ANSYS18.0机械与结构有限元分析实例教程

ANSYS是当前使用*广泛、功能*强大的有限元分析软件。在选择其作为有限元分析计算软件之前，首先需要了解它能做什么，接下来才是利用它来怎么做。本书根据作者多年来教学和科研的积累，结合ANSYS公司推出的新版ANSYS 18.0的*特点编著而成，目的是帮助初学者及中级用户掌握和熟悉ANSYS 18.0的基本使用方法。

ANSYS公司成立于1970年，是目前世界上CAE行业中*的公司之一。ANSYS 18.0软件有多种分析能力，包括简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。它可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解，包含了预处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术等相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。

本书利用新版本ANSYS 18.0，结合典型机械与结构工程应用实例，对有限元及ANSYS分析的基本原理、操作步骤、应用技巧进行了详细的介绍，全书共10章，第1～6章为基础篇，第7～10章为专题篇。

① 第1章以一个简单的例子——梯形板受拉，对有限元及ANSYS分析的基本思想及步骤进行了介绍，使读者能尽快地对采用有限元方法和ANSYS 18.0软件进行有限元分析有一个基本的认知过程；

② 第2～6章分别对ANSYS有限元分析的各个过程进行了详细的讨论，包括实体建模、网格划分、施加载荷及求解、通用后处理器和时间历程后处理器，并具体结合轴承座和汽车连杆这两个实例进行详细说明，以操作为出发点，但又不单纯地局限于操作；

③ 第7章介绍了结构静力分析，包括平面问题静力分析、轴对称结构静力分析、周期对称结构静力分析及任意三维结构静力分析；

④ 第8章介绍了非线性分析，包括几何非线性分析、材料非线性分析及状态非线性分析；

⑤ 第9章介绍了动力学分析，包括模态分析、谐波响应分析、瞬态动力学分析及谱分析；

⑥ 第10章介绍了热分析，包括稳态热分析、瞬态热分析及热应力耦合分析。

本书的特点如下。

① 全面完整的知识体系。本书包罗了机械与结构常用应用分析领域，结构分析包括静力分析、动力学分析、线性分析、非线性分析；热分析包括稳态热分析、瞬态热分析及热应力耦合分析；以及其他问题分析如电磁分析、流体分析、疲劳分析和屈曲分析等。

② 深入浅出的理论阐述。本书采用理论与实践结合的方法撰写，但简化理论，尽量避免烦琐的理论叙述，注重理论在实践中的应用，通过实例使读者对复杂的理论能够深入浅出。例如开篇通过一个简单的实例——梯形板受拉，简单介绍有限元方法的思想、步骤，然后针对该实例，介绍利用ANSYS解题步骤，使得读者能够快速了解有限元思想在ANSYS软件的具体体现以及ANSYS软件的使用流程和方法，而不是抽象地叙述复杂的有限元理论和罗列ANSYS软件功能、界面等内容。

③ 循序渐进的分析讲解。本书包括基础篇和专题篇，基础篇介绍了有限元的基本原理及操作过程，适用初学者；专题篇则介绍了针对机械工程专题应用，适用于专业技术人员及科研工作人员。即可作为理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生学习ANSYS软件的教材，亦可作为从事结构分析等相关行业的工程技术人员使用ANSYS软件的参考书，适用读者群体较广。

④ 实用典型的实例分析。本书结合作者多年来教学和科研的工作积累，采用大量工程分析实例讲解每一章知识点，每一个知识点对应一个实例，而不是简单地罗列知识点。在讲解实例时，不是空洞地讲解如何操作，而是给读者一个具体的应用场景。考虑到学习的连贯性，对实例的设计十分讲究，对于一些相关联的知识点，通过轴承座和汽车连杆两个实例贯穿ANSYS操作过程整个章节，使得读者在学习案例的过程中能够串联起各个相关技术，逐渐掌握利用ANSYS软件完整地解决工程实际问题。

⑤ 方便使用的网上资源。 本书所有实例均采用GUI操作讲解方式，并给出命令流文件，每一章都附有练习题并给出答案，书中实例均制作成视频，扫描相应二维码即可观看。

本书由任继文（第1章、第3章、第7章、第9章、第10章）、胡国良（第2章、第5章、第8章）、龙铭（第4章、第6章）共同编著，并由任继文负责统筹规划。

编著完稿过程中还得到了杨锦雯、顾瑞恒等同学的帮助，在此表示感谢！

由于本书涉及范围广，作者学识有限，难免会有不足之处，欢迎广大读者及业内人士予以指正。

编著者

2018年12月

本书以ANSYS18.0为例，对有限元及ANSYS分析的基本思想、基本步骤、应用技巧进行了详细介绍，并结合典型工程应用实例详细讲述了ANSYS在机械与结构工程中的应用方法。书中尽量避免烦琐的理论叙述，从实际应用出发,根据作者使用该软件的经验，结合大量实例，采用GUI方式对操作过程进行了讲解，为了帮助用户熟悉ANSYS相关操作命令，书中给出了每个例子的命令流文件，并配备了视频。

全书总共10章。内容包括：有限元及ANSYS简介、实体建模、网格划分、施加载荷及求解、通用后处理器、时间历程后处理器、结构静力分析、非线性分析、动力学分析、热分析。

本书适合ANSYS软件的初、中级用户以及有初步使用经验的技术人员阅读。本书可作为理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生学习ANSYS软件的教材，亦可作为从事结构分析等相关行业的工程技术人员使用ANSYS软件的参考书。

任继文，华东交通大学，教师、教授，作者长期在高校从事机械CAD/CAE/CAM方面的教学和科研工作，先后主持并完成了国家自然科学基金、江西省自然基金和江西省教育厅项目，参加863课题研究项目、国家自然科学基金多项，发表论文50余篇，多篇被SCI、EI、ISTP检索，在这些项目和论文中，运用了有限元的方法解决了许多实际工程问题；多年给本科生教授《机械CAD/CAM》、《有限元及ANSYS》等相关课程，在有限元方面积累了丰富的经验，并已主编了两本相关的教材。

第1章　有限元及ANSYS简介 / 1

　1.1　有限元法简介 / 1

　　1.1.1　有限元方法的基本思想 / 1

　　1.1.2　有限元模型的基本构成 / 2

　　1.1.3　有限元分析的基本步骤 / 3

　　1.1.4　有限元分析解题步骤实例——梯形板 / 3

　1.2　ANSYS18.0简介 / 13

　　1.2.1　ANSYS软件的基本功能 / 13

　　1.2.2　ANSYS18.0的新功能 / 14

　　1.2.3　ANSYS18.0的基本操作 / 17

　1.3　ANSYS18.0的解题步骤实例——梯形板 / 20

　　1.3.1　分析问题 / 20

　　1.3.2　定义参数 / 20

　　1.3.3　创建几何模型 / 25

　　1.3.4　划分网格 / 26

　　1.3.5　施加载荷 / 27

　　1.3.6　求解 / 28

　　1.3.7　结果分析 / 29

　　1.3.8　结果比较 / 30

　本章小结 / 32

　练习题 / 32

第2章　实体建模 / 33

　2.1　ANSYS建模基本方法 / 33

　　2.1.1　实体建模方法 / 33

　　2.1.2　直接生成法建模 / 35

　　2.1.3　从CAD图形中导入实体模型 / 35

　　2.1.4　三种建模方法的优缺点 / 35

　2.2　坐标系及其操作 / 36

　　2.2.1　总体坐标系及其操作 / 36

　　2.2.2　局部坐标系及其操作 / 37

　　2.2.3　显示坐标系及其操作 / 39

　　2.2.4　节点坐标系及其操作 / 41

　　2.2.5　单元坐标系及其操作 / 42

　　2.2.6　结果坐标系及其操作 / 43

　2.3　工作平面及使用 / 43

　　2.3.1　显示和设置工作平面 / 43

　　2.3.2　定义工作平面 / 45

　　2.3.3　旋转和平移工作平面 / 46

　2.4　自底向上建模 / 47

　　2.4.1　定义及操作关键点 / 47

　　2.4.2　选择、查看和删除关键点 / 49

　　2.4.3　定义及操作线 / 50

　　2.4.4　选择、查看和删除线 / 53

　　2.4.5　定义及操作面 / 53

　　2.4.6　选择、查看和删除面 / 55

　　2.4.7　定义体 / 56

　　2.4.8　选择、查看和删除体 / 56

　2.5　自顶向下建模 / 57

　　2.5.1　建立矩形面原始对象 / 58

　　2.5.2　建立圆或环形面原始对象 / 58

　　2.5.3　建立正多边形面原始对象 / 60

　　2.5.4　建立长方体原始对象 / 61

　　2.5.5　建立柱体原始对象 / 61

　　2.5.6　建立多棱柱原始对象 / 62

　　2.5.7　建立球体或部分球体原始对象 / 63

　　2.5.8　建立锥体或圆台原始对象 / 63

　　2.5.9　建立环体或部分环体原始对象 / 64

　2.6　布尔运算 / 64

　　2.6.1　交运算 / 65

　　2.6.2　加运算 / 69

　　2.6.3　减运算 / 70

　　2.6.4　切割运算 / 71

　　2.6.5　搭接运算 / 75

　　2.6.6　分割运算 / 76

　　2.6.7　黏结运算 / 77

　2.7　模型修改 / 77

　　2.7.1　移动图元 / 77

　　2.7.2　复制图元 / 78

　　2.7.3　镜像图元 / 79

　　2.7.4　缩放图元 / 79

　　2.7.5　转换图元坐标系 / 80

　2.8　运用组件 / 81

　　2.8.1　组件和部件的操作 / 81

　　2.8.2　通过组件和部件选择实体 / 82

　2.9　自顶向下实体建模实例1——轴承座实体建模 / 82

　2.10　自底向上实体建模实例2——汽车连杆实体建模 / 88

　本章小结 / 94

　练习题 / 94

第3章　网格划分 / 96

　3.1　定义单元属性 / 96

　　3.1.1　定义单元类型 / 96

　　3.1.2　定义实常数 / 98

　　3.1.3　定义材料参数 / 99

　　3.1.4　分配单元属性 / 102

　3.2　网格划分控制 / 103

　　3.2.1　网格划分工具 / 104

　　3.2.2　Smart Size网格划分控制 / 105

　　3.2.3　尺寸控制 / 107

　　3.2.4　单元形状控制 / 110

　　3.2.5　网格划分器选择 / 110

　3.3　实体模型网格划分 / 114

　　3.3.1　关键点网格划分 / 115

　　3.3.2　线网格划分 / 115

　　3.3.3　面网格划分 / 115

　　3.3.4　体网格划分 / 116

　　3.3.5　网格修改 / 118

　3.4　网格检查 / 120

　　3.4.1　设置形状检查选项 / 120

　　3.4.2　设置形状限制参数 / 121

　　3.4.3　确定网格质量 / 121

　3.5　直接法生成有限元模型 / 122

　　3.5.1　节点定义 / 122

　　3.5.2　单元定义 / 127

　3.6　网格划分基本原则 / 131

　　3.6.1　网格数量 / 131

　　3.6.2　网格疏密 / 131

　　3.6.3　单元阶次 / 133

　　3.6.4　网格质量 / 134

　3.7　自由网格划分实例1——轴承座 / 134

　3.8　映射网格划分实例2——二维飞轮 / 136

　3.9　扫掠网格划分实例3——汽车连杆 / 142

　3.10　混合网格划分实例4——三维带孔飞轮 / 147

　本章小结 / 153

　练习题 / 154

第4章　施加载荷及求解 / 155

　4.1　加载概述 / 155

　　4.1.1　载荷类型 / 155

　　4.1.2　载荷施加方式 / 156

　　4.1.3　载荷步、子步和平衡迭代 / 157

　　4.1.4　载荷步选项 / 158

　　4.1.5　载荷的显示 / 159

　4.2　载荷的定义 / 159

　　4.2.1　自由度约束 / 159

　　4.2.2　集中载荷 / 163

　　4.2.3　表面载荷 / 166

　　4.2.4　体载荷 / 174

　　4.2.5　特殊载荷 / 176

　4.3　求解 / 177

　　4.3.1　选择合适的求解器 / 177

　　4.3.2　求解多步载荷 / 179

　　4.3.3　求解 / 181

　4.4　综合实例1——轴承座模型载荷施加及求解 / 182

　4.5　综合实例2——汽车连杆模型载荷施加及求解 / 185

　本章小结 / 186

　练习题 / 187

第5章　通用后处理器 / 188

　5.1　通用后处理器概述 / 188

　　5.1.1　通用后处理器处理的结果文件 / 188

　　5.1.2　结果文件读入通用后处理器 / 189

　　5.1.3　浏览结果数据集信息 / 190

　　5.1.4　读取结果数据集 / 190

　　5.1.5　设置结果输出方式与图形显示方式 / 193

　5.2　图形显示计算结果 / 193

　　5.2.1　绘制变形图 / 193

　　5.2.2　绘制等值线图 / 195

　　5.2.3　绘制矢量图 / 197

　　5.2.4　绘制粒子轨迹图 / 198

　　5.2.5　绘制破碎图和压碎图 / 199

　5.3　路径操作 / 200

　　5.3.1　定义路径 / 200

　　5.3.2　观察沿路径的结果 / 202

　　5.3.3　进行沿路径的数学运算 / 203

　5.4　单元表 / 204

　　5.4.1　创建和修改单元表 / 204

　　5.4.2　基于单元表的数学运算 / 205

　　5.4.3　根据单元表绘制结果图形 / 206

　5.5　载荷组合及其运算 / 207

　　5.5.1　创建载荷工况 / 208

　　5.5.2　载荷工况的读写 / 208

　　5.5.3　载荷工况数学运算 / 209

　5.6　综合实例1——桁架计算 / 209

　5.7　综合实例2——轴承座及汽车连杆后处理分析 / 215

　　5.7.1　轴承座后处理分析 / 215

　　5.7.2　汽车连杆后处理分析 / 216

　本章小结 / 217

　练习题 / 217

第6章　时间历程后处理器 / 218

　6.1　定义和存储变量 / 219

　　6.1.1　变量定义 / 219

　　6.1.2　变量存储 / 220

　　6.1.3　变量的导入 / 222

　6.2　变量的操作 / 222

　　6.2.1　数学运算 / 222

　　6.2.2　变量与数组相互赋值 / 223

　　6.2.3　数据平滑 / 225

　　6.2.4　生成响应频谱 / 226

　6.3　查看变量 / 227

　　6.3.1　图形显示 / 227

　　6.3.2　列表显示 / 229

　6.4　动画技术 / 231

　　6.4.1　直接生成动画 / 231

　　6.4.2　通过动画帧显示动画 / 231

　　6.4.3　动画播放 / 233

　6.5　综合实例——钢球淬火温度计算 / 233

　　6.5.1　问题描述 / 233

　　6.5.2　GUI 操作步骤 / 234

　本章小结 / 240

　练习题 / 240

第7章　结构静力分析 / 241

　7.1　结构分析概述 / 241

　　7.1.1　结构分析定义 / 241

　　7.1.2　结构分析的类型 / 241

　　7.1.3　结构分析所使用的单元 / 242

　　7.1.4　材料模式界面 / 242

　　7.1.5　求解方法 / 243

　7.2　结构静力分析 / 243

　　7.2.1　结构静力分析的定义 / 243

　　7.2.2　结构静力分析类型 / 243

　　7.2.3　结构静力分析的求解步骤 / 243

　7.3　平面问题静力分析实例——钢支架 / 244

　　7.3.1　问题提出 / 245

　　7.3.2　建立模型 / 245

　　7.3.3　施加载荷 / 250

　　7.3.4　求解 / 250

　　7.3.5　查看结果 / 251

　7.4　轴对称结构静力分析实例——二维飞轮 / 251

　　7.4.1　问题提出 / 251

　　7.4.2　调出模型 / 252

　　7.4.3　施加载荷 / 252

　　7.4.4　求解 / 253

　　7.4.5　查看结果 / 253

　7.5　周期对称结构静力分析实例——三维带孔飞轮 / 258

　　7.5.1　问题提出 / 258

　　7.5.2　调出模型 / 259

　　7.5.3　施加载荷 / 259

　　7.5.4　求解 / 260

　　7.5.5　查看结果 / 260

　7.6　任意三维结构静力分析实例——六角扳手 / 265

　　7.6.1　问题提出 / 265

　　7.6.2　建立模型 / 265

　　7.6.3　施加载荷 / 273

　　7.6.4　求解 / 277

　　7.6.5　查看结果 / 277

　本章小结 / 280

　练习题 / 280

第8章　非线性分析 / 282

　8.1　非线性分析简介 / 282

　　8.1.1　结构非线性的定义 / 282

　　8.1.2　结构非线性的类型 / 282

　　8.1.3　结构非线性的基本步骤 / 283

　8.2　几何非线性分析实例——悬臂梁 / 283

　　8.2.1　问题提出 / 283

　　8.2.2　建立模型 / 284

　　8.2.3　施加载荷 / 285

　　8.2.4　求解 / 286

　　8.2.5　查看结果 / 286

　8.3　材料非线性分析实例——铆钉 / 288

　　8.3.1　问题提出 / 289

　　8.3.2　建立模型 / 289

　　8.3.3　施加载荷 / 292

　　8.3.4　求解 / 293

　　8.3.5　查看结果 / 294

　8.4　状态非线性分析实例——齿轮接触分析 / 297

　　8.4.1　问题提出 / 297

　　8.4.2　建立模型 / 297

　　8.4.3　施加载荷 / 304

　　8.4.4　求解 / 305

　　8.4.5　查看结果 / 306

　8.5　非线性蠕变分析实例——螺栓 / 308

　　8.5.1　问题提出 / 308

　　8.5.2　建立模型 / 308

　　8.5.3　施加载荷 / 311

　　8.5.4　求解 / 312

　　8.5.5　查看结果 / 313

　本章小结 / 315

第9章　动力学分析 / 316

　9.1　动力学分析概述 / 316

　　9.1.1　动力学分析简介 / 316

　　9.1.2　动力学分析类型 / 316

　9.2　模态分析 / 317

　　9.2.1　模态分析简介 / 317