ANSYS 18.0有限元分析从入门到精通（升级版）

（1）在16.0版广泛应用的基础上，吸收众多读者的宝贵建议，大幅完善图书内容。 （2）不论从整体构思上还是每章内容安排上，都是从基础到应用，从简单到复杂，有利于读者循序渐进地掌握相关知识。 （3）实例丰富，以实例为主线展开， 既生动形象又简洁明了。 （5）条理清晰，讲解详细，确保自学的读者能独立学习和应用软件。 

本书采用GUI界面操作与APDL命令相互对照的方式，从基础知识、专题技术两个层面详细地阐述ANSYS 18.0有限元软件的使用方法和技巧。本书自始至终采用实例作引导，内容系统完整，且每章又相对独立，是一本简明的ANSYS读本。 全书分为基础知识和专题技术两部分，共22章。基础知识部分（第1～7章），讲解了使用ANSYS进行有限元分析的基本流程与方法、ANSYS建模、网格划分、边界条件定义、求解、后处理等知识；专题技术部分（第8～22章），根据工程应用的实际经验，介绍大量高级应用知识，包括ANSYS结构静力学分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析、稳态热分析、瞬态热分析、电磁场分析、多物理场耦合分析、几何非线性分析、接触问题、“生死”单元技术、复合材料分析、薄膜结构分析、参数化与优化设计等。 本书以实用为宗旨，深入浅出，实例引导，讲解翔实，适合作为理工科高等院校本科生、研究生的教学用书，也可作为广大科研工程技术人员的技术参考书。

CAX技术联盟是由计算机辅助技术领域的专业人员组成，包括来自于中国科学院、清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学等高校科研机构以及航空航天、兵器工业、建筑设计院、核工业等工业集团的从业人员。联盟成员均毕业于国内外著名高校，拥有硕士、博士学历，在教学科研线，拥有较高的学术专业水平。本联盟已经和正在推出计算机辅助技术领域的科技图书，以提高国内计算机辅助技术领域的水平。

目 录

部分 基础知识

第1章 绪论 1
1.1 有限元法概述 1
1.1.1 有限元法分析过程 1
1.1.2 有限元的方法和理论手段 3
1.2 ANSYS 18.0简介 4
1.2.1 ANSYS启动与退出 4
1.2.2 ANSYS操作界面 4
1.2.3 ANSYS文件管理 7
1.2.4 ANSYS分析流程 8
1.2.5 分析实例入门 9
1.3 本章小结 14
第2章 APDL基础应用 15
2.1 APDL参数 15
2.1.1 参数的概念与类型 15
2.1.2 参数命名规则 16
2.1.3 参数的定义与复制操作 16
2.1.4 参数的删除操作 17
2.1.5 数组参数 17
2.2 APDL的流程控制 19
2.2.1 *GO分支语句 19
2.2.2 *IF分支语句 19
2.2.3 *DO循环语句 19
2.2.4 *DOWHILE循环语句 20
2.3 宏文件 20
2.3.1 创建宏文件 20
2.3.2 调用宏文件 21
2.4 运算符、函数与函数编辑器 21
2.5 本章小结 22
第3章 实体建模 23
3.1 实体建模操作概述 23
3.2 用自下向上的方法建模 25
3.3 自顶向下法 29
3.4 外部程序导入模型 32
3.5 常用建模命令汇总 36
3.6 实体模型的建立 37
3.7 本章小结 44
第4章 划分网格 45
4.1 定义单元属性 45
4.2 设置网格划分控制 49
4.2.1 智能网格划分 49
4.2.2 全局单元尺寸控制 51
4.2.3 默认单元尺寸控制 51
4.2.4 关键点尺寸控制 52
4.2.5 线尺寸控制 53
4.2.6 面尺寸控制 54
4.2.7 单元尺寸定义命令的优先顺序 55
4.2.8 完成划分 55
4.3 网格的修改 56
4.3.1 清除网格 56
4.3.2 网格的局部细化 57
4.3.3 层状网格划分 59
4.4 高级网格划分技术 59
4.4.1 单元选择 60
4.4.2 映射网格 61
4.4.3 扫掠网格 63
4.4.4 拉伸网格 63
4.5 划分网格命令汇总 63
4.6 本章小结 65
第5章 加载 67
5.1 载荷与载荷步 67
5.1.1 载荷 67
5.1.2 载荷步 68
5.2 加载方式 69
5.2.1 实体加载的特点 69
5.2.2 有限元模型的加载特点 69
5.3 施加载荷 70
5.4 齿轮泵模型的加载 82
5.5 耦合与约束方程 84
5.5.1 耦合 84

5.5.2 约束方程 85
5.6 本章小结 87
第6章 求解 88
6.1 求解综述 88
6.2 例题 91
6.3 求解命令汇总 92
6.4 本章小结 93
第7章 后处理 94
7.1 通用后处理器 94
7.1.1 结果文件 94
7.1.2 结果输出 97
7.1.3 结果处理 110
7.1.4 结果查看器 113
7.2 时间历程后处理器 114
7.2.1 时间历程变量浏览器 114
7.2.2 定义变量 117
7.2.3 显示变量 118
7.3 本章小结 119

第二部分 专题技术

第8章 结构静力分析 120
8.1 结构分析概述 120
8.1.1 结构分析的定义 120
8.1.2 静力学分析的基本概念 121
8.1.3 结构静力学分析的方法 121
8.2 开孔平板静力分析 124
8.2.1 问题描述 124
8.2.2 设置分析环境 124
8.2.3 定义单元与材料属性 125
8.2.4 建立模型 127
8.2.5 划分网格 129
8.2.6 施加边界条件 130
8.2.7 求解 134
8.2.8 显示变形图 135
8.2.9 显示结果云图 135
8.2.10 查看矢量图 139
8.2.11 查看约束反力 140
8.2.12 查询危险点坐标 141
8.3 平面应力分析 142
8.3.1 问题描述 142
8.3.2 设置分析环境 142
8.3.3 定义几何参数 143
8.3.4 选择单元 144
8.3.5 定义实常数 145
8.3.6 定义材料属性 146
8.3.7 创建实体模型 147
8.3.8 设定网格尺寸并划分网格 149
8.3.9 施加载荷并求解 151
8.3.10 求解 153
8.3.11 查看分析结果 153
8.3.12 命令流 157
8.4 本章小结 158
第9章 模态分析 159
9.1 模态分析的基本假设 159
9.2 模态分析方法 159
9.3 立体桁架结构模态分析 164
9.3.1 问题描述 164
9.3.2 分析 165
9.3.3 设置环境变量 165
9.3.4 设置材料属性 166
9.3.5 创建几何模型 167
9.3.6 划分网格 170
9.3.7 施加约束 171
9.3.8 设置分析类型 171
9.3.9 设置分析选项 172
9.3.10 求解 173
9.3.11 观察固有频率结果 173
9.3.12 读入数据结果 173
9.3.13 观察振型等值线结果 174
9.3.14 命令流 176
9.4 本章小结 178
第10章 谐响应分析 179
10.1 谐响应分析应用 179
10.2 两自由度系统谐响应分析 184
10.2.1 问题描述 184
10.2.2 设置环境变量 184
10.2.3 设置材料属性 185
10.2.4 建立模型 186
10.2.5 划分网格 187
10.2.6 加载 188
10.2.7 求解 189
10.2.8 后处理 189
10.2.9 命令流 190
10.3 本章小结 191
第11章 瞬态动力学分析 192
11.1 概述 192
11.2 斜拉悬臂梁结构瞬态响应分析 198
11.2.1 问题描述 198
11.2.2 设置环境变量 198
11.2.3 设置材料属性 199
11.2.4 建立模型 200
11.2.5 划分网格 201
11.2.6 施加载荷 202
11.2.7 求解 204
11.2.8 后处理 204
11.3 本章小结 205
第12章 谱分析 206
12.1 ANSYS谱分析概述 206
12.2 三角平台结构地震响应分析 211
12.2.1 问题描述 211
12.2.2 分析 212
12.2.3 设置环境变量 212
12.2.4 设置材料属性 213
12.2.5 建立模型 214
12.2.6 划分网格 215
12.2.7 施加载荷 216
12.2.8 求解 217
12.2.9 观察结果 220
12.3 本章小结 221
第13章 热分析 222
13.1 热分析介绍 222
13.1.1 热分析的类型 222
13.1.2 热分析的基本过程 222
13.2 热—应力耦合分析实例 224
13.2.1 问题描述 224
13.2.2 设置环境变量 225
13.2.3 设置材料属性 226
13.2.4 建模 228
13.2.5 网格划分 228
13.2.6 加载 229
13.2.7 求解 231
13.2.8 后处理 233
13.3 本章小结 234
第14章 电磁场分析 235
14.1 磁场分析 235
14.2 电场分析 237
14.3 屏蔽带状传输线静电场分析 238
14.3.1 问题描述 238
14.3.2 设置环境变量 238
14.3.3 设置材料属性 239
14.3.4 建模 240
14.3.5 划分网格 241
14.3.6 加载 242
14.3.7 求解 244
14.3.8 后处理 244
14.4 本章小结 247
第15章 多物理场耦合分析 248
15.1 概述 248
15.1.1 顺序耦合 248
15.1.2 直接耦合分析 249
15.2 双层金属簧片耦合场分析 249
15.2.1 问题描述 249
15.2.2 设置环境变量 250
15.2.3 设置材料属性 250
15.2.4 建模 252
15.2.5 划分网格 253
15.2.6 加载 253
15.2.7 求解 254
15.2.8 后处理 255
15.3 本章小结 257
第16章 非线性静力分析 258
16.1 概述 258
16.1.1 非线性问题的分类 258
16.1.2 牛顿-拉森方法 260
16.1.3 非线性求解的组织级别 261
16.1.4 非线性瞬态过程的分析 264
16.2 实例分析一 273
16.2.1 问题描述 273
16.2.2 分析 273
16.2.3 设置环境变量 274
16.2.4 设置属性 274
16.2.5 建模 275
16.2.6 划分网格 276
16.2.7 加载 276
16.2.8 求解 278
16.2.9 后处理 279
16.2.10 命令流 282
16.3 实例分析二 283
16.3.1 问题描述 283
16.3.2 环境变量设置 283
16.3.3 设置属性 283
16.3.4 建模 285
16.3.5 网格划分 285
16.3.6 加载 286
16.3.7 求解 287
16.3.8 后处理 288
16.3.9 命令流 291
16.4 本章小结 293
第17章 接触问题 294
17.1 概述 294
17.2 齿轮接触分析 295
17.2.1 问题描述 295
17.2.2 设置环境变量 296
17.2.3 设置属性 297
17.2.4 建立模型 298
17.2.5 对齿面划分网格 304
17.2.6 定义接触对 304
17.2.7 施加位移边界 306
17.2.8 求解 308
17.2.9 后处理 309
17.3 并列放置两个圆柱体的接触问题 311
17.3.1 问题描述 311
17.3.2 分析 311
17.3.3 设置分析环境 312
17.3.4 设置属性 312
17.3.5 建立模型 314
17.3.6 网格划分 316
17.3.7 定义约束 319
17.3.8 加载 320
17.3.9 求解 322
17.3.10 后处理 322
17.4 本章小结 324
第18章 “生死”单元 325
18.1 概述 325
18.1.1 “生死”单元的基本概念 325
18.1.2 单元“生死”技术的使用 326
18.2 焊接过程模拟 328
18.2.1 问题描述 328
18.2.2 定义材料参数 328
18.2.3 建立模型 330
18.2.4 生成钢板的单元 331
18.2.5 加载 332
18.2.6 求解 334
18.2.7 查看图形结果 339
18.3 本章小结 340
第19章 复合材料分析 342
19.1 复合材料的相关概念 342
19.2 建立复合材料模型 343
19.2.1 选择合适的单元类型 343
19.2.2 定义材料的叠层结构 344
19.2.3 定义失效准则 347
19.2.4 应遵循的建模和后处理规则 348
19.3 复合材料分析实例 350
19.3.1 问题描述 350
19.3.2 定义单元类型、实常数及材料特性 351
19.3.3 建立有限元模型 353
19.3.4 划分网格 354
19.3.5 添加约束和载荷 355
19.3.6 求解 357
19.3.7 后处理 357
19.3.8 命令流 360
19.4 本章小结 361
第20章 机械零件分析 362
20.1 扳手的静力分析 362
20.1.1 问题描述 362
20.1.2 设置分析环境 363
20.1.3 定义单元与材料属性 363
20.1.4 建立模型 364
20.1.5 划分网格 366
20.1.6 施加边界条件 367
20.1.7 求解 368
20.1.8 查看求解结果 369
20.1.9 退出系统 370
20.1.10 命令流 370
20.2 材料非线性分析 372
20.2.1 问题描述

前     言   

       ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界著名的有限元分析软件公司—美国ANSYS公司开发，它能与大多数CAD软件接口实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
       ANSYS软件不断吸收当今世界的计算方法与计算机技术，引领世界有限元技术发展的潮流，凭借其强大的功能，可靠的质量，赢得了全球工业界的广泛赞赏，尤其得到各行业CAE用户的认可，在航空航天、铁路运输、石油化工、机械制造、能源、汽车、电子、土木工程、船舶、生物医学、轻工、矿产、水利等领域得到了广泛应用，为各领域的科学研究与工程应用的发展起到了巨大的推动作用。
1．本书特点
        由浅入深，循序渐进。本书以初中级读者为对象，首先从ANSYS基础讲起，再辅以ANSYS在工程中的应用案例，帮助读者尽快掌握ANSYS进行有限元分析的技能。
        步骤详尽，内容新颖。本书结合作者多年ANSYS的使用经验和实际工程应用案例，将ANSYS软件的使用方法与技巧详细地讲解给读者。本书在讲解过程中步骤详尽、内容新颖，讲解过程辅以相应的图片，使读者在阅读时一目了然，从而快速掌握书中所讲内容。
        实例典型，轻松易学。通过学习实际工程应用案例的具体操作是掌握ANSYS好的方式，本书通过综合应用案例，透彻详尽地讲解了ANSYS在各方面的应用。
版本，质量保证。本书在上一版的基础上，为适应新版本要求进行了版本升级，在结构上进行了局部调整，对原书中存在的错误进行了改正，对模型及程序重新进行了仿真计算校核，提高了图书质量。
2．本书内容
        本书基于ANSYS 18.0版，讲解ANSYS的基础知识和核心应用内容。本书内容分为两个部分：基础知识部分和专题技术部分。
部分：基础知识。第1～7章，主要介绍ANSYS的基础知识，包括ANSYS的基本操作、APDL应用、实体建模、网格划分、加载、求解和后处理等内容。
第1章  绪论                        第2章  APDL基础应用
第3章  实体建模                    第4章  划分网格
第5章  加载                        第6章  求解
第7章  后处理
第二部分：专题技术，即案例应用分析部分。第8～22章，主要从ANSYS所能求解的实际物理问题入手，给出其具体的计算案例。
第8章  结构静力分析                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  热分析
第14章  电磁场分析                    第15章  多物理场耦合分析
第16章  非线性静力分析                第17章  接触问题
第18章  “生死”单元                第19章  复合材料分析
第20章  机械零件分析                第21章  薄膜结构分析
第22章  参数化设计与优化设计
3．读者对象
       本书适合ANSYS初学者和期望提高矩阵运算及建模仿真工程应用能力的读者，具体包括如下。
? 相关工程技术从业人员            ? 初学ANSYS的技术人员
? 广大科研工作人员                  ? 相关培训机构的教师和学员
? 大中专院校教师和学生            ?  ANSYS爱好者
4．本书作者
        本书主要由曹渊编写，另外，参与本书编写的还有张明明、吴光中、魏鑫、石良臣、刘冰、林晓阳、唐家鹏、丁金滨、王菁、吴永福、张小勇、温正、李昕、刘成柱、乔建军、张迪妮、张岩、温光英、郭海霞、王芳、陈艳霞。虽然作者在编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处，请读者朋友及各位同行批评指正，我们将不甚感激。
5．读者服务
        为了方便解决本书疑难问题，读者在学习过程中如遇到与本书有关的技术问题，可以发邮件到邮箱[email protected]，或访问作者博客http://blog.sina.com.cn/caxbook，我们将尽快给予解答，竭诚为您服务。
        注：本书配套的工程案例文件，可在作者博客中下载，或到华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn），找到本书页面，即可下载，或与本书作者和编辑联系。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　编 者