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第1章 有限元分析及ANSYS Workbench简单应用1

1.1 引言1

1.2 工程问题的数学物理方程及数值算法1

1.2.1 工程问题复杂的需求及过程1

1.2.2 工程问题的数学物理方程2

1.2.3 控制微分方程的数值算法4

1.3 有限元分析技术的发展及应用5

1.4 有限元分析的基本原理及相关术语6

1.4.1 有限元分析的基本原理6

1.4.2 有限元分析的相关术语6

1.5 有限元分析的基本步骤8

1.6 有限元分析计算实例——直杆拉伸的轴向变形8

1.6.1 问题描述8

1.6.2 微分方程的解析解9

1.6.3 微分方程的有限元数值解9

1.6.4 ANSYS Workbench梁单元分析直杆拉伸的轴向变形11

1.6.5 验证结果及理解问题20

1.7 有限元分析计算实例——单轴直杆热传导20

1.7.1 问题描述20

1.7.2 微分方程的解析解21

1.7.3 微分方程的有限元数值解21

1.7.4 ANSYS Workbench热传导杆单元分析单轴直杆传热23

1.7.5 验证结果及理解问题27

1.8 有限元分析计算实例——单轴直杆稳态电流传导28

1.8.1 问题描述28

1.8.2 微分方程的解析解28

1.8.3 微分方程的有限元数值解29

1.8.4 ANSYS Workbench电实体单元分析单轴直杆的稳态电流传导30

1.8.5 验证结果及理解问题36

1.9 本章小结36

习题38

第2章 ANSYS Workbench平台39

2.1 ANSYS Workbench概述39

2.2 ANSYS Workbench数值模拟的一般过程39

2.3 ANSYS Workbench启动40

2.4 ANSYS Workbench的工作环境40

2.4.1 主菜单41

2.4.2 基本工具栏43

2.4.3 工具箱44

2.4.4 项目流程图46

2.4.5 参数设置47

2.4.6 定制分析流程48

2.5 ANSYS Workbench窗口管理功能49

2.6 ANSYS Workbench文件管理50

2.6.1 Workbench文件系统50

2.6.2 显示文件51

2.6.3 文件归档及复原52

2.7 ANSYS Workbench的单位系统52

2.8 ANSYS Workbench应用程序使用基础53

2.8.1 应用程序的工作界面53

2.8.2 应用程序的菜单功能55

2.8.3 应用程序的工具栏55

2.8.4 应用程序的图形显示控制及选择57

2.8.5 应用程序的导航结构及其明细58

2.8.6 应用程序中加载边界条件58

2.8.7 应用工程数据59

2.9 ANSYS Workbench热结构案例——多工况冷却棒热应力62

2.9.1 问题描述及分析62

2.9.2 数值模拟过程63

2.9.3 验证结果及理解问题72

2.10 ANSYS Workbench热电耦合案例——通电导线传热72

2.10.1 问题描述及分析73

2.10.2 数值模拟过程73

2.10.3 验证结果及理解问题79

2.11 本章小结79

第3章 ANSYS Workbench结构分析基础80

3.1 结构静力分析概述80

3.1.1 结构静力分析80

3.1.2 结构动态静力分析81

3.1.3 ANSYS Workbench中的结构静力分析方法81

3.2 应力分析及相关术语82

3.2.1 结构失效及计算准则82

3.2.2 应力分析83

3.2.3 应力及其分类83

3.2.4 应力集中85

3.2.5 接触应力85

3.2.6 温度应力85

3.2.7 应力状态85

3.2.8 位移86

3.2.9 应变86

3.2.10 线性应力-应变关系87

3.2.11 结构材料的机械性能87

3.2.12 强度理论与强度设计准则91

3.3 工程案例——应用梁单元进行机车轮轴的静强度分析93

3.3.1 问题描述及分析93

3.3.2 应用梁单元计算轮轴应力的数值模拟过程93

3.3.3 结果分析与解读102

3.4 工程案例——应用3D实体单元进行机车轮轴的应力分析102

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102

3.4.2 结果分析与应力评定解读110

3.4.3 处理应力奇异问题113

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115

3.5.1 理解应力集中处的应力115

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115

3.5.3 应力收敛性判定及结果分析119

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119

3.6.1 修改子模型计算局部应力120

3.6.2 使用疲劳工具计算轴肩过渡处的疲劳寿命121

3.7 本章小结123

习题123

第4章 ANSYS Workbench建立合理有限元分析模型124

4.1 建立合理的有限元分析模型概述124

4.2 结构分析建模求解策略125

4.2.1 结构的载荷分析125

4.2.2 结构理想化126

4.2.3 提取分析模型126

4.2.4 单元选择127

4.2.5 网格划分128

4.2.6 施加载荷与约束条件129

4.2.7 试算结果评估129

4.2.8 应力集中现象的处理129

4.3 ANSYS Workbench结构分析模型129

4.3.1 分析模型的体类型130

4.3.2 多体零件130

4.3.3 体属性131

4.3.4 几何工作表132

4.3.5 点质量132

4.3.6 厚度133

4.3.7 材料属性134

4.4 ANSYS Workbench结构分析的连接关系135

4.4.1 接触连接135

4.4.2 接触控制135

4.4.3 接触设置136

4.4.4 点焊连接139

4.4.5 接触工作表140

4.4.6 分析模型算例——点焊连接不锈钢板的非线性静力分析140

4.4.7 远端边界条件148

4.4.8 远端边界分析模型算例——千斤顶底座承载模拟150

4.4.9 关节连接157

4.4.10 弹簧连接162

4.4.11 梁连接163

4.4.12 端点释放164

4.4.13 轴承连接165

4.4.14 坐标系166

4.4.15 命名选择168

4.4.16 选择信息169

4.4.17 关节应用案例——曲轴连杆活塞装配体承压模拟170

4.5 螺栓联接模型的建模技术及算例174

4.5.1 问题描述及分析174

4.5.2 无螺栓、绑定接触进行螺栓联接组件分析175

4.5.3 螺栓为梁单元进行螺栓联接组件分析182

4.5.4 螺栓为实体单元（无螺纹）进行螺栓联接组件分析191

4.5.5 螺栓为实体单元（有螺纹）进行螺栓联接组件分析198

4.6 ANSYS Workbench结构网格划分201

4.6.1 网格划分概述201

4.6.2 网格划分工作界面202

4.6.3 网格划分过程203

4.6.4 整体网格控制203

4.6.5 局部网格控制206

4.6.6 检查网格质量215

4.6.7 虚拟拓扑218

4.6.8 预览和生成网格219

4.7 六面体网格划分案例——卡箍连接模型220

4.8 四面体网格划分案例——螺线管模型223

4.9 杆梁结构分析模型及算例226

4.9.1 杆梁结构计算模型及简化原则226

4.9.2 9m单梁吊车弯曲模型及截取边界补强模型的强度分析228

4.10 2D分析模型及算例237

4.10.1 2D分析模型简介237

4.10.2 2D平面应力模型分析齿轮齿条传动的约束反力矩238

4.11 3D分析模型及算例242

4.12 本章小结246

习题246

第5章 ANSYS Workbench在结构分析中的应用248

5.1 静强度分析248

5.1.1 静强度分析概述248

5.1.2 静强度设计方法248

5.1.3 压力容器开孔接管区静强度分析249

5.2 疲劳强度分析253

5.2.1 疲劳分析概述253

5.2.2 疲劳分析设计方法254

5.2.3 总寿命法疲劳强度设计254

5.2.4 ANSYS Workbench中的疲劳分析255

5.2.5 Ansys Workbench高周疲劳分析256

5.2.6 分析案例——矩形板边缘承受交变弯矩的疲劳分析260

5.2.7 非比例载荷的疲劳分析265

5.2.8 疲劳分析案例——正应力的非比例加载266

5.2.9 不稳定振幅的疲劳分析271

5.2.10 疲劳分析案例——连杆受压272

5.3 结构热变形及热应力分析280

5.3.1 传热基本方式280

5.3.2 稳态传热282

5.3.3 结构热变形及热应力分析的有限元方程282

5.3.4 覆铜板模型低温热应力分析283

5.3.5 泵壳传热及热应力分析287

5.4 本章小结293

习题293

参考文献295