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第1章 有限元分析及ANSYS Workbench简单应用 1

1.1 引言 1

1.2 工程问题的数学物理方程及数值算法 1

1.2.1 工程问题复杂的需求及过程 1

1.2.2 工程问题的数学物理方程 2

1.2.3 控制微分方程的数值算法 4

1.3 有限元分析技术的发展及应用 5

1.4 有限元分析的基本原理及相关术语 6

1.4.1 有限元分析的基本原理 6

1.4.2 有限元分析的相关术语 6

1.5 有限元分析的基本步骤 8

1.6 有限元分析计算实例——直杆拉伸的轴向变形 8

1.6.1 问题描述 8

1.6.2 微分方程的解析解 9

1.6.3 微分方程的有限元数值解 9

1.6.4 ANSYS Workbench梁单元分析直杆拉伸的轴向变形 11

1.6.5 验证结果及理解问题 20

1.7 有限元分析计算实例——单轴直杆热传导 20

1.7.1 问题描述 20

1.7.2 微分方程的解析解 21

1.7.3 微分方程的有限元数值解 21

1.7.4 ANSYS Workbench热传导杆单元分析单轴直杆传热 23

1.7.5 验证结果及理解问题 27

1.8 有限元分析计算实例——单轴直杆稳态电流传导 28

1.8.1 问题描述 28

1.8.2 微分方程的解析解 28

1.8.3 微分方程的有限元数值解 29

1.8.4 ANSYS Workbench电实体单元分析单轴直杆的稳态电流传导 30

1.8.5 验证结果及理解问题 36

1.9 本章小结 36

习题 38

第2章 ANSYS Workbench平台 39

2.1 ANSYS Workbench概述 39

2.2 ANSYS Workbench数值模拟的一般过程 39

2.3 ANSYS Workbench启动 40

2.4 ANSYS Workbench的工作环境 40

2.4.1 主菜单 41

2.4.2 基本工具栏 43

2.4.3 工具箱 44

2.4.4 项目流程图 46

2.4.5 参数设置 47

2.4.6 定制分析流程 48

2.5 ANSYS Workbench窗口管理功能 49

2.6 ANSYS Workbench文件管理 50

2.6.1 Workbench文件系统 50

2.6.2 显示文件 51

2.6.3 文件归档及复原 52

2.7 ANSYS Workbench的单位系统 52

2.8 ANSYS Workbench应用程序使用基础 53

2.8.1 应用程序的工作界面 53

2.8.2 应用程序的菜单功能 55

2.8.3 应用程序的工具栏 55

2.8.4 应用程序的图形显示控制及选择 57

2.8.5 应用程序的导航结构及其明细 58

2.8.6 应用程序中加载边界条件 58

2.8.7 应用工程数据 59

2.9 ANSYS Workbench热结构案例——多工况冷却棒热应力 62

2.9.1 问题描述及分析 62

2.9.2 数值模拟过程 63

2.9.3 验证结果及理解问题 72

2.10 ANSYS Workbench热电耦合案例——通电导线传热 72

2.10.1 问题描述及分析 73

2.10.2 数值模拟过程 73

2.10.3 验证结果及理解问题 79

2.11 本章小结 79

第3章 ANSYS Workbench结构分析基础 80

3.1 结构静力分析概述 80

3.1.1 结构静力分析 80

3.1.2 结构动态静力分析 81

3.1.3 ANSYS Workbench中的结构静力分析方法 81

3.2 应力分析及相关术语 82

3.2.1 结构失效及计算准则 82

3.2.2 应力分析 83

3.2.3 应力及其分类 83

3.2.4 应力集中 85

3.2.5 接触应力 85

3.2.6 温度应力 85

3.2.7 应力状态 85

3.2.8 位移 86

3.2.9 应变 86

3.2.10 线性应力-应变关系 87

3.2.11 结构材料的机械性能 87

3.2.12 强度理论与强度设计准则 91

3.3 工程案例——应用梁单元进行机车轮轴的静强度分析 93

3.3.1 问题描述及分析 93

3.3.2 应用梁单元计算轮轴应力的数值模拟过程 93

3.3.3 结果分析与解读 102

3.4 工程案例——应用3D实体单元进行机车轮轴的应力分析 102

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 102

3.4.2 结果分析与应力评定解读 110

3.4.3 处理应力奇异问题 113

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 115

3.5.1 理解应力集中处的应力 115

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 115

3.5.3 应力收敛性判定及结果分析 119

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 119

3.6.1 修改子模型计算局部应力 120

3.6.2 使用疲劳工具计算轴肩过渡处的疲劳寿命 121

3.7 本章小结 123

习题 123

第4章 ANSYS Workbench建立合理有限元分析模型 124

4.1 建立合理的有限元分析模型概述 124

4.2 结构分析建模求解策略 125

4.2.1 结构的载荷分析 125

4.2.2 结构理想化 126

4.2.3 提取分析模型 126

4.2.4 单元选择 127

4.2.5 网格划分 128

4.2.6 施加载荷与约束条件 129

4.2.7 试算结果评估 129

4.2.8 应力集中现象的处理 129

4.3 ANSYS Workbench结构分析模型 129

4.3.1 分析模型的体类型 130

4.3.2 多体零件 130

4.3.3 体属性 131

4.3.4 几何工作表 132

4.3.5 点质量 132

4.3.6 厚度 133

4.3.7 材料属性 134

4.4 ANSYS Workbench结构分析的连接关系 135

4.4.1 接触连接 135

4.4.2 接触控制 135

4.4.3 接触设置 136

4.4.4 点焊连接 139

4.4.5 接触工作表 140

4.4.6 分析模型算例——点焊连接不锈钢板的非线性静力分析 140

4.4.7 远端边界条件 148

4.4.8 远端边界分析模型算例——千斤顶底座承载模拟 150

4.4.9 关节连接 157

4.4.10 弹簧连接 162

4.4.11 梁连接 163

4.4.12 端点释放 164

4.4.13 轴承连接 165

4.4.14 坐标系 166

4.4.15 命名选择 168

4.4.16 选择信息 169

4.4.17 关节应用案例——曲轴连杆活塞装配体承压模拟 170

4.5 螺栓联接模型的建模技术及算例 174

4.5.1 问题描述及分析 174

4.5.2 无螺栓、绑定接触进行螺栓联接组件分析 175

4.5.3 螺栓为梁单元进行螺栓联接组件分析 182

4.5.4 螺栓为实体单元（无螺纹）进行螺栓联接组件分析 191

4.5.5 螺栓为实体单元（有螺纹）进行螺栓联接组件分析 198

4.6 ANSYS Workbench结构网格划分 201

4.6.1 网格划分概述 201

4.6.2 网格划分工作界面 202

4.6.3 网格划分过程 203

4.6.4 整体网格控制 203

4.6.5 局部网格控制 206

4.6.6 检查网格质量 215

4.6.7 虚拟拓扑 218

4.6.8 预览和生成网格 219

4.7 六面体网格划分案例——卡箍连接模型 220

4.8 四面体网格划分案例——螺线管模型 223

4.9 杆梁结构分析模型及算例 226

4.9.1 杆梁结构计算模型及简化原则 226

4.9.2 9m单梁吊车弯曲模型及截取边界补强模型的强度分析 228

4.10 2D分析模型及算例 237

4.10.1 2D分析模型简介 237

4.10.2 2D平面应力模型分析齿轮齿条传动的约束反力矩 238

4.11 3D分析模型及算例 242

4.12 本章小结 246

习题 246

第5章 ANSYS Workbench在结构分析中的应用 248

5.1 静强度分析 248

5.1.1 静强度分析概述 248

5.1.2 静强度设计方法 248

5.1.3 压力容器开孔接管区静强度分析 249

5.2 疲劳强度分析 253

5.2.1 疲劳分析概述 253

5.2.2 疲劳分析设计方法 254

5.2.3 总寿命法疲劳强度设计 254

5.2.4 ANSYS Workbench中的疲劳分析 255

5.2.5 Ansys Workbench高周疲劳分析 256

5.2.6 分析案例——矩形板边缘承受交变弯矩的疲劳分析 260

5.2.7 非比例载荷的疲劳分析 265

5.2.8 疲劳分析案例——正应力的非比例加载 266

5.2.9 不稳定振幅的疲劳分析 271

5.2.10 疲劳分析案例——连杆受压 272

5.3 结构热变形及热应力分析 280

5.3.1 传热基本方式 280

5.3.2 稳态传热 282

5.3.3 结构热变形及热应力分析的有限元方程 282

5.3.4 覆铜板模型低温热应力分析 283

5.3.5 泵壳传热及热应力分析 287

5.4 本章小结 293

习题 293

参考文献 295