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第0章　引论 1

【算例】0.1 盘形弹簧（Belleville）的小变形静力分析 1

【算例】0.2 盘形弹簧（Belleville）几何非线性的增量计算 7

第1章　基本操作 11

1.1 系统启动 11

【操作】1.1（1） ANSYS的启动和目录管理 11

【操作】1.1（2） ANSYS的文件管理 11

【操作】1.1（3） ANSYS进入时的故障处理 13

1.2　菜单操作与命令流 13

【操作】1.2（1） 基于GUI和命令流的操作 13

【操作】1.2（2） 命令流的生成和导入 13

【操作】1.2（3） 建模过程的操作次序 15

1.3　菜单窗口的基本设置 15

【操作】1.3 窗口和尺标显示的控制 15

1.4　模型对象选择的控制 17

【操作】1.4（1） 模型对象的选择 17

【操作】1.4（2） 选择命令的应用 19

1.5 模型信息显示的控制 20

【操作】1.5（1） 模型信息的一般性显示 20

【操作】1.5（2） 模型的个性化显示 21

1.6　图形及硬拷贝文件 22

【操作】1.6 模型的图形拷贝 22

1.7　模型信息的查询及其列显 23

【操作】1.7 模型信息的查询 23

1.8　通过命令直接获取所有建模及计算结果的信息 24

【操作】1.8（1） 基于〈＊ GET〉的信息直接提取 24

【操作】1.8（2） 建模对象及计算结果信息的取值函数直接提取 24

1.9　通过编号来操作模型 27

【操作】1.9 基于模型编号的操作 27

1.10　通过组件来操作模型 27

【操作】1.10 模型组件的定义与选择 27

1.11 获取单元矩阵对角元素信息的操作 28

【操作】1.11 提取单元矩阵元素的信息，并输出到文件中 28

第2章　前处理建模与计算 29

2.1　建模的总体考虑 29

2.1.1　三种建模方法 29

2.1.2 1D、2D、3D及对称模型 29

2.1.3　针对几何形状的一次单元与二次单元 30

2.1.4　不同种类单元的应用 32

2.1.5　考虑分析的细节 33

2.1.6　网格密度的考虑 34

2.2　实体模型的建立 34

2.2.1　坐标系、转换、工作平面 34

【操作】2.2.1（1） 局部坐标系的定义 34

【操作】2.2.1（2） 节点坐标系的操作 35

【操作】2.2.1（3） 单元坐标系的设置 37

【操作】2.2.1（4） 局部坐标系与工作平面的关系 37

2.2.2　点、线、面、体的建模 39

【操作】2.2.2（1） 关键点的建模 39

【操作】2.2.2（2） 线的建模 40

【操作】2.2.2（3） 面的建模 43

【操作】2.2.2（4） 体的建模 45

【操作】2.2.2（5） 体、面的直接建模 46

2.2.3　模型的布尔操作 49

【操作】2.2.3（1） 布尔操作的设置 49

【操作】2.2.3（2） 布尔操作：相交 50

【操作】2.2.3（3） 布尔操作：相减 51

【操作】2.2.3（4） 布尔操作：分割 52

【操作】2.2.3（5） 布尔操作：相加 52

【操作】2.2.3（6） 布尔操作：搭接 53

【操作】2.2.3（7） 布尔操作：粘合 53

2.2.4　模型的复制与修改 54

【操作】2.2.4（1） 模型的复制 54

【操作】2.2.4（2） 实体模型的坐标转换 55

【操作】2.2.4（3） 几何尺度的缩放 55

【操作】2.2.4（4） 模型的修改与删除 56

2.2.5 CAD文件及多个建模文件的转换与操作 57

【算例】2.2.5（1） 厚壁柱体的IGES文件读写 57

【算例】2.2.5（2） 厚壁柱体的多个建模文件的读写 58

2.3　基于几何模型的单元划分 60

2.3.1　单元划分的基本步骤 60

2.3.2　单元划分前的准备 60

【操作】2.3.2（1） 单元属性的定义 60

【操作】2.3.2（2） 单元划分前的属性设置 60

2.3.3　基于几何模型的网格划分的控制 61

【操作】2.3.3（1） 单元形状的控制 61

【操作】2.3.3（2） 中间节点位置的控制 62

【操作】2.3.3（3） 单元尺寸的控制 62

【操作】2.3.3（4） 划分网格 64

2.3.4　网格的控制与改进 65

【操作】2.3.4（1） 局部网格的细化 65

【操作】2.3.4（2） 清除网格 65

【算例】2.3.4（3） 加肋蓄冷器网格划分的控制 66

【算例】2.3.4（4） 花形卡盘网格划分的控制 67

【算例】2.3.4（5） 复杂空间体的六面体网格划分的控制 68

【算例】2.3.4（6） 给定点处网格划分的控制 69

2.4　直接生成模型方法 70

2.4.1　直接生成节点 70

【操作】2.4.1 直接生成节点 70

2.4.2　基于节点的单元直接生成 72

【操作】2.4.2（1） 基于节点的单元直接生成 72

【操作】2.4.2（2） 模型编号的合并与压缩操作 73

【操作】2.4.2（3） 几何参数的计算 73

【操作】2.4.2（4） 模型的单元形状检查 74

2.5　边界条件的施加 75

【操作】2.5（1） 自由度约束的施加 75

【操作】2.5（2） 点载荷的施加 76

【操作】2.5（3） 表面分布载荷的施加 77

【操作】2.5（4） 体载荷的施加 81

【操作】2.5（5） 惯性载荷的施加 81

【算例】2.5（6） 分段分布函数面压载荷的施加 82

2.6　计算求解与过程控制 85

【操作】2.6（1） 计算求解过程 85

【操作】2.6（2） 多工况计算 87

2.7　模型的屏蔽处理及应用 87

【算例】2.7 路灯支撑装置的两种状态分析 88

2.8　综合算例 91

【算例】2.8（1） 桁架结构的多工况载荷的分析 91

【算例】2.8（2） 圆盘封盖的建模与受力分析 94

【算例】2.8（3） L形弯管的建模与受力分析 97

【算例】2.8（4） 受载7杆桁架结构的初始状态反求分析 99

第3章　后处理操作与计算结果分析 105

3.1　基本操作 105

【操作】3.1（1） 结果文件的调入 105

【操作】3.1（2） 变形及应力的显示 106

【操作】3.1（3） 计算结果的等值线显示 108

【操作】3.1（4） 线型单元的列表及显示 110

【操作】3.1（5） 连续单元的列表及显示 112

【操作】3.1（6） 计算结果的时间过程显示 113

【操作】3.1（7） 一般性后处理观察器 114

【操作】3.1（8） 时间变量后处理观察器 114

3.2　计算结果显示的控制及分析 115

【操作】3.2（1） 节点及单元应力结果的显示与计算误差 115

【算例】3.2（2） 平面L形结构的受力分析与误差 116

【操作】3.2（3） 计算结果显示的控制及图形设置 120

【操作】3.2（4） 后处理中的路径设置及显示 122

【操作】3.2（5） 计算结果的列表显示 124

【操作】3.2（6） 计算结果的动画及切片显示 125

【操作】3.2（7） 计算结果的安全系数显示 127

【操作】3.2（8） 在后处理中修改计算结果并进行显示 128

3.3　多工况计算结果的组合后处理 130

【操作】3.3（1） 基于后处理的多工况分析 130

【算例】3.3（2） 桁架7杆结构的多工况载荷的后处理分析 131

第4章　基于APDL的参数化有限元分析与二次开发 134

4.1　参数及操作 134

4.1.1　参数和数组的定义 134

【操作】4.1.1（1） 参数的定义及赋值 134

【操作】4.1.1（2） 数组参数的图形显示 136

4.1.2　数组的读写操作 137

【操作】4.1.2（1） 数组的读入 137

【操作】4.1.2（2） 建立一个输出文件 137

【操作】4.1.2（3） 数据的写出 138

4.1.3　表参数的定义和应用 139

【操作】4.1.3（1） 表参数的定义及赋值 139

【操作】4.1.3（2） 表参数数组的读入 140

【算例】4.1.3（3） 支撑平台的瞬态响应分析 141

4.2 APDL的内部函数 143

【操作】4.2 APDL的内部函数 143

4.3　流程的控制 144

【操作】4.3（1） 计算流程的无条件转移 144

【操作】4.3（2） 计算流程的条件转移 145

【操作】4.3（3） 计算流程的DO循环 145

【操作】4.3（4） 流程的DOWHILE循环 147

【操作】4.3（5） 计算流程的REPEAT循环 147

4.4　宏文件的建立、调用和加密 148

【操作】4.4（1） 宏文件的建立 148

【操作】4.4（2） 宏文件的调用 149

【操作】4.4（3） 宏文件的加密 150

4.5　定制用户化界面 152

【操作】4.5（1） 参数输入对话框 152

【操作】4.5（2） 命令流中的GUI拾取 153

【操作】4.5（3） 工具条的订制 154

4.6　二次开发综合应用算例 155

【算例】4.6（1） 基于对话框的受移动载荷作用的桁架桥分析 156

【算例】4.6（2） 基于宏文件的受移动载荷桁架桥的分析 158

【算例】4.6（3） 采用定制工具条的受移动载荷桁架桥的分析 160

第5章　线性结构的静力分析 162

5.1 基本分析原理及主要算法 162

5.1.1　基本原理 162

【原理】5.1.1（1） 结构分析基本原理 162

【原理】5.1.1（2） 材料破坏的强度准则 163

5.1.2　结构的惯性释放 165

【原理】5.1.2（1） 惯性释放分析基本原理 165

【算例】5.1.2（2） 自由块体的旋转运动 166

5.1.3　结构分析线性方程求解的基本算法 168

【原理】5.1.3（1） 稀疏矩阵直接法求解的原理 168

【原理】5.1.3（2） 波前法的计算原理 169

【原理】5.1.3（3） 迭代法的计算原理 171

5.1.4 ANSYS的一般实现过程 172

【原理】5.1.4（1） ANSYS分析的一般过程 172

【算例】5.1.4（2） 轴对称圆板弯曲的静力分析 173

5.2　常用的实体单元及特征 175

5.2.1 单元的几何形状特征指标 175

【原理】5.2.1（1） 实体单元的分类 175

【原理】5.2.1（2） 单元几何形状的特征 176

5.2.2　常用单元的基本特征 179

【原理】5.2.2 实体及板壳单元的基本特征 179

5.2.3　常用单元形状及网格密度的典型算例 182

【算例】5.2.3（1） 拱形平面的三种类型平面单元的分析 182

【算例】5.2.3（2） 空间板的三种类型空间单元的分析 183

【算例】5.2.3（3） 空间悬臂结构的多种形状单元的分析 185

5.3 各向异性以及温度相关材料的弹性问题分析 187

5.3.1　各向异性材料弹性分析的基本原理 187

【原理】5.3.1（1） 各向异性材料的本构关系 187

【原理】5.3.1（2） 直角坐标系下正交各向异性材料 188

【原理】5.3.1（3） 柱坐标系下正交各向异性材料 188

5.3.2　各向异性材料弹性分析的ANSYS实现过程 189

【操作】5.3.2（1） 各向异性材料弹性分析的ANSYS实现方式 189

【操作】5.3.2（2） 各向异性材料弹性分析的ANSYS实现流程 190

5.3.3　各向异性材料弹性分析的典型算例 193

【算例】5.3.3（1） 正交各向异性方块的拉伸问题 193

【算例】5.3.3（2） 带钢筋混凝土梁的弯曲问题 195

5.4　热应力分析 198

5.4.1　热应力分析的基本原理 198

【原理】5.4.1（1） 热应力分析的本构方程 198

【原理】5.4.1（2） 随温度变化的热膨胀系数 198

5.4.2　热应力分析的ANSYS实现过程 199

【操作】5.4.2（1） 热应力分析的ANSYS实现方式 199

【操作】5.4.2（2） 热应力分析的ANSYS实现流程 200

5.4.3　热应力分析的典型算例 200

【算例】5.4.3 双金属层悬臂结构板材的热载荷分析 200

5.5　结构分析的典型算例 203

【算例】5.5（1） 塔式起重机旋臂的加速度分析 203

【算例】5.5（2） 弹性地基上的平面梁的弯曲 204

【算例】5.5（3） 心压缩梁的静力分析 206

【算例】5.5（4） 工字形钢梁框架的静力分析 208

【算例】5.5（5） 多层复合材料悬臂梁的分析 210

【算例】5.5（6） 带预紧力的矩形截面杆的分析 213

【算例】5.5（7） 塔式起重机桁架结构的受力分析 215

第6章　结构分析的高级建模与分析技术 223

6.1　应力刚化、旋转软化问题的弹性分析 223

6.1.1　应力刚化问题及基本原理 223

【原理】6.1.1 应力刚化问题分析的基本原理 223

6.1.2　应力刚化分析的ANSYS实现过程 226

【操作】6.1.2（1） 应力刚化分析的ANSYS实现方式 226

【操作】6.1.2（2） 应力刚化分析的ANSYS实现流程 227

6.1.3　应力刚化分析的典型实例 227

【算例】6.1.3 带张力简支梁受横向载荷作用的静力分析 227

6.2　单元的“激活”与“杀死”技术 230

6.2.1　单元“激活”与“杀死”技术的分析原理 230

【原理】6.2.1 单元“激活”与“杀死”技术的基本原理 230

6.2.2 ANSYS实现过程 231

【操作】6.2.2（1） 单元“激活”与“杀死”的ANSYS实现方式 231

【操作】6.2.2（2） 单元“激活”与“杀死”的ANSYS实现流程 232

6.2.3　典型算例 232

【算例】6.2.3（1） 预紧结构张拉全过程的死活单元模拟 232

【算例】6.2.3（2） 斜拉桥分段施工过程的工艺模拟 236

【算例】6.2.3（3） 煤炭采掘作业过程的受力分析 240

【算例】6.2.3（4） 带椭圆孔平板拉伸的断裂过程模拟 245

6.3　高阶及高效建模技术 248

6.3.1 p方法的分析原理及过程 248

【原理】6.3.1（1） p方法的分析原理 248

【原理】6.3.1（2） p方法的ANSYS实现方式 249

【原理】6.3.1（3） p方法的ANSYS实现流程 250

6.3.2 自适应网格划分的分析过程 251

【原理】6.3.2（1） 自适应网格划分的分析原理 251

【原理】6.3.2（2） 自适应网格划分的ANSYS实现方式 252

【原理】6.3.2（3） 自适应网格划分的ANSYS实现流程 253

6.3.3　子模型的分析过程 255

【原理】6.3.3 子模型的ANSYS实现方式 255

6.3.4　高阶及高效建模技术典型算例 257

【算例】6.3.4（1） 平面问题的p型单元建模与分析 257

【算例】6.3.4（2） 椭圆形带孔平面的自适应分析 259

【算例】6.3.4（3） 带孔方板应力集中的子模型分析 260

6.4　基于耦合及约束方程的建模技术 263

【原理】6.4（1） 耦合及约束方程的分析原理 263

【原理】6.4（2） 约束方程的ANSYS实现方式及流程 264

【算例】6.4（3） 带扭转弹簧的刚性梁的小挠度旋转 265

6.5　结构优化问题的分析 267

6.5.1　结构参数优化的分析过程 267

【原理】6.5.1（1） 结构参数优化的分析原理 267

【原理】6.5.1（2） 结构参数优化的ANSYS实现方式 270

【原理】6.5.1（3） 结构参数优化的ANSYS实现流程 271

6.5.2　拓扑优化的分析过程 272

【原理】6.5.2（1） 拓扑优化的分析原理 272

【原理】6.5.2（2） 拓扑优化的ANSYS实现方式 274

【原理】6.5.2（3） 拓扑优化的ANSYS实现流程 276

6.5.3 结构优化问题的典型算例 277

【算例】6.5.3（1） 平面框架结构的参数优化 277

【算例】6.5.3（2） 多工况载荷下的静力拓扑优化 280

【算例】6.5.3（3） 平面简支梁固有频率最大化的拓扑优化 283

6.6 结构的概率、疲劳与断裂分析 285

6.6.1 结构概率分析过程 285

【原理】6.6.1（1） 结构概率分析的原理 285

【原理】6.6.1（2） 结构概率分析的ANSYS实现方式 288

【原理】6.6.1（3） 结构概率分析的ANSYS实现流程 291

6.6.2　结构疲劳分析过程 292

【原理】6.6.2（1） 结构疲劳分析的原理 292

【原理】6.6.2（2） 结构疲劳分析的ANSYS实现方式 294

【原理】6.6.2（3） 结构疲劳分析的ANSYS实现流程 296

6.6.3　结构断裂分析过程 296

【原理】6.6.3（1） 结构断裂分析的原理 296

【原理】6.6.3（2） 结构断裂分析的ANSYS实现方式 300

【原理】6.6.3（3） 结构断裂分析的ANSYS实现流程 302

6.6.4　典型算例 303

【算例】6.6.4（1） 大型液压机机架的概率设计分析 303

【算例】6.6.4（2） 带孔平板的疲劳分析 307

【算例】6.6.4（3） 带裂纹的椭圆孔平板的断裂力学分析 309

【算例】6.6.4（4） 平板剪切型裂纹应力强度因子计算 312

6.7　复合材料的分析 313

6.7.1　复合材料的分析过程 313

【原理】6.7.1（1） 多层复合材料分析的原理 313

【原理】6.7.1（2） 多层复合材料分析的ANSYS实现方式 316

【原理】6.7.1（3） 多层复合材料分析的ANSYS实现流程 318

6.7.2　复合材料分析的典型算例 318

【算例】6.7.2（1） 多层复合梁的弯曲问题 318

【算例】6.7.2（2） 带孔简支叠层复合板的静力分析 321

第7章　结构的模态及屈曲分析 324

7.1　结构模态分析 324

7.1.1　结构模态分析的过程 324

【原理】7.1.1（1） 结构模态分析的原理 324

【原理】7.1.1（2） 结构模态分析的ANSYS实现方式及流程 326

7.1.2　结构模态分析的经典算例 328

【原理】7.1.2（1） 模态分析中的尺度单位换算 328

【算例】7.1.2（2） 单元类型及网格密度对振动频率的影响 329

【算例】7.1.2（3） 两悬挂圆盘的扭转振动频率 331

【算例】7.1.2（4） 旋转悬臂叶片的振动 333

【算例】7.1.2（5） 钻杆钻环的扭转振动 335

【算例】7.1.2（6） 带孔两层复合壳的模态分析 336

【算例】7.1.2（7） 流体耦合系统的振动 338

【算例】7.1.2（8） 长方体压电陶瓷材料的固有频率的分析 341

7.2　结构屈曲分析的原理与操作 343

7.2.1　结构屈曲分析的过程 343

【原理】7.2.1（1） 结构屈曲分析的原理 343

【原理】7.2.1（2） 结构屈曲分析的ANSYS实现方式及流程 345

7.2.2　弹性结构失稳分析的典型算例 347

【算例】7.2.2（1） 矩形梁受压弯曲后的扭转失稳 347

【算例】7.2.2（2） 两端铰支梁的失稳分析 351

【算例】7.2.2（3） 静态压杆失稳的平面单元分析 352

【算例】7.2.2（4） 直角框架的失稳分析 354

7.3　高速旋转结构的模态分析 356

7.3.1　高速旋转结构模态分析的过程 356

【原理】7.3.1（1） 高速旋转结构模态分析的原理 356

【原理】7.3.1（2） 高速旋转结构模态分析的ANSYS实现方式及流程 357

7.3.2　高速旋转结构模态分析的典型算例 359

【算例】7.3.2（1） 空心管道高速旋转的模态分析 359

【算例】7.3.2（2） 考虑Coriolis效应的空心圆筒的旋转模态分析 361

7.4　循环对称结构的模态分析 363

7.4.1　循环对称结构模态分析的过程 363

【原理】7.4.1（1） 循环对称结构模态分析的原理 363

【原理】7.4.1（2） 循环对称结构模态分析的ANSYS实现方式及流程 365

7.4.2　循环对称振动及屈曲分析的典型算例 366

【算例】7.4.2（1） 拉伸薄膜的3D循环对称振动分析 366

【算例】7.4.2（2） 水轮机循环对称结构的模态分析 370

第8章　线性结构简谐振动及谱分析 373

8.1 简谐振动分析的过程 373

【原理】8.1（1） 简谐振动分析的原理 373

【原理】8.1（2） 简谐振动分析的ANSYS实现方式及流程 377

8.2　结构简谐振动分析经典算例 380

【算例】8.2（1） 两质量弹簧系统的强迫振动 380

【算例】8.2（2） 一个动力系统的强迫振动 383

【算例】8.2（3） 偏心重力激振器的响应 385

【算例】8.2（4） 吉他弦的简谐振动 386

【算例】8.2（5） 压电传感器结构的强迫响应 389

【算例】8.2（6） 可压缩液体中环形结构的简谐分析 392

8.3　结构随机响应谱分析的过程 396

【原理】8.3（1） 谱分析的原理 396

【原理】8.3（2） 结构随机响应谱分析的ANSYS实现方式 398

【原理】8.3（3） 结构随机响应谱分析的ANSYS实现流程 399

8.4　结构谱分析典型算例 400

【算例】8.4（1） 简支梁的随机振动分析 400

【算例】8.4（2） 两质量弹簧系统的随机响应 403

【算例】8.4（3） 简支梁的地震响应分析 405

【算例】8.4（4） 简支厚板的功率谱密度随机及简谐响应分析 407

【算例】8.4（5） 考虑地震作用的建筑物加速度响应谱分析 410

第9章　线性结构瞬态分析 416

9.1 瞬态分析的过程 416

【原理】9.1（1） 一阶系统瞬态分析的原理 416

【原理】9.1（2） 二阶系统瞬态分析的原理 416

【原理】9.1（3） 瞬态分析中的三种求解方法 419

【原理】9.1（4） 瞬态分析的ANSYS实现流程 422

9.2　结构系统瞬态分析典型算例 425

【算例】9.2（1） 简支梁的瞬态响应 425

【算例】9.2（2） 非等刚度弹簧的大侧向挠度 428

【算例】9.2（3） 铰接梁的转动 430

【算例】9.2（4） 刚性球撞击弹性地面的分析 433

【算例】9.2（5） 弹簧质量系统的干摩擦滑动 435

【算例】9.2（6） 带间隔的双弹簧系统的瞬态响应 437

【算例】9.2（7） 坠落容器中弹簧质量系统的瞬态响应 440

【算例】9.2（8） 自由杆的冲击分析 443

【算例】9.2（9） 单摆的大位移旋转 446

【算例】9.2（10） 水中浮标的运动 449

【算例】9.2（11） 铰支梁的双向旋转运动 451

【算例】9.2（12） 考虑地震作用的建筑物加速度瞬态分析 455

【算例】9.2（13） 桥梁在车辆经过时的瞬态分析 457

参考文献 460

主题词索引 463

命令流索引 470

单元索引 478