ANSYS 14有限元分析自学手册

第1篇 操作基础篇
第1章 ANSYS概述 2
1.1 有限单元法简介 3
1.1.1 CAE软件简介 3
1.1.2 有限单元法的基本概念 5
1.2 ANSYS简介 6
1.2.1 ANSYS的发展 7
1.2.2 ANSYS的功能 7
1.3 ANSYS14的启用及界面 8
1.3.1 ANSYS14的启动 8
1.3.2 ANSYS14运行环境配置 9
1.3.3 ANSYS14的用户界面 9
1.4 程序结构 11
1.4.1 处理器 11
1.4.2 文件格式 12
1.4.3 输入方式 12
1.4.4 输出文件类型 12
1.5 ANSYS分析的基本过程 13
1.5.1 前处理 13
1.5.2 加载并求解 14
1.5.3 后处理 14
1.5.4 实例导航——齿轮泵齿轮静力分析实例 15
1.6 本章小结 16
第2章 几何建模 17
2.1 坐标系简介 18
2.1.1 总体和局部坐标系 18
2.1.2 显示坐标系 20
2.1.3 节点坐标系 21
2.1.4 单元坐标系 21
2.1.5 结果坐标系 22
2.1.6 坐标系创建实例 22
2.2 工作平面的使用和操作 25
2.2.1 定义一个新的工作平面 26
2.2.2 控制工作平面的显示和样式 26
2.2.3 移动工作平面 26
2.2.4 旋转工作平面 27
2.2.5 还原一个已定义的工作平面 27
2.2.6 工作平面的高级用途 27
2.2.7 工作平面创建实例 29
2.3 布尔操作 31
2.3.1 布尔运算操作 31
2.3.2 布尔运算的设置 32
2.3.3 布尔运算之后的图元编号 33
2.3.4 交运算 33
2.3.5 两两相交 34
2.3.6 相加 35
2.3.7 相减 35
2.3.8 利用工作平面作减运算 36
2.3.9 搭接 37
2.3.10 分割 37
2.3.11 粘接（或合并） 38
2.3.12 布尔操作实例 38
2.4 自底向上创建几何模型 41
2.4.1 关键点 42
2.4.2 硬点 45
2.4.3 线 47
2.4.4 面 49
2.4.5 体 50
2.4.6 自底向上建模实例 52
2.5 自顶向下创建几何模型（体素） 61
2.5.1 创建面体素 61
2.5.2 创建实体体素 62
2.5.3 自顶向下建模实例 63
2.6 移动、复制和缩放几何模型 71
2.6.1 移动和复制 71
2.6.2 拖拉和旋转 72
2.6.3 按照样本生成图元 73
2.6.4 由对称映像生成图元 73
2.6.5 将样本图元转换坐标系 73
2.6.6 实体模型图元的缩放 74
2.6.7 修改模型（清除和删除） 75
2.7 几何模型导入到ANSYS 75
2.7.1 输入IGES单一实体 76
2.7.2 输入SAT单一实体 78
2.7.3 输入SAT实体集合 79
2.7.4 输入Parasolid单一实体 82
2.8 实例导航——齿轮泵齿轮的建模 83
2.9 本章小结 97
第3章 划分网格 98
3.1 有限元网格概论 99
3.2 设定单元属性 99
3.2.1 生成单元属性表 100
3.2.2 在划分网格之前分配单元属性 100
3.2.3 设定单元属性实例 102
3.3 网格划分的控制 106
3.3.1 ANSYS网格划分工具（MeshTool） 107
3.3.2 映射网格划分中单元的默认尺寸 109
3.3.3 局部网格划分控制 110
3.3.4 内部网格划分控制 110
3.3.5 生成过渡棱锥单元 112
3.3.6 将退化的四面体单元转化为非退化的形式 113
3.3.7 执行层网格划分 113
3.3.8 网格划分控制实例 114
3.4 自由网格划分和映射网格划分控制 116
3.4.1 自由网格划分 116
3.4.2 映射网格划分 117
3.5 给实体模型划分有限元网格 122
3.5.1 用xMESH命令生成网格 122
3.5.2 生成带方向节点的梁单元网格 123
3.5.3 在分界线或者分界面处生成单位厚度的界面单元 124
3.6 延伸和扫略生成有限元模型 125
3.6.1 延伸（Extrude）生成网格 125
3.6.2 扫略（VSWEEP）生成网格 127
3.7 修正有限元模型 129
3.7.1 局部细化网格 130
3.7.2 移动和复制节点和单元 132
3.7.3 控制面、线和单元的法向 133
3.7.4 修改单元属性 134
3.8 编号控制 134
3.8.1 合并重复项 135
3.8.2 编号压缩 136
3.8.3 设定起始编号 136
3.8.4 编号偏差 137
3.9 实例导航——齿轮泵齿轮模型网格划分 137
3.10 本章小结 142
第4章 施加载荷 143
4.1 载荷概论 144
4.1.1 什么是载荷 144
4.1.2 载荷步、子步和平衡迭代 145
4.1.3 时间参数 146
4.1.4 阶跃载荷与坡道载荷 147
4.2 施加载荷 147
4.2.1 实体模型载荷与有限单元载荷 148
4.2.2 施加载荷 148
4.2.3 利用表格来施加载荷 154
4.2.4 轴对称载荷与反作用力 156
4.2.5 利用函数来施加载荷和边界条件 157
4.3 设定载荷步选项 159
4.3.1 通用选项 159
4.3.2 非线性选项 162
4.3.3 动力学分析选项 162
4.3.4 输出控制 163
4.3.5 Biot—Savart选项 164
4.3.6 谱分析选项 165
4.3.7 创建多载荷步文件 165
4.4 实例导航——齿轮泵齿轮模型载荷施加 166
4.5 本章小结 169
第5章 求解 170
5.1 求解概论 171
5.1.1 使用直接求解法 172
5.1.2 使用稀疏矩阵直接解法求解器 172
5.1.3 使用雅克比共轭梯度法求解器 172
5.1.4 使用不完全分解共轭梯度法求解器 173
5.1.5 使用预条件共轭梯度法求解器 173
5.1.6 使用自动迭代解法选项 174
5.1.7 获得解答 175
5.2 利用特定的求解控制器来指定求解类型 175
5.2.1 使用AbridgedSolution菜单选项 176
5.2.2 使用求解控制对话框 176
5.3 多载荷步求解 178
5.3.1 多重求解法 178
5.3.2 使用载荷步文件法 178
5.3.3 使用数组参数法（矩阵参数法） 179
5.4 重新启动分析 180
5.4.1 重新启动一个分析 181
5.4.2 多载荷步文件的重启动分析 184
5.5 预测求解时间和估计文件大小 186
5.5.1 估计运算时间 186
5.5.2 估计文件的大小 187
5.5.3 估计内存需求 187
5.6 实例导航——齿轮泵齿轮模型求解 187
5.7 本章小结 188
第6章 后处理 189
6.1 后处理概述 190
6.1.1 后处理 190
6.1.2 结果文件 191
6.1.3 后处理可用的数据类型 191
6.2 通用后处理器（POST1） 191
6.2.1 将数据结果读入数据库 192
6.2.2 列表显示结果 198
6.2.3 图像显示结果 205
6.2.4 映射结果到某一路径上 211
6.2.5 表面操作 217
6.2.6 将结果旋转到不同坐标系中显示 220
6.3 时间历程后处理（POST26） 221
6.3.1 定义和储存POST26变量 222
6.3.2 检查变量 224
6.3.3 POST26后处理器的其他功能 226
6.4 实例导航——齿轮泵齿轮模型结果后处理 227
6.5 本章小结 234
第2篇 专题实例篇
第7章 静力学分析 238
7.1 静力分析介绍 239
7.1.1 结构静力分析简介 239
7.1.2 静力分析的类型 240
7.1.3 静力分析基本步骤 240
7.2 实例导航——联轴体的静力分析实例 241
7.2.1 问题描述 241
7.2.2 建立模型 242
7.2.3 定义边界条件并求解 246
7.2.4 查看结果 249
7.2.5 命令流实现 254
7.3 实例导航——钢桁架桥静力受力分析 259
7.3.1 问题描述 260
7.3.2 建立模型 260
7.3.3 定义边界条件并求解 268
7.3.4 查看结果 269
7.3.5 命令流实现 273
7.4 本章小结 276
第8章 模态分析 277
8.1 模态分析概论 278
8.2 模态分析的基本步骤 278
8.2.1 建立模型 278
8.2.2 加载及求解 279
8.2.3 扩展模态 282
8.2.4 观察结果和后处理 283
8.3 实例导航——结构模态分析实例 284
8.3.1 分析问题 285
8.3.2 建立模型 285
8.3.3 进行模态设置、定义边界条件并求解 292
8.3.4 查看结果 296
8.3.5 命令流实现 300
8.4 实例导航——钢桁架桥模态分析 310
8.4.1 问题描述 310
8.4.2 模态分析操作方法 310
8.4.3 命令流实现 316
8.5 本章小结 319
第9章 谐响应分析 320
9.1 谐响应分析概论 321
9.1.1 完全法（FullMethod） 322
9.1.2 减缩方法（ReducedMethod） 322
9.1.3 模态叠加法（ModeSuperpositionMethod） 322
9.1.4几种方法的共同局限性 323
9.2 谐响应分析的基本步骤 323
9.2.1 建立模型（前处理） 323
9.2.2 加载和求解 324
9.2.3 观察模型（后处理） 329
9.3 实例导航——弹簧质子系统的谐响应分析 331
9.3.1 问题描述 331
9.3.2 建立模型 332
9.3.3 分析模型 336
9.3.4 观察结果 339
9.3.5 命令流方式 342
9.4 实例导航——吉他的谐响应分析 343
9.4.1 分析问题 343
9.4.2 建立模型 344
9.4.3 定义边界条件并求解 349
9.4.4 查看结果 356
9.4.5 命令流方式 359
9.5 本章小结 360
第10章 非线性分析 361
10.1 非线性分析概论 362
10.1.1 非线性行为的原因 362
10.1.2 非线性分析的基本信息 363
10.1.3 几何非线性 365
10.1.4 材料非线性 366
10.1.5 其他非线性问题 370
10.2 非线性分析的基本步骤 370
10.2.1 前处理（建模和分网） 371
10.2.2 设置求解控制器 371
10.2.3 设定其他求解选项 373
10.2.4 加载 374
10.2.5 求解 375
10.2.6 后处理 375
10.3 实例导航——螺栓的蠕变分析 376
10.3.1 问题描述 376
10.3.2 建立模型 377
10.3.3 设置分析并求解 380
10.3.4 查看结果 383
10.3.5 命令流实现 385
10.4 实例导航——材料非线性分析实例 386
10.4.1 分析问题 386
10.4.2 建立模型 387
10.4.3 定义边界条件并求解 391
10.4.4 查看结果 393
10.4.5 命令流实现 397
10.5 本章小结 400
第11章 结构屈曲分析 401
11.1 结构屈曲概论 402
11.2 结构屈曲分析的基本步骤 402
11.2.1 前处理 402
11.2.2 获得静力解 403
11.2.3 获得特征值屈曲解 403
11.2.4 扩展解 405
11.2.5 后处理（观察结果） 406
11.3 实例导航——桁架结构屈曲分析 406
11.3.1 问题描述 407
11.3.2 建立模型 407
11.3.3 求解 412
11.3.4 查看结果 416
11.3.5 命令流实现 421
11.4 本章小结 425
第12章 谱分析 426
12.1 谱分析概论 427
12.1.1 响应谱 427
12.1.2 动力设计分析方法（DDAM） 427
12.1.3 功率谱密度（PSD） 427
12.2 谱分析的基本步骤 428
12.2.1 前处理 428
12.2.2 模态分析 428
12.2.3 谱分析 429
12.2.4 扩展模态 431
12.2.5 合并模态 432
12.2.6 后处理 434
12.3 实例导航——支撑平板的动力效果分析 435
12.3.1 问题描述 435
12.3.2 建立模型 436
12.3.3 进行分析 444
12.3.4 后处理 455
12.3.5 命令流实现 458
12.4 本章小结 460
第13章 瞬态动力学分析 461
13.1 瞬态动力学概论 462
13.1.1 完全法（FullMethod） 462
13.1.2 模态叠加法（ModeSuperpositionMethod） 463
13.1.3 减缩法（ReducedMethod） 463
13.2 瞬态动力学的基本步骤 463
13.2.1 前处理（建模和分网） 464
13.2.2 建立初始条件 464
13.2.3 设定求解控制器 465
13.2.4 设定其他求解选项 467
13.2.5 施加载荷 467
13.2.6 设定多载荷步 468
13.2.7 瞬态求解 469
13.2.8 后处理 469
13.3 实例导航——瞬态动力学分析实例 471
13.3.1 分析问题 471
13.3.2 建立模型 472
13.3.3 进行瞬态动力分析设置、定义边界条件并求解 476
13.3.4 查看结果 481
13.3.5 命令流实现 483
13.4 本章小结 485
第14章 接触问题分析 486
14.1 接触问题概论 487
14.1.1 一般分类 487
14.1.2 接触单元 487
14.2 接触分析的步骤 488
14.2.1 建立模型，并划分网格 489
14.2.2 识别接触对 489
14.2.3 定义刚性目标面 490
14.2.4 定义柔性体的接触面 491
14.2.5 设置实常数和单元关键点 493
14.2.6 控制刚性目标的运动 493
14.2.7 给变形体单元施加必要的边界条件 494
14.2.8 定义求解和载荷步选项 494
14.2.9 求解 495
14.2.10 检查结果 495
14.3 实例导航——陶瓷套管的接触分析 496
14.3.1 问题描述 496
14.3.2 建立模型并划分网格 497
14.3.3 定义边界条件并求解 503
14.3.4 后处理 508
14.3.5 命令流实现 512
14.4 本章小结 518
第15章 优化设计 519
15.1 优化设计概论 520
15.2 优化设计的基本步骤 522
15.2.1 生成分析文件 522
15.2.2 建立优化过程中的参数 525
15.2.3 进入OPT处理器，指定分析文件 526
15.2.4 指定优化变量 526
15.2.5 选择优化工具或优化方法 526
15.2.6 指定优化循环控制方式 527
15.2.7 进行优化分析 528
15.2.8 查看设计序列结果 529
15.3 实例导航——框架结构的优化设计 530
15.3.1 问题描述 530
15.3.2 建立模型 531
15.3.3 求解 534
15.3.4 优化设计 536
15.3.5 查看优化结果 541
15.3.6 命令流实现 545
15.4 本章小结 550