ANSYS輔助分析應用基礎教程（第3版）

目    錄

第1章  概述 1

1.1  有限元方法與ANSYS軟件的發展歷史 1

1.1.1  有限元法的誕生 1

1.1.2  由理論到程序的轉變 2

1.1.3  國內有限元法的發展之路 5

1.2  有限元法的基本概念 6

1.2.1  平面桿單元有限元分析 6

1.2.2  平面三角形單元有限元分析 18

1.2.3  平面四邊形等參單元有限元分析 29

1.3  ANSYS軟件組成模塊與功能 40

1.4  ANSYS求解一般步驟 42

練習題 44

第2章  ANSYS基本操作 45

2.1  啟動與窗口功能 45

2.1.1  啟動方式 45

2.1.2  窗口功能 47

2.1.3  APDL命令輸入方法 48

2.1.4  文件系統 49

2.2  坐標系 50

2.2.1  總體坐標系 50

2.2.2  局部坐標系 50

2.2.3  顯示坐標系 51

2.2.4  節點坐標系 51

2.2.5  單元坐標系 52

2.2.6  結果坐標系 52

2.3  工作平面的使用 53

2.3.1  定義工作平面 53

2.3.2  控制工作平面 53

2.3.3  還原已定義的工作平面 53

2.4  圖形窗口顯示控制 54

2.4.1  圖形的平移、縮放和旋轉 54

2.4.2  Plot菜單控制 55

2.4.3  PlotCtrls菜單控制 55

2.4.4  選取菜單與顯示控制 57

2.5  主菜單簡介 59

2.5.1  前處理菜單 60

2.5.2  求解菜單 60

2.5.3  後處理菜單 60

2.6  上機指導 61

上機目的 61

上機內容 61

2.6.1  實例2.1  如何開始第一步 61

2.6.2  實例2.2  工作平面的一般操作 66

2.6.3  實例2.3  圖形窗口顯示控制 70

2.7  檢測練習 71

練習題 72

第3章  ANSYS實體建模 73

3.1  實體模型簡介 73

3.1.1  實體建模的方法 73

3.1.2  群組命令介紹 73

3.2  基本圖元對象的建立 74

3.2.1  點的定義 74

3.2.2  線的定義 77

3.2.3  面的定義 81

3.2.4  體定義 85

3.3  用體素創建ANSYS對象 90

3.3.1  體素的概念 90

3.3.2  布爾操作 90

3.4  圖元對象的其他操作 94

3.4.1  移動和旋轉 94

3.4.2  復制 95

3.4.3  鏡像 95

3.4.4  刪除 96

3.5  實體模型的輸入 96

3.6  上機指導 96

上機目的 96

上機內容 96

3.6.1  實例3.1  軸承座的分析（幾何建模） 97

3.6.2  實例3.2  輪的分析（幾何建模） 104

3.6.3  實例3.3  工字截面梁 108

3.6.4  實例3.4  六角圓頭螺桿 112

3.6.5  實例3.5  零件一 114

3.6.6  實例3.6  零件二 120

3.7  檢測練習 123

練習題 128

第4章  ANSYS網格劃分 129

4.1  區分實體模型和有限元模型 129

4.2  網格化的一般步驟 129

4.3  單元屬性定義 130

4.3.1  單元形狀的選擇 130

4.3.2  單元實常數的定義 131

4.3.3  單元截面的定義 131

4.3.4  單元材料的定義 133

4.3.5  單元屬性的分配 133

4.4  網格劃分 134

4.4.1  網格劃分工具 134

4.4.2  自由網格劃分 136

4.4.3  映射網格劃分 137

4.4.4  掃掠生成網格 138

4.5  網格的局部細化 141

4.5.1  局部細化一般過程 141

4.5.2  高級參數的控制 143

4.5.3  屬性和載荷的轉換 144

4.5.4  局部細化的其他問題 144

4.6  網格的直接生成 145

4.6.1  關於節點的操作 145

4.6.2  關於單元的操作 147

4.7  網格的清除 148

4.8  網格劃分的其他方法 149

4.9  上機指導 150

上機目的 150

上機內容 150

4.9.1  實例4.1  軸承座的分析（網格劃分） 151

4.9.2  實例4.2  輪的分析（網格劃分） 152

4.9.3  實例4.3  彈簧－質量系統 154

4.9.4  實例4.4  零件二的網格劃分 159

4.9.5  實例4.5  自由網格與映射網格劃分練習 160

4.10  檢測練習 163

練習題 165

第5章  ANSYS靜載荷施加與求解 166

5.1  載荷的定義 166

5.2  有限元模型的加載 166

5.2.1  節點自由度的約束 167

5.2.2  節點載荷的施加 168

5.2.3  單元載荷的施加 169

5.3  實體模型的加載 169

5.3.1  關鍵點上載荷的施加 169

5.3.2  線段上載荷的施加 170

5.3.3  面上載荷的施加 171

5.4  求解 172

5.5  上機指導 173

上機目的 173

上機內容 173

5.5.1  實例5.1  薄板圓孔受力分析 173

5.5.2  實例5.2  軸承座的分析（加載與求解） 177

5.5.3  實例5.3  輪的分析（加載與求解） 178

5.5.4  實例5.4  階梯軸的受力分析 181

5.6  檢測練習 186

練習題 188

第6章  ANSYS結構動力學分析 189

6.1  動力學有限元分析基礎 189

6.1.1  動力學問題構造 189

6.1.2  瞬態分析中的時間積分 190

6.1.3  系統的固有頻率計算 193

6.2  模態分析 194

6.3  諧響應分析 197

6.4  瞬態動力學分析 201

6.5  譜分析 206

6.6  上機指導 210

上機目的 210

上機內容 210

6.6.1  實例6.1  飛機機翼模態分析 211

6.6.2  實例6.2  電機平臺的模態分析與諧響應分析 218

6.6.3  實例6.3  板—梁結構的瞬態分析 226

6.6.4  實例6.4  板—梁結構的單點譜分析 234

6.7  檢測練習 239

練習題 242

第7章  ANSYS後處理 243

7.1  應力/應變描述與後處理 243

7.2  通用後處理器 248

7.2.1  變形圖的繪制 248

7.2.2  等值線圖的繪制 249

7.2.3  列表顯示和查詢結果 254

7.2.4  路徑的定義和使用 255

7.2.5  動畫顯示 257

7.3  時間歷程後處理器 257

7.3.1  定義變量 258

7.3.2  繪制變量曲線圖 259

7.3.3  變量的數學運算 259

7.4  上機指導 262

上機目的 262

上機內容 262

7.4.1  實例7.1  軸承座的分析（計算結果） 262

7.4.2  實例7.2  機翼模態的計算結果分析 264

7.4.3  實例7.3  電機平臺的計算結果分析 265

7.5  檢測練習 268

練習題 269

第8章  典型實例與練習 270

8.1  車輪的分析 270

8.1.1  有限元模型 270

8.1.2  約束、載荷與求解 276

8.1.3  後處理查看結果 277

8.2  連桿的分析 278

8.2.1  有限元模型 279

8.2.2  約束、加載與求解 282

8.2.3  查看結果 282

8.3  廣告牌承受風載荷的模擬 284

8.3.1  有限元模型的建立 284

8.3.2  簡化為靜載的分析 285

8.3.3  考慮動載荷的分析 291

8.4  動載荷頻率對結構承載的影響 295

8.4.1  求解過程 295

8.4.2  幹擾力頻率、固有頻率與系統阻尼之間關系的分析 296

第9章  ANSYS在焊接結構分析中的應用 298

9.1  ANSYS熱分析使用的符號、單位、單元及仿真流程 298

9.2  間接法熱應力分析 299

9.3  焊接溫度場分析的基本理論 302

9.4  焊接應力與變形分析理論 304

9.5  焊接過程分析的幾種有限元方法 305

9.6  平板堆焊溫度場及應力場算例 306

第10章  子模型與子結構方法 323

10.1  ANSYS子模型方法 323

10.1.1  子模型簡介 323

10.1.2  子模型分析步驟 324

10.1.3  帶孔方板算例 324

10.2  殼-實體單元的子模型應用 331

10.2.1  基於虛擬節點的子模型邊界傳遞 332

10.2.2  基於徑向基函數的邊界插值 335

10.2.3  算例分析與討論 336

10.3  ANSYS子結構方法 340

10.3.1  子結構方法的基本原理 340

10.3.2  子結構方法的基本過程 341

10.3.3  子結構方法算例 343

10.3.4  組件模態綜合法及算例 352

第11章  ANSYS-MATLAB聯合仿真及優化初步 357

11.1  聯合仿真軟件簡介 357

11.2  結構優化設計簡介 357

11.2.1  結構優化設計思想 357

11.2.2  結構優化設計的數學模型 358

11.2.3  優化問題解法 358

11.3  五桿桁架聯合仿真及初步優化 359

11.3.1  問題描述 360

11.3.2  ANSYS有限元建模 360

11.3.3  MATLAB聯合仿真及優化方法 364

11.3.4  優化結果 367

11.3.5  命令流 368

11.4  車體側墻型材聯合仿真及多目標優化 371

11.4.1  問題描述 372

11.4.2  ANSYS有限元建模 372

11.4.3  MATLAB聯合仿真及優化方法 378

11.4.4  優化結果 380

11.4.5  命令流 382