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基于結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS的最新版本15.0系統(tǒng)介紹ANSYS結(jié)構(gòu)分析的理論背景及應(yīng)用

方法。

內(nèi)容全面

內(nèi)容涉及ANSYS結(jié)構(gòu)分析的各個(gè)方面，包括結(jié)構(gòu)分析建模思想與方法、結(jié)構(gòu)靜/動(dòng)力計(jì)算、非線性分析、穩(wěn)定性分析、熱傳導(dǎo)分析、流固耦合分析、子結(jié)構(gòu)分析、子模型分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等分析

專(zhuān)題。

結(jié)合典型例題或工程實(shí)例講解所有案例均給出具體分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了必要的分析和進(jìn)一步討論，幫助讀者更深入地理解有關(guān)分析方法和力學(xué)概念。

第三版前言

本書(shū)的第一版、第二版出版

以來(lái)，受到科研及工程計(jì)算領(lǐng)域廣大讀者的關(guān)注和好評(píng)，在推進(jìn)有限元分析技術(shù)的深入應(yīng)用方面發(fā)揮了積極作用。一些高校在有限元課程中將本書(shū)第二版作為ANSYS軟件應(yīng)用的輔助教材。第二版出版五年來(lái)，很多讀者向

作者提出許多關(guān)于該書(shū)的有價(jià)值的改進(jìn)意見(jiàn)和建議；在此期間，ANSYS軟件也由當(dāng)初的11.0版本發(fā)展到目前的15.0版本，軟件新增了不少新的建模和分析功能，ANSYS Workbench環(huán)境的應(yīng)用也日益廣泛。有鑒于此，在保持

前兩版理論實(shí)踐結(jié)合、例題及工程案例豐富等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)第二版進(jìn)行了系統(tǒng)的改編，以滿足當(dāng)前ANSYS軟件教學(xué)和應(yīng)用的實(shí)際需要。

本次改編工作主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）總體編寫(xiě)思路。

工程

技術(shù)人員在應(yīng)用ANSYS處理工程問(wèn)題時(shí)，實(shí)際上需要經(jīng)過(guò)一個(gè)“將工程問(wèn)題映射為力學(xué)問(wèn)題，再將力學(xué)問(wèn)題映射為ANSYS模型，然后進(jìn)行求解”的“二次映射”過(guò)程。第一次映射的背后是工程經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)原理，第二次映射

的背后則是數(shù)值計(jì)算方法和軟件的操作應(yīng)用能力。為了幫助讀者系統(tǒng)掌握理論基礎(chǔ)和實(shí)用的建模及分析方法，提高利用分析軟件處理實(shí)際問(wèn)題的能力，本次改編緊緊圍繞“二次映射”過(guò)程有關(guān)的問(wèn)題系統(tǒng)介紹軟件應(yīng)用相

關(guān)的理論背景、建模方法和分析方法三方面的內(nèi)容。這是本次改編的一個(gè)總體思路。

（2）案例操作環(huán)境。

ANSYS軟件結(jié)構(gòu)分析目前的情況可以概括為“一個(gè)基礎(chǔ)、兩座大廈”，即以共同的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器

Mechanical Solver為統(tǒng)一“基礎(chǔ)”、經(jīng)典環(huán)境Mechanical APDL和Workbench中集成的Mechanical Application兩套前后處理“大廈”。經(jīng)典環(huán)境的APDL腳本語(yǔ)言因其參數(shù)建模分析自動(dòng)化程度高、可重復(fù)性強(qiáng)、能支持

Mechanical Solver的全部功能等優(yōu)勢(shì)，擁有十分眾多的用戶；另一方面，Workbench環(huán)境中集成的工具因其工程化的前后處理和操作便捷等特點(diǎn)，工程應(yīng)用也日益廣泛。這次改編兼顧了兩類(lèi)用戶的需要，刪去原書(shū)中一些

較簡(jiǎn)單的例題和部分講解經(jīng)典界面交互操作的案例內(nèi)容，部分例題改用Workbench來(lái)建模分析，另外還新增了部分Workbench環(huán)境下的典型例題。

（3）全新的內(nèi)容編排。

本次改編取消原書(shū)的三篇式結(jié)構(gòu)，將原書(shū)

第一篇的內(nèi)容加以壓縮和改寫(xiě)，對(duì)第二篇的結(jié)構(gòu)分析專(zhuān)題作了擴(kuò)充，第三篇中的精選工程范例經(jīng)改編后融入前面適當(dāng)?shù)恼鹿?jié)。

改編后的第1章為ANSYS有限元分析的理論背景，簡(jiǎn)明扼要地介紹了結(jié)構(gòu)靜力有限元計(jì)算、

溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、流固耦合分析、非線性問(wèn)題等相關(guān)理論。這些內(nèi)容有助于讀者打下良好的有限元分析理論基礎(chǔ)。第2章為ANSYS軟件應(yīng)用要點(diǎn)選講，是專(zhuān)門(mén)為沒(méi)有軟件應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的讀者準(zhǔn)備的，介紹

了Mechanical APDL（經(jīng)典環(huán)境）及Workbench環(huán)境的一般操作過(guò)程和基本操作要點(diǎn)和APDL語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)。第3章為ANSYS結(jié)構(gòu)建模思想與方法，全面介紹了ANSYS的常用單元以及各種結(jié)構(gòu)形式（桿系、板殼、實(shí)體、組合

結(jié)構(gòu)）的模型構(gòu)建方法和要點(diǎn)，包含了Workbench環(huán)境下各種建模工具的綜合應(yīng)用。第4章為結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，介紹了結(jié)構(gòu)分析的載荷及邊界條件處理方法、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的應(yīng)用、多載荷步（多工況）分析方法及后處理注意事

項(xiàng)，并簡(jiǎn)單介紹了強(qiáng)度工具箱和疲勞工具箱的應(yīng)用。第5章為模態(tài)分析，結(jié)合案例介紹了一般模態(tài)、預(yù)應(yīng)力模態(tài)的分析方法。第6章為諧響應(yīng)分析，介紹簡(jiǎn)諧荷載強(qiáng)迫振動(dòng)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算方法，討論了激振力分布形

式對(duì)分析結(jié)果的影響。第7章介紹瞬態(tài)動(dòng)力分析的方法和應(yīng)用，結(jié)合簡(jiǎn)單例題討論了瞬態(tài)分析和諧響應(yīng)分析的關(guān)系，結(jié)合例題介紹了結(jié)構(gòu)抗震分析中的瞬態(tài)動(dòng)力問(wèn)題。第8章為響應(yīng)譜及PSD分析，結(jié)合懸臂結(jié)構(gòu)和海洋平臺(tái)

結(jié)構(gòu)分析實(shí)例介紹了響應(yīng)譜分析和PSD分析方法。第9章為流固耦合分析簡(jiǎn)介，介紹ANSYS Fluent和Mechanical之間的耦合分析方法，這是本版的新增內(nèi)容。第10章為溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力計(jì)算，這也是本版的新增內(nèi)容。第11章

介紹了子結(jié)構(gòu)方法及其應(yīng)用。第12章介紹了子模型方法及其應(yīng)用，這是本版的新增內(nèi)容。第13章為結(jié)構(gòu)非線性分析，介紹了各類(lèi)非線性問(wèn)題的處理方法和策略，并提供了一系列非線性分析實(shí)例。第14章為梁殼結(jié)構(gòu)的屈曲

分析，介紹了特征值屈曲以及非線性屈曲分析的方法，在非線性屈曲分析中比較了弧長(zhǎng)法和非線性穩(wěn)定性方法的計(jì)算結(jié)果。第15章為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，介紹了形狀優(yōu)化方法和基于ANSYS Design Exploration的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

方法。附錄中收錄了部分常用結(jié)構(gòu)分析單元的形函數(shù)。

本版改編工作主要由尚曉江、邱峰等承擔(dān)，前兩版的部分作者也參與了相關(guān)章節(jié)的改寫(xiě)，并為本次改編工作提供了很好的建議。此外，還要特別感謝中國(guó)水利水

電出版社楊元泓老師對(duì)本書(shū)的支持和幫助。

由于本次改編涉及多項(xiàng)ANSYS新技術(shù)，加之時(shí)間倉(cāng)促和編者認(rèn)識(shí)水平的局限，書(shū)中不當(dāng)和錯(cuò)誤之處在所難免，歡迎廣大讀者批評(píng)指正。作者的聯(lián)系方式：

xiaojiang.shang@139.com。

編 者

2014年11月

第1章 ANSYS結(jié)構(gòu)分析的理論背景及功能概述 1
1.1 有限單元法的基本思想與解題過(guò)程 1
1.1.1 起源于桿系結(jié)構(gòu)分析的
有限單元法 1
1.1.2 有限單元法處理問(wèn)題的一般過(guò)程及
算法特點(diǎn) 6
1.2 ANSYS Mechanical的分析能力及
一般分析流程 9
1.3 ANSYS結(jié)構(gòu)計(jì)算的理論基礎(chǔ) 11
1.3.1
ANSYS靜力分析的理論基礎(chǔ) 11
1.3.2 ANSYS動(dòng)力分析的理論基礎(chǔ) 17
1.4 ANSYS熱傳導(dǎo)計(jì)算的理論基礎(chǔ) 19
1.5 ANSYS流固耦合分析的理論基礎(chǔ) 21
1.6 ANSYS結(jié)構(gòu)非線性分析的基本概念

與算法 22
第2章 ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用精要 27
2.1 ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件架構(gòu)及兩層體系 28
2.1.1 ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件的架構(gòu)：一個(gè)
基礎(chǔ)、兩座大廈 28
2.1.2 ANSYS Mechanical內(nèi)
部工作的
兩層體系 29
2.2 Mechanical APDL應(yīng)用要點(diǎn)選講 29
2.2.1 Mechanical APDL的界面、工作機(jī)制
及操作流程 29
2.2.2 Mechanical APDL的對(duì)象操作 36
2.2.3 APDL語(yǔ)言簡(jiǎn)
介與應(yīng)用入門(mén) 39
2.3 Workbench及Mechanical Application
應(yīng)用要點(diǎn)選講 47
2.3.1 ANSYS Workbench環(huán)境簡(jiǎn)介 48
2.3.2 Workbench結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)與組件 50
2.3.3
Mechanical Application組件的
操作要點(diǎn) 52
第3章 ANSYS結(jié)構(gòu)分析建模思想與方法 55
3.1 ANSYS結(jié)構(gòu)分析建模思想與方法概述 55
3.1.1 ANSYS結(jié)構(gòu)分析建模的二次
映射思想
55
3.1.2 工程結(jié)構(gòu)分類(lèi)與ANSYS單元選擇 56
3.1.3 結(jié)構(gòu)分析建模的直接法與間接法 59
3.2 Mechanical APDL結(jié)構(gòu)分析的建模方法 60
3.2.1 Mechanical APDL建模過(guò)程概述
60
3.2.2 Mechanical APDL連續(xù)體結(jié)構(gòu)
建模要點(diǎn) 63
3.2.3 Mechanical APDL桿系及板殼結(jié)構(gòu)
建模要點(diǎn) 69
3.3 Workbench結(jié)構(gòu)分析的建模方法 77
3.3.1 Workbench建模過(guò)程及相關(guān)組件
簡(jiǎn)介 77
3.3.2 Workbench連續(xù)體結(jié)構(gòu)建模要點(diǎn) 84
3.3.3 Workbench梁殼結(jié)構(gòu)建模要點(diǎn) 85
第4章 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算 88
4.1 Mechanical APDL靜力分析 88
4.1.1 載荷及約束
的施加 88
4.1.2 單/多載荷步靜力分析 93
4.1.3 靜力分析結(jié)果后處理 94
4.2 Mechanical Application（WB）靜力分析 98
4.3 靜力計(jì)算工程案例 102
4.3.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)溫差作用分
析 102
4.3.2 獨(dú)立重力壩的靜力分析 106
4.3.3 施工防護(hù)結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算 120
第5章 模態(tài)分析 128
5.1 ANSYS模態(tài)分析方法及注意事項(xiàng) 128
5.1.1 一般模態(tài)分析方法 128
5.1.2 ANSYS預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析 131
5.2 模態(tài)分析例題：球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 132
5.3 預(yù)應(yīng)力模態(tài)例題：拉桿橫向振動(dòng)模態(tài) 136
第6章 諧響應(yīng)分析 140
6.1 諧響應(yīng)分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及注意事
項(xiàng) 140
6.2 諧響應(yīng)例題：不同激振力分布形式的
諧響應(yīng)分析 146
第7章 瞬態(tài)動(dòng)力分析 157
7.1 瞬態(tài)分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及注意事項(xiàng) 157
7.2 瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析案例 160
7.2.1 案例一：簡(jiǎn)諧載荷作用的單自由度
系統(tǒng) 160
7.2.2 案例二：多自由度結(jié)構(gòu)地震波
時(shí)程分析 162
第8章 響應(yīng)譜及PSD分析 166
8.1 響應(yīng)譜分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與案例 166
8.1.1 響應(yīng)譜分析的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程 166
8.1.2 響應(yīng)譜分析案例：懸臂結(jié)構(gòu)地震
響應(yīng)譜分析 168
8.2 PSD分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與案例 174
8.2.1 ANSYS的PSD分析方法 174
8.2.2 PSD分析案例：海洋平臺(tái)波浪力作用
下的PSD分析 177
第9章 流固耦合分析簡(jiǎn)介 199
9.1 ANSYS流固耦合分析方法與過(guò)程 199
9.2 流固耦合例題：雙立板在水中的
擺動(dòng)模
擬 200
9.2.1 搭建分析項(xiàng)目流程 200
9.2.2 瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析前處理 201
9.2.3 流體域分析前處理 206
9.2.4 系統(tǒng)耦合設(shè)置及求解 208
9.2.5 結(jié)果后處理 209
第10章 熱傳導(dǎo)分析及熱應(yīng)力計(jì)算 215
10.1 Workbench中的熱傳導(dǎo)及熱應(yīng)力
分析方法 215
10.2 熱傳導(dǎo)及熱應(yīng)力分析例題 218
第11章 子結(jié)構(gòu)分析 223
11.1 子結(jié)構(gòu)分析
的基本概念 223
11.2 子結(jié)構(gòu)分析的一般過(guò)程 225
11.2.1 生成部分 225
11.2.2 使用部分 227
11.2.3 擴(kuò)展部分 229
11.3 子結(jié)構(gòu)分析例題：空腹梁 229
第12章 子模型方
法的應(yīng)用 238
12.1 子模型分析方法的概念和實(shí)現(xiàn)過(guò)程 238
12.2 子模型分析案例：開(kāi)孔的拱殼局部
應(yīng)力分析 239
12.2.1 問(wèn)題描述 239
12.2.2 建立幾何模型 240
12.2.3 創(chuàng)建分析流程及項(xiàng)目文件 242
12.2.4 全模型分析 243
12.2.5 子模型分析 244
第13章 結(jié)構(gòu)非線性分析 248
13.1 ANSYS非線性分析的求解設(shè)置與
實(shí)施要
點(diǎn) 248
13.1.1 ANSYS非線性分析的求解設(shè)置 248
13.1.2 非線性分析的實(shí)施要點(diǎn)及
注意事項(xiàng) 253
13.2 ANSYS接觸問(wèn)題的建模與分析 254
13.2.1 接觸分析概述 254
13.2.2 Mechanical接觸分析方法 255
13.3 非線性分析例題 258
13.3.1 油罐底效應(yīng)的簡(jiǎn)化分析 258
13.3.2 網(wǎng)殼焊接球節(jié)點(diǎn)的彈塑性受力
分析 261
13.3.3 插銷(xiāo)裝配
及撥拉接觸分析 268
第14章 梁殼結(jié)構(gòu)的屈曲分析 275
14.1 結(jié)構(gòu)屈曲問(wèn)題的基本概念 275
14.2 特征值屈曲及非線性屈曲分析的方法 276
14.3 穩(wěn)定性分析案例：工字型截面構(gòu)件

的失穩(wěn)分析 277
14.3.1 特征值屈曲分析 277
14.3.2 非線性屈曲分析：弧長(zhǎng)法 280
14.3.3 非線性屈曲分析：非線性穩(wěn)定性 282
第15章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 284
15.1 ANSYS形狀優(yōu)
化技術(shù)簡(jiǎn)介 284
15.2 基于Design Exploration的參數(shù)
優(yōu)化技術(shù) 285
15.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)表述 285
15.2.2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的一般過(guò)程 286
15.3 Design Exploration
優(yōu)化分析案例 289
附錄 ANSYS常用單元形函數(shù) 297
參考文獻(xiàn) 304

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19. 大學(xué)生職業(yè)發(fā)展與就業(yè)指導(dǎo) [主編　劉志堅(jiān)]
20. 高級(jí)辦公應(yīng)用項(xiàng)目教程 [主編 屈晶 趙成麗]
21. 微信小程序開(kāi)發(fā)項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)（微課版） [主編 黃龍泉 郭峰 朱倩]
22. 企業(yè)檔案工作實(shí)戰(zhàn)寶典百問(wèn)百答 [華俊 盧秀英 邵甜甜 著]
23. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用 [主編 唐繼勇 葉坤 孫夢(mèng)娜]
24. 大學(xué)生創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ) [主編 王麗莉 王 楊]
25. 船舶輔機(jī) [主編 王連海 于洋 姜淑翠]
26. 大學(xué)生就業(yè)指導(dǎo) [主編 王麗莉 董宴廷]
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