內容簡介
《ANSYS工程分析進階實例(修訂版)》從基礎、實用技術和工程分析三個層次講述大型有限元軟件ANSYS的使用,其工程背景深厚、內容豐富、講解詳盡,內容安排由淺入深,適用於不同的讀者群。《ANSYS工程分析進階實例(修訂版)》分為3篇,分彆為教學範例篇、專題技術實例篇和工程實例篇。教學範例篇對使用命令流進行有限元分析的過程進行係統的介紹,包括基本的APDL語法介紹、前處理、加載求解和後處理的常用命令及其實例。
專題技術實例篇是根據讀者在使用ANSYS過程中容易遇到的問題以及常用分析技術而精選齣來的一係列專題,涵蓋ANSYS分析的各個方麵。工程實例篇根據ANSYS在實際工程中的應用領域,分為土木工程、機械工程和電子工程三個部分,每個部分選取典型的應用實例,同時在第6章中給齣最新的ANSYS Workbench的一個應用實例,以便讀者瞭解ANSYS強大的協同仿真技術。
讀者在閱讀時,可以到中國水利水電齣版社網站和萬水書苑(http://www.waterpub.com.cn/softdown/和http://www.wsbookshow.com)下載《ANSYS工程分析進階實例(修訂版)》配套的命令流文件,方便讀者上機練習,以便盡快掌握工程實際問題的分析過程和步驟,提高學習效率。
《ANSYS工程分析進階實例(修訂版)》特彆適用於土木、機械、力學及電子工程專業的高年級本科生、研究生和工程技術人員,並可作為學習掌握ANSYS軟件的參考教材。《ANSYS工程分析進階實例(修訂版)》特彆適閤希望在CAE行業中提升職業競爭力的讀者。
內頁插圖
目錄
前言
第一篇 教學範例篇
第1章 APDL參數化語言簡述
1.1 APDL概述
1.1.1 APDL簡介
1.1.2 如何生成APDL文件
1.1.3 使用APDL進行有限元分析的實例
1.2 參數與變量參數的用法
1.2.1 參數與變量參數的命名規則
1.2.2 參數與變量參數的定義與賦值
1.3 數組參數的用法
1.3.1 數組參數概述及類型
1.3.2 數組參數的定義與賦值
1.3.3 數組參數的顯示
1.3.4 數據文件的寫齣與讀入
1.4 錶參數的用法
1.5 流程控製
1.5.1 循環結構
1.5.2 分支結構
1.6 宏文件
1.6.1 宏的創建
1.6.2 宏的使用
1.6.3 宏的局部變量
1.6.4 宏嵌套
第2章 使用ANSYS命令流進行有限元分析
2.1 坐標係統基本應用技巧
2.1.1 總體坐標係
2.1.2 局部坐標係
2.1.3 工作平麵
2.1.4 綜閤教學實例
2.2 直接法生成有限元模型
2.2.1 節點的生成
2.2.2 單元的生成
2.2.3 編號控製
2.2.4 綜閤教學實例
2.3 實體建模
2.3.1 概述
2.3.2 群組命令
2.3.3 實體模型的生成
2.3.4 布爾運算
2.3.5 綜閤教學實例
2.4 網格生成
2.4.1 定義單元屬性
2.4.2 網格劃分控製
2.4.3 網格的生成
2.4.4 綜閤教學實例
2.5 載荷施加與求解
2.5.1 載荷的種類
2.5.2 載荷的施加
2.5.3 載荷步的設置
2.5.4 求解
2.6 後處理
2.6.1 常用通用後處理和時間後處理技術
2.6.2 綜閤教學實例
第二篇 專題技術實例篇
第3章 熱門高級分析技巧選講
3.1 量綱問題
3.1.1 量綱問題概述
3.1.2 量綱換算方法
3.1.3 量綱選用原則
3.2 坐標係使用總結
3.2.1 坐標係分類
3.2.2 總體坐標係與局部坐標係
3.2.3 顯示坐標係
3.2.4 節點坐標係
3.2.5 單元坐標係
3.2.6 結果坐標係
3.2.7 工作平麵
3.3 初應力場的獲得和施加
3.3.1 初應力載荷概述
3.3.2 初應力文件格式
3.3.3 應用實例
3.4 函數邊界條件加載
3.4.1 復雜邊界條件施加方法概述
3.4.2 函數邊界條件的加載的基本過程
3.4.3 使用函數編輯器的一些基本概念
3.4.4 應用實例
3.5 移動載荷的施加
3.5.1 移動載荷概述
3.5.2 移動載荷應用實例
3.6 復雜麵載荷的施加
3.6.1 基本思路
3.6.2 應用實例
3.7 查看某一截麵結果
3.7.1 查看截麵結果的方法
3.7.2 應用實例
3.8 杆梁殼單元內力的輸齣
3.8.1 定義輸齣選項
3.8.2 定義單元錶
3.8.3 繪製內力圖
3.8.4 應用實例
3.8.5 注意事項
3.9 載荷工況組閤
3.9.1 載荷工況組閤方法
3.9.2 保存組閤載荷工況
3.9.3 應用實例
3.10 使用查詢函數
3.10.1 查詢函數概述
3.10.2 對象信息查詢函數
3.10.3 係統信息查詢函數/INOUIRE
3.10.4 應用實例
第4章 常用高級分析功能
4.1 預應力問題
4.1.1 預應力問題綜述
4.1.2 應用實例
4.2 梁分析和自定義橫截麵形狀
4.2.1 梁的綜述
4.2.2 梁單元的定義及劃分
4.2.3 載荷的施加
4.2.4 後處理
4.2.5 橫截麵形狀綜述
4.2.6 自定義截麵
4.2.7 BEAMl88和BEAMl89單元
4.2.8 應用實例
4.3 耦閤及約束方程
4.3.1 耦閤
4.3.2 約束方程
4.3.3 應用實例
4.4 動力學分析中的阻尼問題
4.4.1 阻尼問題概述
4.4.2 節點坐標係和總體坐標係
4.4.3 阻尼的種類
4.4.4 ANSYS中的阻尼
4.4.5 應用分類
4.4.6 應用舉例
4.5 屈麯分析
4.5.1 屈麯概述
4.5.2 特徵值(綫性)屈麯分析
4.5.3 非綫性屈麯分析
4.5.4 應用實例
4.6 結構可靠性分析
4.6.1 結構可靠性分析相關概念
4.6.2 可靠性分析過程與步驟
4.6.3 可靠性分析總體建議
4.6.4 可靠性分析實例
第三篇 工程實例篇
第5章 土木工程應用實例
5.1 鋼筋混凝土懸索橋有限元分析
5.1.1 問題描述
5.1.2 力學及有限元模型
5.1.3 初始位置的確定
5.1.4 模態分析
5.1.5 移動載荷分析
5.2 門式剛架輕鋼結構有限元分析
5.2.1 問題描述
5.2.2 力學及有限元模型
5.2.3 模型建立
5.2.4 靜力分析
5.2.5 模態分析
5.2.6 地震時程分析
5.3 高層與高聳結構抗風抗震分析
5.3.1 問題描述
5.3.2 力學及有限元模型
5.3.3 模態分析
5.3.4 風載荷分析
5.3.5 地震分析
5.4 大型渡槽結構地震響應分析
5.4.1 問題描述
5.4.2 力學及有限元模型
5.4.3 模態分析
5.4.4 地震響應分析
5.5 雙連拱隧道開挖有限元模擬
5.5.1 問題描述
5.5.2 力學及有限元模型
5.5.3 模型建立
5.5.4 加載及求解
5.5.5 結果分析
第6章 機械工程應用實例
6.1 龍門起重機結構有限元分析
6.1.1 問題描述
6.1.2 力學及其有限元模型
6.1.3 模型建立
6.1.4 自重分析
6.1.5 同時考慮重力和移動載荷
6.1.6 模態分析
6.2 大型迴轉窯有限元分析
6.2.1 問題描述
6.2.2 有限元建模
6.2.3 加載求解
6.2.4 結果分析
6.3 法蘭結構螺栓裝配分析
6.3.1 Workbench概述
6.3.2 模型調入
6.3.3 加載求解
6.3.4 結果後處理
6.3.5 FEModeler模塊中的有用信息
6.4 錐形夾頭的過盈裝配及摩擦分析
6.4.1 問題描述
6.4.2 力學及有限元模型
6.4.3 模型建立
6.4.4 加載及求解
6.4.5 結果分析
6.5 壓力容器有限元模擬
6.5.1 問題描述
6.5.2 力學及有限元模型
6.5.3 模型建立
6.5.4 加載及求解
6.5.5 結果分析
第7章 電子工程應用實例
7.1 電子封裝QFP結構有限元分析
7.1.1 問題描述
7.1.2 力學及有限元模型
7.1.3 模型建立
7.1.4 加載及求解
7.1.5 結果分析
7.2 CBGA封裝有限元分析
7.2.1 問題描述
7.2.2 力學及有限元模型
7.2.3 模型建立
7.2.4 加載及求解
7.2.5 結果分析
7.3 電磁振動颱磁場特性分析
7.3.1 問題描述
7.3.2 力學及有限元模型
7.3.3 模型建立
7.3.4 加載及求解
7.3.5 結果分析
附錄A 常用APDL命令
附錄B 常用結構分析命令查詢
B.1 數據庫(DATABASE)命令
B.2 參數化設計語言命令
B.3 前處理(PREP7)命令
B.4 求解(SOLUTION)命令
B.5 通用後處理
參考文獻
精彩書摘
2.結構的非綫性屈麯分析
由於綫性屈麯分析的小位移假定可能與實際結構的變形情況有較大齣入,綫性屈麯分析得到的臨界載荷值將大大高於結構的實際臨界載荷值。隨著計算機技術和有限元方法的發展,非綫性屈麯分析已成為結構穩定性分析的重點。
非綫性屈麯分析是在大變形影響開關打開的情況下所作的一種靜力分析,該方法用一種逐漸增加載荷的非綫性靜力分析技術來求解使得結構開始變得不穩定的臨界載荷。此種分析較為精確,可用於實際工程中。
目前,對於極值點失穩型的結構,非綫性穩定分析技術基本解決。通常可以使用由Crisfields提齣的柱麵弧長法對結構的載荷位移麯綫進行全過程跟蹤。ANSYS程序可以實現此功能。但是對於分支點失穩型的結構,必須在基本平衡徑上找到分支點,實現由不穩定的基本平衡路徑到穩定的支平衡路徑的轉換。雖然理論上已提齣載荷擾動法和位移擾動法來實現平衡路徑的轉化,但具體操作方法尚不完善。ANSYS軟件不具備這項功能,因ANSYS對於分支點失穩型的結構是無能為力的,無法判彆結構的分支點及實現分支平衡徑的轉換,隻能繼續跟蹤已經不穩定的基本平衡路徑,得一個極值點臨界載荷。
前言/序言
ANSYS是最為通用和有效的商用有限元軟件之一,它不斷吸收當今世界最新的計算方法和計算機技術,引領著有限元界的發展趨勢,並為全球工業界廣泛接受,擁有全球最大的用戶群。它融結構、傳熱學、流體、電磁、聲學和爆破分析於一體,具有極為強大的前後處理及計算分析能力,能夠同時模擬結構、熱、流體、電磁以及多種物理場間的耦閤效應。自落戶中國以來,ANSYS以其強大的功能、可靠的質量贏得瞭中國CAE用戶的認可,並在我國的航空航天、鐵路運輸業、石油化工、機械製造、能源、汽車、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利等領域得到瞭廣泛的應用,為各領域的科學研究和工程應用做齣瞭巨大的貢獻。
命令流是ANSYS軟件的一大特色,其功能十分強大,使用十分方便。它是一種類似於FORTRAN的解釋性語言,它與GUI(圖形界麵)一樣,能夠完成所有的分析過程。命令流也是ANSYS參數化有限元分析、分析批處理、優化設計、自適應網格以及二次開發的主要基礎。ANSYS用戶掌握命令流方式後,能夠極大地豐富分析手段、提高工作效率。無論是從GUI(菜單操作)還是命令流開始學習ANSYS,熟練掌握命令流操作始終都是學好ANSYS軟件所必需的。
《ANSYS工程分析精通指南:從入門到實踐》 內容簡介 在現代工程設計與仿真領域,ANSYS已成為不可或缺的強大工具。然而,僅僅掌握基礎操作遠不足以應對復雜多變的工程挑戰。本書旨在帶領讀者深入ANSYS的世界,從理解其核心原理齣發,逐步解鎖高級功能,並通過一係列貼閤實際的工程案例,夯實理論基礎,提升實戰能力,最終實現對工程問題的精準分析與優化。 本書內容涵蓋瞭ANSYS Workbench平颱的強大功能,重點關注其在結構力學、流體力學、電磁學以及多物理場耦閤分析等領域的應用。我們摒棄瞭零散的知識點堆砌,而是以係統性的方法,引導讀者構建完整的仿真流程,從前處理、求解器設置,到後處理結果解讀,每一個環節都力求做到詳盡透徹。 第一部分:ANSYS Workbench平颱精解與基礎鞏固 在進入具體的工程案例之前,本部分將全麵梳理ANSYS Workbench的工作流程和核心組件。我們將深入探討: Workbench項目管理與工作流程: 詳細介紹Workbench項目頁麵的布局、組件係統的連接邏輯、參數化設計思想以及項目數據的管理方法。理解項目管理不僅能提高仿真效率,更能為復雜仿真任務的組織和復用奠定基礎。 幾何建模與導入: 講解ANSYS DesignModeler和SpaceClaim在幾何創建、編輯、修補和簡化方麵的技巧。重點關注如何處理導入的CAD模型,解決網格生成中的常見幾何問題,以及如何通過幾何簡化來優化計算效率。 材料屬性的定義與管理: 深入分析ANSYS中材料庫的結構,講解如何導入自定義材料,如何定義各嚮同性、正交異性、各嚮異性材料,以及如何為材料賦予非綫性、溫度相關等復雜屬性。 網格劃分策略與質量控製: 這是影響仿真結果準確性的關鍵環節。我們將詳細介紹ANSYS Meshing中的各種網格生成器(如Sweep, Multizone, Inflation等),不同單元類型的選擇(如四麵體、六麵體、殼單元、梁單元等)及其適用場景。重點講解網格尺寸、精細度、質量指標(如雅可比矩陣、長寬比、扭麯度等)的控製方法,以及如何進行網格自適應細化和局部網格控製。 求解器設置與分析類型: 詳細闡述Static Structural(靜態結構)、Transient Structural(瞬態結構)、Modal(模態)、Harmonic Response(諧響應)、Buckling(屈麯)等結構力學分析的求解器設置。同樣,對於CFX/Fluent等流體分析,我們將介紹層流、湍流模型、邊界條件設置、求解器選項等。 第二部分:結構力學高級分析實戰 本部分將聚焦於ANSYS在結構力學領域的各類高級分析技術,並通過具體工程案例來加深理解: 非綫性結構分析: 講解材料非綫性(塑性、彈塑性、超彈性)、接觸非綫性(大變形、摩擦、粘附)和載荷非綫性(隨載荷變化的非綫性)的仿真方法。案例將涵蓋高強度螺栓連接的預緊力分析、橡膠部件的應力應變分析、薄壁結構的大變形問題等。 動力學分析: 深入探討瞬態動力學分析(衝擊、碰撞、振動加載),模態分析(固有頻率與振型),諧響應分析(穩態隨機振動與受迫振動)以及隨機振動分析。案例包括汽車零部件的衝擊響應模擬、飛行器結構的振動模態分析、橋梁結構的受力分析等。 斷裂力學分析: 介紹使用ANSYS進行斷裂韌性評估的方法,包括裂紋擴展分析、J積分計算、應力強度因子計算等。案例將涉及金屬疲勞壽命預測、焊接結構裂紋擴展模擬等。 疲勞分析: 講解基於應力-應變壽命法和S-N麯綫的疲勞壽命預測。重點闡述如何將多軸應力/應變狀態轉化為等效應力,以及如何考慮預應力、載荷譜等因素。案例包括機械零件的疲勞壽命評估、焊接接頭的疲勞分析。 屈麯分析: 演示如何進行綫性屈麯分析和非綫性屈麯分析,以預測結構的失穩臨界載荷。案例將應用於薄殼結構、支撐梁、框架結構的穩定性分析。 第三部分:流體力學分析進階應用 本部分將帶領讀者深入ANSYS Fluent/CFX等流體仿真平颱,掌握復雜的流體流動模擬技術: 湍流模型詳解與選擇: 深入解析RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模型族,包括Spalart-Allmaras、k-epsilon、k-omega等模型的原理、適用範圍和選擇依據。講解LES(Large Eddy Simulation)和DNS(Direct Numerical Simulation)的原理及其在高精度仿真中的應用。 多相流分析: 介紹Eulerian-Eulerian、Eulerian-Lagrangian等模型在模擬液-液、氣-液、氣-固等兩相流和多相流中的應用。案例包括油水分離器內的流場模擬、顆粒在流體中的輸運分析。 燃燒與傳熱耦閤分析: 講解如何設置燃燒模型(如Eddy Dissipation Model, Finite Rate Chemistry等)以及如何耦閤輻射模型。重點關注對流、傳導、輻射等多種傳熱機製的模擬。案例將涉及燃燒室內的火焰傳播、換熱器的熱負荷分析。 鏇轉機械流體動力學(RMD): 演示如何對風機、水泵、渦輪等鏇轉機械進行流體仿真,包括定常和非定常分析。講解動網格技術在處理鏇轉部件中的應用。 CFD優化與參數化: 結閤ANSYS DesignXplorer,展示如何對流體流動進行參數化研究和形狀優化,以達到減阻、增效等設計目標。 第四部分:電磁場分析與多物理場耦閤 本部分將拓展ANSYS在電磁場分析領域的應用,並重點講解多物理場耦閤的強大能力: 低頻電磁場分析: 講解ANSYS Maxwell在永磁體、電機、變壓器、電感器等方麵的應用。包括磁場強度、磁通密度、感應電動勢、損耗等計算。 高頻電磁場分析: 介紹ANSYS HFSS在天綫、射頻器件、PCB闆等領域的應用。講解S參數、阻抗匹配、場分布、輻射效率等計算。 熱-結構耦閤分析: 詳細講解如何將ANSYS Maxwell/HFSS計算得到的電磁損耗或溫度場傳遞給ANSYS Mechanical進行結構熱應力分析。案例包括LED燈具的散熱分析、高功率電子器件的熱管理。 流-熱耦閤分析: 講解如何將ANSYS Fluent/CFX計算得到的流體速度、壓力、溫度場傳遞給ANSYS Mechanical進行熱應力分析,或將ANSYS Mechanical的溫度場傳遞給CFX/Fluent進行更精確的流體溫度計算。案例包括發動機冷卻係統的仿真、電子設備內部的流體散熱。 流-固耦閤(FSI)分析: 演示如何模擬流體對固體結構産生的載荷及其引起結構的變形,同時結構的變形又反過來影響流場。案例包括橋梁的風緻振動分析、瓣膜的血流動力學仿真。 第五部分:高級仿真技巧與最佳實踐 在掌握瞭各個領域的進階分析方法後,本部分將提煉齣一些通用的高級仿真技巧和最佳實踐,幫助讀者建立更高效、更可靠的仿真工作流程: 參數化建模與仿真: 結閤ANSYS Workbench的參數化功能和APDL(Ansys Parametric Design Language),實現設計參數的自動掃描和優化。 高級結果後處理與可視化: 掌握各種高級的後處理工具,如用戶定義結果(UDF)、派生數據集、圖錶生成、動畫製作等,以更直觀、更深入地理解仿真結果。 仿真模型的驗證與不確定性分析: 強調仿真結果與實驗數據的對比驗證的重要性,並介紹一些基礎的不確定性分析方法。 性能優化與計算效率提升: 分享加速求解、減少內存占用、優化網格設置等方麵的實用技巧。 常見問題解答與故障排除: 總結ANSYS使用過程中可能遇到的典型問題,並提供相應的解決方法。 本書的編寫力求深入淺齣,理論與實踐並重。每個章節都配有詳細的步驟說明和圖示,方便讀者跟隨操作。通過本書的學習,讀者將能夠獨立完成復雜工程問題的ANSYS仿真分析,並具備將仿真結果應用於指導工程設計與優化的能力。無論您是初涉ANSYS的工程師,還是希望深化技能的資深用戶,本書都將是您提升工程仿真能力的理想參考。