结果后处理 120
6.1 后处理概述 120
6.1.1 什么是后处理 120
6.1.2 结果文件 121
6.1.3 后处理可用的数据类型 121
6.2 通用后处理 121
6.2.1 读入结果文件 121
6.2.2 显示结构变形图 122
6.2.3 显示等值线分布图 122
6.2.4 绘制矢量图 122
6.2.5 绘制粒子轨迹图 123
6.2.6 结果的列表显示 123
6.2.7 单元数据列表 124
6.2.8 映射结果到指定路径 124
6.2.9 显示动画 124
6.3 时间历程后处理器 125
6.3.1 定义和存储变量 125
6.3.2 变量的操作 126
6.3.3 设置变量 126
6.3.4 查看变量 127
第7章 ANSYS参数化设计语言 128
7.1 APDL概述 128
7.2 使用参数 129
7.2.1 参数的命名规则 129
7.2.2 变量参数 129
7.2.3 数组参数 130
7.2.4 参数的列表显示 131
7.3 APDL的流程控制语句 132
7.3.1 *GO无条件分支语句 132
7.3.2 *IF…*IFELSE…*ELSE…*ENDIF条件分支语句 132
7.3.3 *DO…*ENDDO循环语句 133
7.3.4 *DOWHILE循环语句 133
7.3.5 *REPEAT重复语句 134
7.4 APDL宏文件 134
7.4.1 使用*CERATE命令创建宏文件 135
7.4.2 使用*CFOPEN、*CFWRITE和*CFCLOS命令创建宏文件 135
7.4.3 使用/TEE命令创建宏文件 136
7.4.4 使用GUI方式创建宏文件 136
7.4.5 运行宏文件 137
7.5 运算符、函数和函数编辑器 138
7.5.1 运算符 138
7.5.2 函数 138
7.5.3 函数编辑器 139
7.6 工程实例 140
实例7-1 圆盘的静力分析 140
第8章 静力学分析 142
8.1 静力学分析概述 142
8.2 静力学分析的步骤 143
8.2.1 建立模型 143
8.2.2 加载求解 143
8.2.3 结果后处理 144
8.3 工程实例 145
实例8-1 三角形桁架的静力分析 145
实例8-2 工字梁的静力分析 154
实例8-3 方形壳的静力分析 166
实例8-4 管线的静力分析 179
实例8-5 飞轮的静力分析 193
第9章 非线性分析 204
9.1 非线性分析概述 204
9.1.1 引起非线性的原因 204
9.1.2 非线性分析的相关概念 205
9.2 非线性分析的步骤 206
9.2.1 建立模型 206
9.2.2 设置求解控制选项 206
9.2.3 设置其他求解控制选项 209
9.2.4 加载求解 211
9.2.5 结果后处理 211
9.3 工程实例 211
实例9-1 细长杆的非线性屈曲分析 211
实例9-2 圆盘的非线性分析 226
实例9-3 铆钉的非线性分析 234
第10章 模态分析 243
10.1 模态分析概述 243
10.1.1 Block Lanczos（分块兰索斯）法 244
10.1.2 Subspace（子空间）法 244
10.1.3 PCG Lanczos（预条件共轭梯度兰索斯）法 244
10.1.4 Reduced（缩减）法 244
10.1.5 Unsymmetric（非对称）法 245
10.1.6 Damped（阻尼）法 245
10.1.7 QR Damped（QR阻尼）法 245
10.1.8 Supernode（超节点）法 245
10.2 模态分析的步骤 245
10.2.1 建立模型 246
10.2.2 加载求解 246
10.2.3 扩展模态 250
10.2.4 结果后处理 252
10.3 工程实例 254
实例10-1 悬臂梁的模态分析 254
实例10-2 齿轮的模态分析 262
实例10-3 显示器外壳的模态分析 271
实例10-4 圆盘的模态分析 281
第11章 谐响应分析 298
11.1 谐响应分析概述 298
11.1.1 Full（完全）法 299
11.1.2 Reduced（缩减）法 299
11.1.3 Mode Superpos’n（模态叠加）法 299
11.2 谐响应分析的步骤 299
11.2.1 建立模型 300
11.2.2 设置分析类型和选项 300
11.2.3 加载求解 302
11.2.4 结果后处理 304
11.3 工程实例 305
实例11-1 弹簧质量系统的谐响应分析 305
实例11-2 琴弦的谐响应分析 316
实例11-3 工作台的谐响应分析 327
第12章 瞬态动力学分析 343
12.1 瞬态动力学分析概述 343
12.1.1 Full（完全）法 343
12.1.2 Reduced（缩减）法 344
12.1.3 Mode Superpos’n（模态叠加）法 344
12.2 瞬态动力学分析的步骤 344
12.2.1 建立模型 345
12.2.2 设置初始条件 345
12.2.3 设置求解控制选项 346
12.2.4 设置其他求解控制选项 347
12.2.5 施加载荷 348
12.2.6 定义多步载荷 350
12.2.7 求解 350
12.2.8 结果后处理 350
12.3 工程实例 352
实例12-1 弹簧质量系统的瞬态动力学分析 352
实例12-2 钟摆摆动的瞬态动力学分析 362
第13章 谱分析 370
13.1 谱分析概述 370
13.1.1 响应谱 370
13.1.2 动力设计分析方法 371
13.1.3 功率谱密度 371
13.2 谱分析的步骤 371
13.2.1 建立模型 371
13.2.2 模态分析 371
13.2.3 谱分析 372
13.2.4 扩展模态 374
13.2.5 合并模态 375
13.2.6 结果后处理 377
13.3 工程实例 377
实例13-1 梁板结构在振动位移谱下的响应 377
第14章 屈曲分析 398
14.1 屈曲分析概述 398
14.2 屈曲分析的步骤 398
14.2.1 建立模型 399
14.2.2 静力学分析 399
14.2.3 特征值屈曲分析 399
14.2.4 扩展解 401
14.2.5 结果后处理 403
14.3 工程实例 403
实例14-1 圆柱壳的屈曲分析 403