ANSYS 2020 有限元分析从入门到精通

本书对ANSYS2020有限元分析的基本思路、操作步骤、应用技巧进行了详细介绍，并结合典型工程应用实例详细讲述了ANSYS的具体应用方法。 本书前7章为操作基础，详细介绍了ANSYS分析的基本步骤和方法：第1章ANSYS概述；第2章几何建模；第3章建模实例；第4章网格划分；第5章施加载荷；第6章求解；第7章后处理。后8章为专题实例，按不同的分析专题讲解了各种分析专题的参数设置方法与技巧：第8章静力分析；第9章模态分析；第10章谐响应分析；第11章瞬态动力学分析；第12章谱分析；第13章结构屈曲分析；第14章非线性分析；第15章接触问题分析。 本书可作为理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生及教师学习ANSYS软件的培训教材，也可作为结构分析相关行业的工程技术人员使用ANSYS软件的参考书。

目 录 前言 第1章 ANSYS概述 . 1 1.1 CAE软件简介 . 2 1.2 有限元法简介 4 1.2.1 有限元法的基本思想 . 4 1.2.2 有限元法的特点 . 4 1.2.3 有限元模型 . 6 1.2.4 自由度 . 6 1.2.5 节点和单元 . 7 1.3 ANSYS简介 7 1.3.1 ANSYS的功能 . 8 1.3.2 ANSYS的发展 . 9 1.3.3 ANSYS 2020的启动 . 9 1.3.4 ANSYS 2020运行环境配置 9 1.4 程序结构 11 1.4.1 处理器 . 11 1.4.2 文件格式 . 12 1.4.3 输入方式 . 12 1.4.4 输出文件类型 . 12 1.5 ANSYS分析求解过程 13 1.5.1 前处理 . 14 1.5.2 加载并求解 . 14 1.5.3 后处理 . 14 1.5.4 实例导航——导弹发动机药柱承受温度和内压载荷数值模拟 15 第2章 几何建模 . 17 2.1 几何建模概述 18 2.1.1 自底向上创建几何模型 . 18 2.1.2 自顶向下创建几何模型 . 18 2.1.3 布尔运算操作 . 19 2.1.4 拖拉和旋转 . 20 2.1.5 移动和复制 . 20 2.1.6 修改模型（清除和删除） . 20 2.1.7 从IGES文件几何模型导入到ANSYS. 21 2.2 自顶向下创建几何模型（体素） 21 2.2.1 创建面体素 . 21 2.2.2 创建实体体素 . 22 2.3 自底向上创建几何模型 24 2.3.1 关键点 . 24 2.3.2 硬点 . 26 2.3.3 线 . 27 2.3.4 面 . 30 2.3.5 体 . 31 2.4 工作平面的使用 33 2.4.1 定义一个新的工作平面 . 33 2.4.2 控制工作平面的显示和样式 . 34 2.4.3 移动工作平面 . 34 2.4.4 旋转工作平面 . 34 2.4.5 还原一个已定义的工作平面 . 35 2.4.6 工作平面的高级用途 . 35 2.5 坐标系简介 37 2.5.1 总体坐标系和局部坐标系 . 37 2.5.2 显示坐标系 . 40 2.5.3 节点坐标系 . 40 2.5.4 单元坐标系 . 41 2.5.5 结果坐标系 . 42 2.6 使用布尔运算来修正几何模型 42 2.6.1 布尔运算的设置 . 42 2.6.2 布尔运算后的图元编号 . 43 2.6.3 交运算 . 43 2.6.4 两两相交 . 44 2.6.5 相加 . 45 2.6.6 相减 . 45 2.6.7 利用工作平面做减运算 . 47 2.6.8 搭接 . 47 2.6.9 分割 . 48 2.6.10 粘接（或合并） . 48 2.7 移动、复制和缩放几何模型 48 2.7.1 按照样本生成图元 . 49 2.7.2 由对称映像生成图元 . 49 2.7.3 将样本图元转换坐标系 . 50 2.7.4 实体模型图元的缩放 . 50 2.8 实例导航——导弹发动机药柱建模 51 2.8.1 自底向上创建药柱模型 . 51 2.8.2 布尔运算创建药柱模型 . 59 2.8.3 导入SolidWorks中创建的药柱模型 62 第3章 建模实例 . 65 3.1 实例导航——几何模型的输入 66 3.1.1 输入IGES单一实体 . 66 3.1.2 输入SAT 单一实体 . 68 3.1.3 输入Parasolid 单一实体 71 3.2 实例导航——修改输入模型 73 3.2.1 自顶向下建模实例 . 77 3.2.2 自底向上建模实例 . 88 第4章 网格划分 . 102 4.1 有限元网格概述 103 4.2 设定单元属性 103 4.2.1 生成单元属性表 . 104 4.2.2 在划分网格之前分配单元属性 . 104 4.3 网格划分的控制 105 4.3.1 ANSYS网格划分工具（MeshTool） . 106 4.3.2 单元形状 . 106 4.3.3 选择自由或映射网格划分 . 107 4.3.4 控制单元边中节点的位置 . 107 4.3.5 划分自由网格时的单元尺寸控制（SmartSizing） 108 4.3.6 映射网格划分中单元的默认尺寸 . 108 4.3.7 局部网格划分控制 . 110 4.3.8 内部网格划分控制 . 111 4.3.9 生成过渡棱锥单元 . 112 4.3.10 将退化的四面体单元转化为非退化的形式 113 4.3.11 执行层网格划分 . 114 4.4 自由网格划分和映射网格划分控制 114 4.4.1 自由网格划分 . 114 4.4.2 映射网格划分 . 116 4.5 给实体模型划分有限元网格 121 4.5.1 用命令生成网格 . 121 4.5.2 生成带方向节点的梁单元网格 . 122 4.5.3 在分界线或分界面处生成单位厚度的界面单元 124 4.6 延伸和扫掠生成有限元模型 125 4.6.1 延伸生成网格 . 125 4.6.2 扫掠生成网格 . 127 4.7 修正有限元模型 130 4.7.1 局部细化网格 . 130 4.7.2 移动和复制节点和单元 . 133 4.7.3 控制面、线和单元的法向 . 134 4.7.4 修改单元属性 . 136 4.8 直接通过节点和单元生成有限元模型 136 4.8.1 节点 . 136 4.8.2 单元 . 138 4.9 编号控制 141 4.9.1 合并重复项 . 141 4.9.2 编号压缩 . 142 4.9.3 设定起始编号 . 143 4.9.4 编号偏差 . 144 4.10 实例导航——导弹发动机药柱模型网格划分 . 144 4.10.1 智能分网 . 146 4.10.2 扫掠分网 . 147 4.10.3 采用延伸分网 . 153 第5章 施加载荷 . 158 5.1 载荷概述 159 5.1.1 什么是载荷 . 159 5.1.2 载荷步、子步和平衡迭代 . 160 5.1.3 时间参数 . 161 5.1.4 阶跃载荷与坡道载荷 . 162 5.2 施加载荷 162 5.2.1 实体模型载荷与有限单元载荷 . 163 5.2.2 施加载荷 . 163 5.2.3 利用表格施加载荷 . 170 5.2.4 轴对称载荷与反作用力 . 172 5.2.5 利用函数施加载荷和边界条件 . 173 5.3 设定载荷步选项 175 5.3.1 通用选项 . 175 5.3.2 非线性选项 . 179 5.3.3 动态选项 . 179 5.3.4 输出控制 . 180 5.3.5 Biot-Savart选项 181 5.3.6 谱分析选项 . 182 5.3.7 创建多载荷步文件 . 182 5.4 实例导航——导弹发动机药柱模型载荷施加. 183 5.4.1 单载荷步的施加 . 184 5.4.2 多载荷步的施加 . 187 5.4.3 表格及函数载荷的施加 . 190 第6章 求解 . 192 6.1 求解概述 193 6.1.1 使用直接求解法 . 194 6.1.2 使用稀疏矩阵直接求解法求解器 . 194 6.1.3 使用雅克比共轭梯度法求解器 . 194 6.1.4 使用不完全分解共轭梯度法求解器 195 6.1.5 使用预条件共轭梯度法求解器 . 195 6.1.6 使用自动迭代法选项 . 196 6.1.7 获得解答 . 196 6.2 利用特定的求解控制器来指定求解类型 197 6.2.1 使用菜单选项 . 197 6.2.2 使用对话框 . 198 6.3 多载荷步求解 199 6.3.1 多重求解法 . 199 6.3.2 使用载荷步文件法 . 200 6.3.3 使用数组参数法（矩阵参数法） . 201 6.4 重新启动分析 202 6.4.1重新启动一个分析 203 6.4.2 多载荷步文件的重启动分析 . 206 6.5 实例导航——导弹发动机药柱模型求解 208 6.5.1 单载荷步求解 . 209 6.5.2 多载荷步求解 . 209 第7章 后处理 . 210 7.1 后处理概述 211 7.1.1 什么是后处理 . 211 7.1.2 结果文件 . 212 7.1.3 后处理可用的数据类型 . 212 7.2 通用后处理器（POST1） . 213 7.2.1 将数据结果读入数据库 . 213 7.2.2 列表显示结果 . 220 7.2.3 图像显示结果 . 227 7.2.4 映射结果到某一路径上 . 234 7.2.5表面操作 239 7.2.6 将结果旋转到不同坐标系中显示 . 242 7.3 时间历程后处理器（POST26） . 244 7.3.1 定义和储存POST26变量 244 7.3.2 检查变量 . 246 7.3.3 POST26后处理器的其他功能 249 7.4 实例导航——导弹发动机药柱模型结果后处理. 250 7.4.1 通用后处理器 . 250 7.4.2 时间历程后处理器 . 259 第8章 静力分析 . 263 8.1 静力分析概述 264 8.1.1 结构静力分析简介 . 264 8.1.2 静力分析的类型 . 265 8.1.3 静力分析的基本步骤 . 265 8.2 实例导航——悬臂梁的横向剪切应力分析 266 8.2.1 问题描述 . 266 8.2.2 GUI模式 . 266 8.2.3 命令流方式 . 279 8.3 实例导航——内六角扳手的静态分析 279 8.3.1 问题的描述 . 279 8.3.2 建立模型 . 280 8.3.3 定义边界条件并求解 . 289 8.3.4 后处理 . 294 8.3.5 命令流方式 . 300 8.4 实例导航——钢桁架桥的静力分析 300 8.4.1 问题描述 . 300 8.4.2 GUI模式 301 8.4.3 命令流实现 . 317 8.5 实例导航——联轴体的静力分析 317 8.5.1 问题描述 . 317 8.5.2 建立模型 . 317 8.5.3 定义边界条件并求解 . 323 8.5.4 后处理 . 327 8.4.5 命令流方式 . 332 第9章 模态分析 . 333 9.1 模态分析概述 334 9.2 模态分析的基本步骤 334 9.2.1 建立模型 . 334 9.2.2 加载及求解 . 335 9.2.3 扩展模态 . 338 9.2.4后处理 340 9.3 实例导航——钢桁架桥模态分析 340 9.3.1 问题描述 . 340 9.3.2 GUI模式 . 341 9.3.3 命令流方式 . 345 9.4 实例导航——小型发电机转子模态分析 345 9.4.1 问题描述 . 345 9.4.2 建立模型 . 346 9.4.3 进行模态分析设置、定义边界条件并求解 351 9.4.4 后处理 . 354 9.4.5 命令流方式 . 354 9.5 实例导航——压电变换器自振频率分析 354 9.5.1 问题描述 . 354 9.5.2 GUI模式 355 9.5.3 命令流方式 . 371 第10章 谐响应分析 . 372 10.1 谐响应分析概述 373 10.2 谐响应分析的基本步骤 374 10.2.1 建立模型（前处理） . 374 10.2.2 加载并求解 . 374 10.2.3后处理 381 10.3 实例导航——弹簧质量系统的谐响应分析. 382 10.3.1 问题描述 . 383 10.3.2 GUI模式 383 10.3.3 命令流方式 . 396 10.4 实例导航——悬臂梁谐响应分析 396 10.4.1 问题描述 . 396 10.4.2 建立模型 . 397 10.4.3 后处理 . 410 10.4.4 命令流方式 . 413 第11章 瞬态动力学分析 . 414 11.1 瞬态动力学概述 415 11.1.1 完全法 . 415 11.1.2 模态叠加法 . 415 11.1.3 减缩法 . 416 11.2 瞬态动力学分析的基本步骤. 416 11.2.1 前处理（建模和分网） 416 11.2.2 建立初始条件 417 11.2.3 设定求解控制器 418 11.2.4 设定其他求解选项 420 11.2.5 施加载荷 . 420 11.2.6 设定多载荷步 422 11.2.7 瞬态求解 . 423 11.2.8 后处理 . 423 11.3 实例导航——哥伦布阻尼的自由振动分析 . 425 11.3.1 问题描述 . 425 11.3.2 GUI模式 . 426 11.3.3命令流方式 439 11.4 实例导航——瞬态动力学分析实例 . 439 11.4.1 问题描述 . 439 11.4.2 建立模型 . 440 11.4.3 进行模态分析 445 11.4.4 进行瞬态动力学分析设置、定义边界条件并求解 446 11.4.5 后处理 . 451 11.4.5 命令流方式 . 453 第12章 谱分析 . 454 12.1 谱分析概述 455 12.1.1 响应谱分析 . 455 12.1.2 动力设计分析方法（DDAM） . 455 12.1.3 功率谱密度（PSD） 456 12.2 谱分析的基本步骤 456 12.2.1 前处理 . 456 12.2.2 模态分析 . 456 12.2.3 谱分析 . 457 12.2.4 扩展模态 . 459 12.2.5 合并模态 . 461 12.2.6 后处理 . 462 12.3 实例导航——支撑平板的动力效果分析. 464 12.3.1 问题描述 . 464 12.3.2 GUI模式 . 464 12.3.3 命令流方式 . 487 第13章 结构屈曲分析 . 488 13.1 结构屈曲分析概述 489 13.2 结构屈曲分析的基本步骤 489 13.2.1 前处理 . 489 13.2.2 获得静力解 . 489 13.2.3 获得特征值屈曲解 . 490 13.2.4 扩展解 . 492 13.2.5 后处理 . 493 13.3实例导航——薄壁圆筒屈曲分析 . 494 13.3.1 问题描述 . 494 13.3.2 GUI 模式 . 494 13.3.3 命令流方式 . 503 第14章 非线性分析 . 504 14.1 非线性分析概论 505 14.1.1 非线性行为的原因 . 505 14.1.2 非线性分析的基本信息 . 506 14.1.3 几何非线性 . 508 14.1.4 材料非线性 . 509 14.1.5 其他非线性问题 . 513 14.2 非线性分析的基本步骤 513 14.2.1 前处理（建模和分网） . 514 14.2.2 设置求解控制器 . 514 14.2.3 设定其他求解选项 . 516 14.2.4 加载 . 518 14.2.5 求解 . 518 14.2.6 后处理 . 518 14.3 实例导航——铆钉冲压变形分析 520 14.3.1 问题描述 . 520 14.3.2 建立模型 . 521 14.3.3 定义边界条件并求解 . 527 14.3.4 后处理 . 530 14.3.5 命令流方式 . 534 第15章 接触问题分析 . 535 15.1 接触问题概述 536 15.1.1 一般分类 . 536 15.1.2 接触单元 . 536 15.2 接触问题分析步骤 537 15.2.1 建立模型并划分网格 . 538 15.2.2 识别接触对 . 538 15.2.3 定义刚性目标面 . 538 15.2.4 定义柔性体的接触面 . 540 15.2.5 设置实常数和单元关键点 . 542 15.2.6 控制刚性目标的运动 . 543 15.2.7 给变形体单元施加必要的边界条件 . 543 15.2.8 定义求解和载荷步选项 . 543 15.2.9 求解 . 545 15.2.10 后处理 . 545 15.3 实例导航——陶瓷套管的接触分析 546 15.3.1 问题描述 . 546 15.3.2 建立模型并划分网格 . 547 15.3.3 定义边界条件并求解 . 555 15.3.4 后处理 . 560 15.3.5 命令流方式 . 565