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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