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简介
有限元法是求解工程与科学问题的一种非常有效的数值分析方法，而
ANSYS是一个优秀的有限元分析软件，在求解力、热、电、磁等科学问题以
及机械、动力、土木、船舶、汽车、航空、材料、电子等工程问题中都得
到了非常广泛的应用。
本书是作者多年来从事有限元法教学以及ANSYS软件培训工作的理论概
括、技术积累和经验总结。全书共5篇计20章，内容丰富，实用性强。第1
篇为有限元模型专题，第2篇为结构动力分析专题，第3篇为结构非线性有
限元分析专题，第4篇为船体结构有限元分析专题，第5篇为流固耦合振动
分析专题。附录中还总结了ANSYS相关的34个关键问题。
本书适合于使用ANSYS进行工程求解的工程技术人员及相关专业的师生
，也可作为ANSYS软件的教学和培训的教材。
目录
前言
绪论1
第1篇 有限元模型专题
第1章 有限元模型化问题4
1.1 网格与收敛4
1.2 完全积分、体积锁定、剪切锁定7
1.3 一致缩减积分与沙漏模式10
1.4 建模的一般原则11
第2章 网格误差估计与局部网格细化12
2.1 网格误差估计12
2.2 局部网格细化14
第2篇 结构动力分析专题
第3章 模态分析17
3.1 模态分析的一般描述17
3.2 模态分析步骤19
3.3 有预应力的模态分析20
3.4 计算实例：Tacoma吊桥模态分析21
第4章 谐响应分析25
4.1 谐响应分析的一般描述25
4.2 模态叠加法的基本原理26
4.3 谐响应分析步骤与计算实例28
4.4 有预应力的模态叠加法谐响应分析步骤33
4.5 计算实例：Tacoma吊桥风振破坏分析36
第5章 瞬态动力学分析40
5.1 瞬态动力学分析的一般描述40
5.2 瞬态分析积分时间步长选取准则42
5.3 初始条件43
5.4 完整法瞬态分析46
5.5 模态叠加法瞬态分析步骤与计算实例55
第3篇 结构非线性有限元分析专题
第6章 非线性分析的基本过程61
6.1 非线性问题的种类61
6.2 非线性求解Newton睷aphson法61
6.3 收敛性63
6.4 载荷步、子步、平衡迭代步、时间的意义66
6.5 非线性求解自动控制及非线性求解步骤67
6.6 非线性计算实例74
6.7 高级求解控制76
第7章 应力刚化与旋转软化82
7.1 应力刚化82
7.2 旋转软化86
第8章 几何非线性90
8.1 几何非线性的特征90
8.2 大应变与应力张量91
8.3 ANSYS程序中应变与应力的度量96
8.4 离散的非线性有限元形式与一致刚度矩阵97
8.5 大变形（大挠度、大转动、小应变）98
8.6 大应变、大变形分析实例99
第9章 屈曲分析105
9.1 屈曲分析的基本概念105
9.2 特征值屈曲分析与计算实例106
9.3 非线性屈曲分析、弧长法与计算实例110
9.4 后屈曲分析实例116
第10章 材料非线性120
10.1 弹塑性分析120
10.2 塑性选项及塑性材料特性的输入125
10.3 弹塑性有限元求解原理131
10.4 弹塑性分析步骤与计算实例133
10.5 超弹性材料137
10.6 超弹性分析步骤与计算实例147
第4篇 船体结构有限元分析专题
第11章 船体有限元分析概述151
第12章 板梁组合结构计算153
12.1 梁模型153
12.2 交叉梁系（板架）计算155
12.3 板梁组合结构计算示例157
第13章 舱段有限元分析161
13.1 《CCS散货船、油船直接计算指南》的有关规定162
13.2 《CCS集装箱船舱段直接计算指南》的有关规定164
13.3 《IACS散货船结构共同规范直接强度分析》的有关规定166
13.4 施加舷外水压力的方法169
13.5 计算剖面形心170
13.6 大开口船舶舱段计算示例171
第14章 全船有限元分析177
14.1 全船有限元分析的目的177
14.2 有限元计算模型177
14.3 首、尾端建模方法180
14.4 平衡调整180
14.5 计算实例181
第15章 局部结构强度分析184
15.1 实肋板上有开孔的应力分析示例184
15.2 数据文件及计算结果185
第16章 自由体结构的惯性释放计算187
16.1 惯性释放概述187
16.2 惯性释放计算实例188
16.3 惯性释放在船体结构计算中的应用191
第17章 有限元二次解析——子模型分析194
17.1 子模型分析步骤194
17.2 计算实例197
第5篇 流固耦合振动分析专题
第18章 耦合场分析概述203
18.1 耦合场分析的定义203
18.2 耦合场分析方法203
第19章 流固耦合振动理论模型206
19.1 流固耦合概述206
19.2 流固耦合方程206
第20章 流固耦合振动应用实例215
20.1 流固耦合问题分析步骤215
20.2 水下钢环自然频率计算实例220
附录Ⅰ 单位制226
附录Ⅱ ANSYS问题集锦229
参考文献262
绪论1
第1篇 有限元模型专题
第1章 有限元模型化问题4
1.1 网格与收敛4
1.2 完全积分、体积锁定、剪切锁定7
1.3 一致缩减积分与沙漏模式10
1.4 建模的一般原则11
第2章 网格误差估计与局部网格细化12
2.1 网格误差估计12
2.2 局部网格细化14
第2篇 结构动力分析专题
第3章 模态分析17
3.1 模态分析的一般描述17
3.2 模态分析步骤19
3.3 有预应力的模态分析20
3.4 计算实例：Tacoma吊桥模态分析21
第4章 谐响应分析25
4.1 谐响应分析的一般描述25
4.2 模态叠加法的基本原理26
4.3 谐响应分析步骤与计算实例28
4.4 有预应力的模态叠加法谐响应分析步骤33
4.5 计算实例：Tacoma吊桥风振破坏分析36
第5章 瞬态动力学分析40
5.1 瞬态动力学分析的一般描述40
5.2 瞬态分析积分时间步长选取准则42
5.3 初始条件43
5.4 完整法瞬态分析46
5.5 模态叠加法瞬态分析步骤与计算实例55
第3篇 结构非线性有限元分析专题
第6章 非线性分析的基本过程61
6.1 非线性问题的种类61
6.2 非线性求解Newton睷aphson法61
6.3 收敛性63
6.4 载荷步、子步、平衡迭代步、时间的意义66
6.5 非线性求解自动控制及非线性求解步骤67
6.6 非线性计算实例74
6.7 高级求解控制76
第7章 应力刚化与旋转软化82
7.1 应力刚化82
7.2 旋转软化86
第8章 几何非线性90
8.1 几何非线性的特征90
8.2 大应变与应力张量91
8.3 ANSYS程序中应变与应力的度量96
8.4 离散的非线性有限元形式与一致刚度矩阵97
8.5 大变形（大挠度、大转动、小应变）98
8.6 大应变、大变形分析实例99
第9章 屈曲分析105
9.1 屈曲分析的基本概念105
9.2 特征值屈曲分析与计算实例106
9.3 非线性屈曲分析、弧长法与计算实例110
9.4 后屈曲分析实例116
第10章 材料非线性120
10.1 弹塑性分析120
10.2 塑性选项及塑性材料特性的输入125
10.3 弹塑性有限元求解原理131
10.4 弹塑性分析步骤与计算实例133
10.5 超弹性材料137
10.6 超弹性分析步骤与计算实例147
第4篇 船体结构有限元分析专题
第11章 船体有限元分析概述151
第12章 板梁组合结构计算153
12.1 梁模型153
12.2 交叉梁系（板架）计算155
12.3 板梁组合结构计算示例157
第13章 舱段有限元分析161
13.1 《CCS散货船、油船直接计算指南》的有关规定162
13.2 《CCS集装箱船舱段直接计算指南》的有关规定164
13.3 《IACS散货船结构共同规范直接强度分析》的有关规定166
13.4 施加舷外水压力的方法169
13.5 计算剖面形心170
13.6 大开口船舶舱段计算示例171
第14章 全船有限元分析177
14.1 全船有限元分析的目的177
14.2 有限元计算模型177
14.3 首、尾端建模方法180
14.4 平衡调整180
14.5 计算实例181
第15章 局部结构强度分析184
15.1 实肋板上有开孔的应力分析示例184
15.2 数据文件及计算结果185
第16章 自由体结构的惯性释放计算187
16.1 惯性释放概述187
16.2 惯性释放计算实例188
16.3 惯性释放在船体结构计算中的应用191
第17章 有限元二次解析——子模型分析194
17.1 子模型分析步骤194
17.2 计算实例197
第5篇 流固耦合振动分析专题
第18章 耦合场分析概述203
18.1 耦合场分析的定义203
18.2 耦合场分析方法203
第19章 流固耦合振动理论模型206
19.1 流固耦合概述206
19.2 流固耦合方程206
第20章 流固耦合振动应用实例215
20.1 流固耦合问题分析步骤215
20.2 水下钢环自然频率计算实例220
附录Ⅰ 单位制226
附录Ⅱ ANSYS问题集锦229
参考文献262
ANSYS专题与技巧
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