ANSYS有限元分析完全自學(xué)手冊

目　錄

第 1篇 操作基礎(chǔ)
第 1章　ANSYS概述 3
1.1 有限單元法簡介 4
1.1.1　CAE軟件簡介 4
1.1.2　有限單元法的基本概念 5
1.2 ANSYS工業(yè)應(yīng)用簡介 7
1.2.1　ANSYS的發(fā)展 7
1.2.2　ANSYS的功能 7
1.3 ANSYS 2021的啟動(dòng)及界面 9
1.3.1　設(shè)置運(yùn)行環(huán)境 9
1.3.2　啟動(dòng)與退出 10
1.3.3　圖形用戶界面 12
1.4 程序結(jié)構(gòu) 14
1.4.1　處理器 14
1.4.2　文件格式 14
1.4.3　輸入方式 14
1.4.4　輸出文件類型 15
1.5 ANSYS分析的基本過程 15
1.5.1　前處理 15
1.5.2　加載并求解 16
1.5.3　后處理 16
1.5.4　實(shí)例——齒輪泵齒輪靜力分析 16
1.6 本章小結(jié) 18

第 2章　幾何建模 19
2.1 坐標(biāo)系簡介 20
2.1.1　總體和局部坐標(biāo)系 20
2.1.2　顯示坐標(biāo)系 22
2.1.3　節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系 22
2.1.4　單元坐標(biāo)系 23
2.1.5　結(jié)果坐標(biāo)系 23
2.1.6　實(shí)例—創(chuàng)建坐標(biāo)系 24
2.2 工作平面的使用和操作 26
2.2.1　定義一個(gè)新的工作平面 27
2.2.2　控制工作平面的顯示和樣式 27
2.2.3　移動(dòng)工作平面 27
2.2.4　旋轉(zhuǎn)工作平面 27
2.2.5　還原一個(gè)已定義的工作平面 28
2.2.6　工作平面的高級(jí)用途 28
2.2.7　實(shí)例—創(chuàng)建工作平面 30
2.3 布爾操作 32
2.3.1　布爾運(yùn)算操作 32
2.3.2　布爾運(yùn)算的設(shè)置 33
2.3.3　布爾運(yùn)算之后的圖元編號(hào) 33
2.3.4　交運(yùn)算 33
2.3.5　兩兩相交運(yùn)算 35
2.3.6　加運(yùn)算 35
2.3.7　減運(yùn)算 36
2.3.8　搭接運(yùn)算 37
2.3.9　分割運(yùn)算 37
2.3.10　粘接運(yùn)算 38
2.3.11　實(shí)例—布爾操作 38
2.4 自底向上創(chuàng)建幾何模型 41
2.4.1　關(guān)鍵點(diǎn) 41
2.4.2　實(shí)例—創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) 43
2.4.3　硬點(diǎn) 44
2.4.4　線 45
2.4.5　面 47
2.4.6　體 48
2.4.7　實(shí)例—自底向上建模 50
2.5 自頂向下創(chuàng)建幾何模型 58
2.5.1　創(chuàng)建面體素 58
2.5.2　創(chuàng)建實(shí)體體素 59
2.5.3　實(shí)例—自頂向下建模 60
2.6　移動(dòng)、復(fù)制和縮放幾何模型 69
2.6.1　移動(dòng)和復(fù)制 69
2.6.2　拖曳和旋轉(zhuǎn) 70
2.6.3　按照樣本生成圖元 70
2.6.4　由對稱映像生成圖元 71
2.6.5　將樣本圖元轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系 71
2.6.6　實(shí)體模型圖元的縮放 71
2.6.7　修改模型（清除和刪除） 72
2.7　幾何模型導(dǎo)入ANSYS 72
2.7.1　輸入IGES單一實(shí)體 73
2.7.2　輸入SAT 單一實(shí)體 75
2.7.3　輸入Parasolid單一實(shí)體 78
2.7.4　輸入Parasolid實(shí)體集合 80
2.8　綜合實(shí)例—齒輪泵齒輪的建模 81
2.9　本章小結(jié) 92

第3章　劃分網(wǎng)格 93
3.1　有限元網(wǎng)格概論 94
3.2　設(shè)定單元屬性 94
3.2.1　生成單元屬性表 94
3.2.2　在劃分網(wǎng)格之前分配單元屬性 95
3.2.3　實(shí)例——設(shè)定單元屬性 97
3.3　網(wǎng)格劃分的控制 100
3.3.1　ANSYS網(wǎng)格劃分工具 100
3.3.2　映射網(wǎng)格劃分中單元的默認(rèn)尺寸 102
3.3.3　局部網(wǎng)格劃分控制 103
3.3.4　內(nèi)部網(wǎng)格劃分控制 104
3.3.5　生成過渡棱錐單元 105
3.3.6　將退化的四面體單元轉(zhuǎn)化為非退化的形式 106
3.3.7　執(zhí)行層網(wǎng)格劃分 106
3.3.8　實(shí)例—網(wǎng)格劃分控制 107
3.4　自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分控制 109
3.4.1　自由網(wǎng)格劃分 109
3.4.2　映射網(wǎng)格劃分 110
3.5　給實(shí)體模型劃分有限元網(wǎng)格 115
3.5.1　用“xMESH”命令生成網(wǎng)格 115
3.5.2　生成帶方向節(jié)點(diǎn)的梁單元網(wǎng)格 115
3.5.3　在分界線或分界面處生成單位厚度的界面單元 116
3.6　延伸和掃略生成有限元模型 117
3.6.1　延伸生成網(wǎng)格 117
3.6.2　掃略生成網(wǎng)格 119
3.7　修正有限元模型 121
3.7.1　局部細(xì)化網(wǎng)格 121
3.7.2　移動(dòng)和復(fù)制節(jié)點(diǎn)和單元 123
3.7.3　控制面、線和單元的法向 124
3.7.4　修改單元屬性 125
3.8　編號(hào)控制 125
3.8.1　合并重復(fù)項(xiàng) 126
3.8.2　編號(hào)壓縮 127
3.8.3　設(shè)定起始編號(hào) 127
3.8.4　編號(hào)偏差 128
3.9　綜合實(shí)例——齒輪泵齒輪模型網(wǎng)格劃分 128
3.10　本章小結(jié) 133

第4章　施加載荷 134
4.1　載荷概論 135
4.1.1　什么是載荷 135
4.1.2　載荷步、子步和平衡迭代 136
4.1.3　時(shí)間參數(shù) 136
4.1.4　階躍載荷與坡道載荷 137
4.2　施加載荷的方法 138
4.2.1　實(shí)體模型載荷與有限單元載荷 138
4.2.2　施加不同類型載荷 139
4.2.3　利用表格來施加載荷 143
4.2.4　軸對稱載荷與反作用力 145
4.2.5　利用函數(shù)來施加載荷和邊界條件 146
4.3　設(shè)定載荷步選項(xiàng) 148
4.3.1　通用選項(xiàng) 148
4.3.2　非線性選項(xiàng) 151
4.3.3　動(dòng)力學(xué)分析選項(xiàng) 152
4.3.4　輸出控制 152
4.3.5　Biot-Savart選項(xiàng) 153
4.3.6　譜分析選項(xiàng) 153
4.3.7　創(chuàng)建多載荷步文件 153
4.4　綜合實(shí)例—齒輪泵齒輪模型載荷施加 155
4.5　本章小結(jié) 158

第5章　求解 159
5.1　求解概論 160
5.1.1　使用直接求解法 160
5.1.2　使用稀疏矩陣直接解法求解器 161
5.1.3　使用雅克比共軛梯度法求解器 161
5.1.4　使用不完全分解共軛梯度法求解器 161
5.1.5　使用預(yù)條件共軛梯度法求解器 161
5.1.6　使用自動(dòng)迭代解法選項(xiàng) 162
5.1.7　獲得解答 163
5.2　利用特定的求解控制器來指定求解類型 163
5.2.1　使用Abridged Solution菜單選項(xiàng) 164
5.2.2　使用求解控制對話框 164
5.3　多載荷步求解 165
5.3.1　多重求解法 165
5.3.2　使用載荷步文件法 166
5.3.3　使用數(shù)組參數(shù)法（矩陣參數(shù)法） 166
5.4　重新啟動(dòng)分析 168
5.4.1　重新啟動(dòng)一個(gè)分析 168
5.4.2　多載荷步文件的重啟動(dòng)分析 171
5.5　綜合實(shí)例——齒輪泵齒輪模型求解 173
5.6　本章小結(jié) 173

第6章　后處理 174
6.1　后處理概述 175
6.1.1　后處理定義 175
6.1.2　結(jié)果文件 175
6.1.3　后處理可用的數(shù)據(jù)類型 176
6.2　通用后處理器（POST1） 177
6.2.1　將數(shù)據(jù)結(jié)果讀入數(shù)據(jù)庫 177
6.2.2　列表顯示結(jié)果 183
6.2.3　圖像顯示結(jié)果 188
6.2.4　映射結(jié)果到某一路徑上 194
6.2.5　表面操作 200
6.2.6　將結(jié)果旋轉(zhuǎn)到不同坐標(biāo)系中顯示 203
6.3　時(shí)間歷程后處理器（POST26） 205
6.3.1　定義和儲(chǔ)存POST26變量 205
6.3.2　檢查變量 207
6.3.3　POST26的其他功能 209
6.4　綜合實(shí)例—齒輪泵齒輪模型結(jié)果后處理 210
6.5　本章小結(jié) 216

第 2篇 專題實(shí)例
第7章　靜力學(xué)分析 219
7.1　靜力學(xué)分析介紹 220
7.1.1　結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析簡介 220
7.1.2　靜力學(xué)分析的類型 221
7.1.3　靜力學(xué)分析基本步驟 221
7.2　綜合實(shí)例——鋼桁架橋靜力受力分析 221
7.2.1　問題的描述 222
7.2.2　建立模型 222
7.2.3　定義邊界條件和載荷并求解 230
7.2.4　查看結(jié)果 232
7.2.5　命令流 236
7.3　綜合實(shí)例—內(nèi)六角扳手的靜態(tài)分析 236
7.3.1　問題描述 236
7.3.2　建立模型 236
7.3.3　定義邊界條件并求解 244
7.3.4　查看結(jié)果 247
7.3.5　命令流 251
7.4　本章小結(jié) 251

第8章　模態(tài)分析 252
8.1　模態(tài)分析概論 253
8.2　模態(tài)分析的基本步驟 253
8.2.1　建立模型 253
8.2.2　加載及求解 253
8.2.3　擴(kuò)展模態(tài) 256
8.2.4　觀察結(jié)果和后處理 258
8.3　綜合實(shí)例——結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 258
8.3.1　問題描述 259
8.3.2　建立模型 259
8.3.3　進(jìn)行模態(tài)設(shè)置、定義邊界條件并求解 275
8.3.4　查看結(jié)果 277
8.3.5　命令流 280
8.4　綜合實(shí)例——小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)分析 281
8.4.1　問題描述 281
8.4.2　建立模型 281
8.4.3　進(jìn)行模態(tài)設(shè)置、定義邊界條件并求解 285
8.4.4　查看結(jié)果 287
8.4.5　命令流 288
8.5　本章小結(jié) 288

第9章　諧響應(yīng)分析 289
9.1　諧響應(yīng)分析概論 290
9.1.1　完全法 290
9.1.2　減縮法 291
9.1.3　模態(tài)疊加法 291
9.1.4　3種方法的共同局限性 291
9.2　諧響應(yīng)分析的基本步驟 292
9.2.1　建立模型（前處理） 292
9.2.2　加載和求解 292
9.2.3　觀察模型（后處理） 297
9.3　綜合實(shí)例——懸臂梁諧響應(yīng)分析 298
9.3.1　問題描述 299
9.3.2　建立模型 299
9.3.3　定義邊界條件并求解 303
9.3.4　查看結(jié)果 309
9.3.5　命令流 311
9.4　綜合實(shí)例——吉他的諧響應(yīng)分析 311
9.4.1　問題描述 312
9.4.2　建立模型 312
9.4.3　定義邊界條件并求解 316
9.4.4　查看結(jié)果 323
9.4.5　命令流 326
9.5　本章小結(jié) 326

第 10章　非線性分析 327
10.1　 非線性分析概論 328
10.1.1　非線性行為的原因 328
10.1.2　非線性分析的基本信息 329
10.1.3　幾何非線性 331
10.1.4　材料非線性 332
10.1.5　其他非線性問題 335
10.2　非線性分析的基本步驟 335
10.2.1　前處理（建模和分網(wǎng)） 335
10.2.2　設(shè)置求解控制器 336
10.2.3　設(shè)定其他求解選項(xiàng) 338
10.2.4　加載 339
10.2.5　求解 339
10.2.6　后處理（觀察模型） 339
10.3　綜合實(shí)例—螺栓的蠕變分析 341
10.3.1　問題描述 341
10.3.2　建立模型 341
10.3.3　設(shè)置分析并求解 343
10.3.4　查看結(jié)果 346
10.3.5　命令流 348
10.4　綜合實(shí)例—鉚釘?shù)臎_壓分析 348
10.4.1　問題描述 349
10.4.2　建立模型 349
10.4.3　定義邊界條件并求解 355
10.4.4　查看結(jié)果 357
10.4.5　命令流 360
10.5　本章小結(jié) 360

第 11章　結(jié)構(gòu)屈曲分析 361
11.1　結(jié)構(gòu)屈曲概論 362
11.2　結(jié)構(gòu)屈曲分析的基本步驟 362
11.2.1　前處理 362
11.2.2　獲得靜力解 362
11.2.3　獲得特征值屈曲解 363
11.2.4　擴(kuò)展解 364
11.2.5　后處理（觀察結(jié)果） 365
11.3　綜合實(shí)例—薄壁圓筒屈曲分析 366
11.3.1　問題描述 366
11.3.2　建立模型 366
11.3.3　求解 369
11.3.4　查看結(jié)果 372
11.3.5　命令流 372
11.4　綜合實(shí)例—桁架結(jié)構(gòu)屈曲分析 373
11.4.1　問題描述 373
11.4.2　建立模型 373
11.4.3　求解 377
11.4.4　查看結(jié)果 380
11.4.5　命令流 385
11.5　本章小結(jié) 385

第 12章　譜分析 386
12.1　譜分析概論 387
12.1.1　響應(yīng)譜 387
12.1.2　動(dòng)力設(shè)計(jì)分析方法 387
12.1.3　功率譜密度 387
12.2　譜分析的基本步驟 387
12.2.1　前處理 387
12.2.2　模態(tài)分析 388
12.2.3　獲取譜分析 388
12.2.4　擴(kuò)展模態(tài) 390
12.2.5　合并模態(tài) 391
12.2.6　后處理 392
12.3　綜合實(shí)例—支撐平板的動(dòng)力效果分析 393
12.3.1　問題描述 394
12.3.2　建立模型 394
12.3.3　進(jìn)行分析 400
12.3.4　后處理 408
12.3.5　命令流 411
12.4　本章小結(jié) 411

第 13章　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 412
13.1　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)概論 413
13.1.1　完全法 413
13.1.2　減縮法 413
13.1.3　模態(tài)疊加法 414
13.2　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的基本步驟 414
13.2.1　前處理（建模和分網(wǎng)） 414
13.2.2　建立初始條件 415
13.2.3　設(shè)定求解控制器 415
13.2.4　設(shè)定其他求解選項(xiàng) 417
13.2.5　施加載荷 417
13.2.6　設(shè)定多載荷步 418
13.2.7　瞬態(tài)求解 419
13.2.8　后處理 419
13.3　綜合實(shí)例——振動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 421
13.3.1　問題描述 422
13.3.2　建立模型 423
13.3.3　進(jìn)行模態(tài)分析 427
13.3.4　進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析設(shè)置、定義邊界條件并求解 428
13.3.5　查看結(jié)果 431
13.3.6　命令流實(shí)現(xiàn) 433
13.4　綜合實(shí)例——哥倫布阻尼的自由振動(dòng)分析 433
13.4.1　問題描述 434
13.4.2　建立模型 434
13.4.3　進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析設(shè)置、定義邊界條件并求解 437
13.4.4　查看結(jié)果 440
13.4.5　命令流 444
13.5　本章小結(jié) 444

第 14章　接觸問題分析 445
14.1　接觸問題概論 446
14.1.1　一般分類 446
14.1.2　接觸單元 446
14.2　接觸分析的步驟 447
14.2.1　建立模型，并劃分網(wǎng)格 447
14.2.2　識(shí)別接觸對 448
14.2.3　定義剛性目標(biāo)面 448
14.2.4　定義柔性接觸面 449
14.2.5　設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵點(diǎn) 451
14.2.6　定義/控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng) 452
14.2.7　施加必要的邊界條件 452
14.2.8　定義求解選項(xiàng)和載荷步 452
14.2.9　求解接觸問題 454
14.2.10　檢查結(jié)果 454
14.3　綜合實(shí)例—陶瓷套管的接觸分析 455
14.3.1　問題描述 455
14.3.2　建立模型并劃分網(wǎng)格 455
14.3.3　定義邊界條件并求解 461
14.3.4　后處理 465
14.3.5　命令流 468
14.4　本章小結(jié) 468

第 15章　高級(jí)分析 469
15.1　自適應(yīng)網(wǎng)格劃分 470
15.1.1　自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的條件 470
15.1.2　自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的過程 470
15.2　綜合實(shí)例——平板受熱分析 472
15.2.1　問題描述 472
15.2.2　建立模型 473
15.2.3　定義邊界條件并求解 476
15.2.4　查看結(jié)果 478
15.2.5　命令流 479
15.3　子模型 479
15.3.1　子模型介紹 479
15.3.2　子模型方法 479
15.3.3　子模型過程 480
15.4　參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 483
15.4.1　參數(shù)化設(shè)計(jì)語言的介紹 483
15.4.2　參數(shù)化設(shè)計(jì)語言的功能 483
15.5　綜合實(shí)例——懸臂梁 485
15.5.1　問題描述 486
15.5.2　建立模型 486
15.5.3　定義邊界條件并求解 488
15.5.4　命令流 490
15.6　本章小結(jié) 490