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第1章 有限元分析及ANSYS Workbench的简单应用 10

1.1引言 10

1.2工程问题的数学物理方程及数值算法 10

1.2.1工程问题复杂的需求及过程 10

1.2.2工程问题的数学物理方程 11

1.2.3控制微分方程的数值算法 14

1.3有限元分析技术的发展及应用 15

1.4有限元分析的基本原理及相关术语 16

1.4.1有限元分析的基本原理 16

1.4.2有限元分析的相关术语 17

1.5有限元分析的基本步骤 19

1.6有限元分析计算实例——直杆拉伸的轴向变形 19

1.6.1问题描述 19

1.6.2微分方程的解析解 20

1.6.3微分方程的有限元数值解 20

1.6.4 ANSYS Workbench梁单元分析直杆拉伸的轴向变形 22

1.6.5验证结果及理解问题 33

1.7有限元分析计算实例——单轴直杆热传导 33

1.7.1问题描述 33

1.7.2微分方程的解析解 33

1.7.3微分方程的有限元数值解 34

1.7.4 ANSYS Workbench热传导杆单元分析单轴直杆传热 36

1.7.5验证结果及理解问题 40

1.8有限元分析计算实例——单轴直杆稳态电流传导 41

1.8.1问题描述 41

1.8.2微分方程的解析解 41

1.8.3微分方程的有限元数值解 42

1.8.4 ANSYS Workbench电实体单元分析单轴直杆的稳态电流传导 44

1.8.5验证结果及理解问题 50

1.9本章小结 50

1.10习题 51

第2章 ANSYS Workbench平台 53

2.1 ANSYS Workbench概述 53

2.2 ANSYS 18.2 Workbench数值模拟的一般过程 53

2.3 ANSYS 18.2 Workbench的启动 54

2.4 ANSYS 18.2 Workbench的工作环境 54

2.4.1主菜单 54

2.4.2基本工具栏 58

2.4.3工具箱 58

2.4.4项目流程图 61

2.4.5参数设置 63

2.4.6定制分析流程 64

2.5 ANSYS 18.2 Workbench窗口管理功能 65

2.6 ANSYS 18.2 Workbench文件管理 66

2.6.1 Workbench文件系统 66

2.6.2显示文件 67

2.6.3文件归档及复原 68

2.7 ANSYS 18.2 Workbench单位系统 68

2.8 ANSYS 18.2 Workbench应用程序使用基础 69

2.8.1应用程序的工作界面 69

2.8.2应用程序的菜单功能 71

2.8.3应用程序的工具栏 72

2.8.4应用程序的图形显示控制及选择 73

2.8.5应用程序的导航结构及其明细 74

2.8.6应用程序中加载边界条件 75

2.8.7应用工程数据 76

2.9 ANSYS Workbench热结构案例——多工况冷却棒热应力 79

2.9.1问题描述及分析 79

2.9.2数值模拟过程 80

2.9.3验证结果及理解问题 90

2.10 ANSYS Workbench热电耦合案例——通电导线传热 90

2.10.1问题描述及分析 90

2.10.2数值模拟过程 91

2.10.3验证结果及理解问题 97

2.11本章小结 98

第3章 ANSYS Workbench结构分析基础 99

3.1结构静力分析概述 99

3.1.1结构静力分析 99

3.1.2结构动态静力分析 102

3.1.3 ANSYS Workbench中的结构静力分析方法 103

3.2应力分析及相关术语 104

3.2.1结构失效及计算准则 104

3.2.2应力分析 105

3.2.3应力及其分类 105

3.2.4应力集中 107

3.2.5接触应力 107

3.2.6温度应力 107

3.2.7应力状态 107

3.2.8位移 108

3.2.9 应变 108

3.2.10线性应力-应变关系 109

3.2.11结构材料的机械性能 110

3.2.12强度理论与强度设计准则 114

3.3工程案例——应用梁单元进行机车轮轴的静强度分析 115

3.3.1问题描述及分析 115

3.3.2应用梁单元计算轮轴应力的数值模拟过程 116

3.3.3结果分析与静强度评估 124

3.4工程案例——应用3D实体单元进行机车轮轴的静强度分析 124

3.4.1应用3D实体单元计算机车轮轴应力的数值模拟过程 125

3.4.2结果分析与应力评定解读 132

3.4.3处理应力奇异问题 136

3.5工程案例——应用子模型计算机车轮轴过渡处的局部应力 138

3.5.1理解应力集中处的应力 138

3.5.2应用子模型求解机车轮轴局部应力的数值模拟过程 138

3.5.3应力收敛性判定及结果分析 142

3.6工程案例——应用疲劳工具计算机车轮轴过渡处的疲劳寿命 142

3.7本章小结 144

3.8习题 144

第4章 ANSYS Workbench结构网格划分 146

4.1网格划分概述 146

4.2网格划分工作界面 146

4.3网格划分过程 147

4.4整体网格控制 147

4.4.1默认选项 149

4.4.2尺寸控制 149

4.4.3质量控制 151

4.4.4高级网格控制选项 162

4.4.5统计【Statistics】 165

4.5局部网格控制 165

4.5.1方法控制 165

4.5.2单元大小 175

4.5.3接触尺寸 177

4.5.4单元细化 178

4.5.5映射面网格 178

4.5.6 匹配控制 180

4.5.7修剪控制 181

4.5.8边界层控制 182

4.6检查网格质量 183

4.7虚拟拓扑 184

4.8预览和生成网格 186

4.9网格划分案例——卡箍连接模型 187

4.10网格划分案例——螺线管模型 192

4.11本章小结 198

第5章 ANSYS Workbench建立合理有限元分析模型 199

5.1建立合理的有限元分析模型概述 199

5.2结构分析建模求解策略 200

5.2.1结构的载荷分析 200

5.2.2结构理想化 201

5.2.3提取分析模型 201

5.2.4单元选择 203

5.2.5网格划分 204

5.2.6施加载荷与约束条件 204

5.2.7试算结果评估 204

5.2.8应力集中现象的处理 204

5.3 ANSYS Workbench结构分析模型 205

5.3.1分析模型的体类型 205

5.3.2多体零件 206

5.3.3体属性 206

5.3.4几何工作表 207

5.3.5点质量 208

5.3.6厚度 208

5.3.7材料属性 209

5.4 ANSYS 18.2 Workbench结构分析的连接关系 210

5.4.1接触连接 210

5.4.2接触控制 210

5.4.3接触设置 212

5.4.4点焊连接 214

5.4.5接触工作表 215

5.4.6接触分析模型案例——点焊连接不锈钢板的非线性静力分析 215

5.4.7远端边界条件 223

5.4.8远端边界分析模型案例——千斤顶底座承载模拟 226

5.4.9关节连接 232

5.4.10弹簧连接 237

5.4.11梁连接 239

5.4.12端点释放 239

5.4.13轴承连接 240

5.4.14坐标系 242

5.4.15命名选择 243

5.4.16选择信息 245

5.4.17关节应用案例——活塞连杆组件承压模拟 245

5.5螺栓连接模型的建模技术及案例 255

5.5.1概述 255

5.5.2案例描述及分析 256

5.5.3无螺栓、绑定接触进行螺栓连接组件分析 256

5.5.4螺栓为梁单元进行螺栓连接组件分析 265

5.5.5螺栓为实体单元（无螺纹）进行螺栓连接组件分析 275

5.5.6螺栓为实体单元（有螺纹）进行螺栓连接组件分析 284

5.5.7螺栓连接组件分析小结 287

5.6杆梁结构分析模型及案例 288

5.6.1杆梁结构计算模型及简化原则 288

5.6.2 9m单梁吊车弯曲模型及截取边界补强模型的强度分析 291

5.7 2D分析模型及案例 300

5.7.1 2D分析模型简介 300

5.7.2 2D平面应力模型分析齿轮齿条传动的约束反力矩 301

5.8 3D分析模型及案例 306

5.8.1概述 306

5.8.2卡箍连接模型的多载荷步数值模拟 306

5.9本章小结 315

5.10习题 316

第6章 ANSYS Workbench结构静强度分析 318

6.1静强度分析 318

6.1.1静强度分析概述 318

6.1.2静强度设计方法 318

6.1.3压力容器开孔接管区静强度分析 319

6.2本章小结 325

第7章 ANSYS Workbench结构疲劳强度分析 326

7.1疲劳分析概述 326

7.2疲劳分析设计方法 326

7.2.1总寿命法 326

7.2.2损伤容限法 327

7.3总寿命法疲劳强度设计 327

7.3.1无限寿命设计法 327

7.3.2有限寿命设计法 327

7.4 ANSYS Workbench高周疲劳分析 328

7.4.1疲劳工具处理的载荷 328

7.4.2高周疲劳分析过程 329

7.4.3材料的疲劳特性 330

7.4.4疲劳工具 331

7.5分析案例——矩形板边缘承受交变弯矩的疲劳分析 333

7.5.1问题描述及分析 333

7.5.2数值模拟过程 334

7.5.3结果分析与讨论 336

7.6非比例载荷的疲劳分析 338

7.6.1简述 338

7.6.2非比例载荷的疲劳分析过程 338

7.7分析案例——正应力的非比例加载疲劳分析 339

7.7.1问题描述及分析 339

7.7.2数值模拟过程 339

7.7.3结果分析与讨论 344

7.8非恒幅载荷的疲劳分析 345

7.8.1不规则载荷历程的处理 345

7.8.2非恒定振幅、比例加载疲劳分析相关设置 345

7.9分析案例——连杆受压疲劳分析 347

7.9.1问题描述及分析 347

7.9.2恒幅对称循环加载的数值模拟过程 347

7.9.3变幅比例加载的疲劳分析过程 352

7.10本章小结 355

第8章 结构热变形及热应力分析 356

8.1结构热应力分析方法概述 356

8.2传热基本方式 356

8.3稳态传热 357

8.4结构热变形及热应力分析的有限元方程 358

8.5覆铜板模型低温热应力分析 359

8.5.1问题描述及分析 359

8.5.2刚性结点的热应力理论计算 359

8.5.3数值模拟过程 360

8.5.4结果分析与讨论 364

8.6泵壳传热及热应力分析 364

8.6.1问题描述与分析 364

8.6.2数值模拟过程 364

8.6.3结果分析与讨论 369

8.7本章小结 369

8.8习题 369

参考文献 371