ANSYS Workbench结构有限元分析详解

随着有限元软件的快速发展，其应用领域也从单一的结构计算向流体、电磁、热学等各个领域不断拓展，逐渐演变成求解各类耦合场的大型应用软件，同时有限单元法也被各大高等院校列为基本的授课科目，从发展趋势可以看出有限元软件将是未来工程设计、验算必不可少的应用工具。

笔者从2011年第1次捧起有限单元法的书籍到2020执笔开始这本书的创作，期间历经近10年光阴，在这近10年的学习和使用有限元法解决结构力学问题的过程中逐渐积累了一些失败的教训和成功的经验，深知读者在学习过程中所遭遇的困惑，所以在书籍的编排上力争通过简扼的语言和简明的理论公式使读者不仅掌握软件的操作过程，并能从根本上理解软件的操作依据。

本书主要内容

本书共13章。

第1章介绍固体力学与数学基础知识，讲述学习有限单元法前必须掌握的高等数学和线性代数的基本运算过程，便于读者在后面的章节中理解各类公式和算法的推导过程。

第2章介绍数学软件MATLAB的应用，使读者通过MATLAB软件可快速求解线性方程组、导数及积分运算。

第3章介绍有限单元法的基本理论，文中分别采用直接法及最小势能原理讨论杆单元的刚度矩阵及静力学平衡方程的推导，并介绍工程中常见的非线性问题及其求解方法。

第4章介绍ANSYS Workbench平台中各类建模软件及Mechanical软件的使用方法，重点介绍Mesh模块的网格划分功能及工程中常用的边界条件。

第5章介绍线性静力学，通过一个简单的L形梁分别介绍了其理论解的求解过程、ANSYS的求解设置及子模型、收敛工具和工况组合的应用方法，加深读者对线性静力学的理解与应用。

第6章介绍概念建模、分析及后处理过程，本章主要以杆梁单元为引导，详细阐述如何在ANSYS Workbench软件中分析杆梁结构，尤其是自定义梁截面的使用方法，并通过案例阐述如何正确识读Workbench平台下的BEAM TOOL及梁结构子模型应用。

第7章介绍结构线性屈曲及非线性屈曲，讲述屈曲的分类，并通过一根轴向受压撑杆分别采用线性屈曲及非线性屈曲计算其临界力。

第8章介绍材料非线性，阐述了工程应用中常见的强化准则，通过一块带孔板材模拟包辛格效应。

第9章介绍状态非线性及常用的接触算法，对同一螺栓装配体分别介绍真实螺纹建模及基于几何校正方法分析其应力与变形。

第10章介绍模态分析方法，以二自由度弹簧振子为切入点阐述结构频率、振型归一化、模态质量、参与系数等理论解的求解过程及ANSYS的设置过程并对比两者计算的差异。

第11章介绍基于模态叠加法的谐响应分析及如何采用瞬态动力学方法计算谐响应。

第12章介绍响应谱分析，重点阐述规范中影响系数曲线转换为加速度曲线的计算过程及响应谱的生成方法，同时以三自由度弹簧振子为基本结构，对比理论解与有限元解的计算差异。

第13章介绍瞬态动力学模块，并以一个电动葫芦桥式起重机主梁突然卸载案例，阐述网格划分方法及瞬态动力学的设置过程。

ANSYS软件有经典界面与Workbench两个操作平台，两平台各有其使用优势，鉴于Workbench平台的易用性，本书的案例大部分基于Workbench 2020平台，个别案例采用经典界面演算。

阅读建议

本书是一本理论推导与软件操作相辅相成的书，其主要目的是力争使读者在阅读的过程中知其然亦知其所以然。笔者写作时遵循循序渐进的原则尽力使案例结构形式简单，推导过程通俗易懂，所以建议读者阅读时也遵循本书的
顺序安排，首先理解每个案例的理论推导过程，然后探究软件的设置方法。

总之，有限元软件目前正处于百花齐放、百家争鸣的市场环境，无论何种软件，究其根本，其应当归类于生产工具，软件的升级仅仅体现生产工具的更新，工程计算的灵魂在于人，生产工具可以保证提高生产力，但决定工程计算结果的仍然是工程技术人员，所以工程师应明确自身在工程计算中的定位，做工具的主人而非工具人。

致谢

感谢我的父母，含辛茹苦地将我培养成为一名专注技术的工程师，为本著作的诞生创造了前提条件。感谢我的爱人，在我创作期间义无反顾地承担了所有的家庭义务，为我提供了优越的写作环境。感谢王新敏教授百忙之中帮助我完善模态叠加法谐响应的推导过程。

由于笔者水平有限，书中难免有疏漏之处，欢迎广大读者批评指正。

汤晖2022年10月

配套资源

本书从力学基础知识和数学基本运算规则出发，系统阐述了有限单元法的基本理论，并以ANSYS Workbench为操作平台，详细讨论了结构线性静力学、非线性静力学、模态分析、谐响应分析及响应谱分析的操作过程。 全书共13章：第1章介绍数学及力学基础知识，为理论推导做好前提准备。第2章介绍数学软件MATLAB的基本应用，运用MATLAB软件快速求解数学问题。第3章介绍有限单元法的基本理论。第4章介绍ANSYS Workbench平台中各类建模软件及Mechanical软件的使用方法。第5章介绍线性静力学，以简单的L型梁为切入点，讨论线性静力学分析方法。第6章介绍概念建模、分析及后处理过程。第7章介绍结构线性屈曲及非线性屈曲。第8章介绍材料非线性及常见的强化准则。第9章介绍状态非线性及常用的接触算法。第10章介绍模态分析方法，并讨论了模态参数的计算过程。第11章介绍了基于模态叠加法的谐响应分析及如何采用瞬态动力学方法计算谐响应。第12章介绍了响应谱分析及响应谱计算中各类参数的相互转换方法。第13章介绍瞬态动力学模块。 本书不仅包含了大量示例，并且大部分示例同时给出了其理论解答过程及MATLAB代码的实现方法，读者在学习过程中应充分结合理论求解的过程理解软件操作背后的含义。 本书可作为企业结构工程师学习有限单元法和ANSYS的书籍，也可作为高等院校学生的学习参考用书。