目录 第一章绪论… 1 1.1数值模拟技术的工程应用 1 1.2ANSYS程序述 第二章有限单元法基础… 8 2.1有限单元法的基本概念 ……8 2.2结构静力分析的有限单元法……9 2.3结构动力学问题的有限单元法…………………26 2.4结构非线性有限单元法……… 28 2.5温度场问题的有限单元法 …………30 2.6流体流动有限单元法… 37 2.7电磁场的有限单元法 42 第三章ANSYS的基本使用方法 48 3.1典型分析过程 48 3.2前处理…… 53 3.3加载和求解 62 3.4结果后处理 65 3.5高级建模技术 71 第四章ANSYS结构静力分析 77 4.1静力分析简介 ………77 4.2静力分析的基本步骤……… .78 4.3ANSYS的其它静力分功能 86 4.4静力分析实例 87 第五章非线性分析 91 5.1非线性结构分析简介 91 5.2非线性分析的基本过程 94
实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 5.3几何非线性 99 5.4材料非线性 109 5.5状态非线性 114 第六章动力学分析 133 6.1模态分析 133 6.2谐响应分析 142 6.3瞬态动力学分析 151 第七章ANSYS热分析 166 7.1简介 166 7.2稳态热分析 167 7.3瞬态热分析 172 7.4表面效应单元 ………………………… 178 7.5热辐射分析 180 7.6热应力分析 185 第八章ANSYS电磁场分析 189 8.1电磁场分析简介 189 8.22D静态磁场分析 190 8.32D瞬态磁场分析 203 8.43D静态磁场分析（基于单元边的方法）………………… 209 8.53D瞬态磁场分析 214 8.6电场分析 218 第九章计算流体动力学分析 …………221 9.1FLOTRAN计算流体动力学(CFD)分析概述……………… 221 9.2FLOTRAN分基础 ………221 9.3FLOTRAN不可压层流和流分析……… 229 9.4FLOTRAN热分 237 9.5FLOTRAN分析 244 9.6FLOTRAN可压流分析 246 9.7多组份输运分析 248 第十章ANSYS高级分析技术 255 10.1参数化设计语言(APDL)…… …………………… 255 10.2优化设计 259 10.3拓扑优化 265 10.4自适应网格划分 270
10.5子模型……………… 275 10.6单元的生和死……………… 附衰 ANSYS程序中常用量和单位表……… 参考文献…………
第一章绪论 1.1数值模拟技术的工程应用 许多工程分析问题,如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动 特性分析、传热学中的温度场分析流体力学中的流场分析等都可归结为在给定边界条件下 求解其控制方程(常微分方程或偏微分方程)的问题但能用解析方法求出精确解的只是方程 性质比较简单,且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题由于物体的几 何形状较复杂或者问题的某些特征是非线性的,则很少有解析解这类问题的解决通常有两种 途径:一是引入简化假设将方程和边界条件简化为能够处理的问题,从而得到它在简化状态 的解,这种方法只在有限的情况下是可行的,因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的 解因此,人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上,借助于现代科学技术的产物一—计算 机来获得满足工程要求的数值解这就是数值模拟技术数值模拟技术是现代工程学形成和发 展的重要推动力之 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有:有限单元法边界元法离散单元法和有 限差分法,但就其实用性和应用的广泛性而言,主要还是有限单元法。有限单元法的基本思想 是将问题的求解域划分为一系列单元,单元之间仅靠节点连接单元内部点的待求量可由单元 节点量通过选定的函数关系插值求得由于单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节 点量之间的方程式,然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组,计入边界条件 后即可对方程组求解。单元划分越细,计算结果就越精确 有限单元法的基本思想早在40年代初期就有人提出但真正用于工程中则是在电子计算 机出现后。“有限单元法”这一名称是1960年美国的克拉夫( Clough.R.W)在一篇题为“平面 应力分析的有限单元法”论文中首先使用的。40年来,有限单元法的应用已由弹性力学平面问 题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题,分析 的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传 热学、电磁学等领域。有限单元法的工程应用如表1-1所示 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。到80年代初期国际上较大型 的面向工程的有限元通用程序达到几百种,其中著名的有: ANSYS, NASTRAN. ASKA. AD INA, SAP等。它们多采用 FORTRAN语言编写,规模达几万条甚至几十万条语句,其功能越 来越完善,不仅包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前处理和后处理程序。 由于有限元通用程序使用方便、计算精度高,其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析
2 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS上的实践 的可靠依据。以 ANSYS为代表的工程数值模拟软件,即有限元分析软件,不断吸取计算方法 和计算机技术的最新进展将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为解决现代 工程学问题必不可少的有力工具 衰1-1有限单元法的工程应用 研究领域 平衡问题 特征值问题 动态问题 结构工程学结构梁、板壳结构的分析 结构的稳定性 应力波的传播 力学和宇航工复杂或混杂结构的分结构的固有频率和振结构对于非周期载荷 程学 的动态响应 维与三维应力分析 线性粘弹性阻尼 耦合热弹性力学与热 粘弹性力学 土力学,基础工程 维与三维应力分析 土壤一结构组合物的±壤与岩石中的非定 学和岩石力学 填筑和开控问题 固有频率和振型 常渗流 边坡稳定性问题 在可变形多孔介质中 土壤与结构的相互作 的流动一固结 用 应力波在土壤和岩石 坝、愍洞.钻孔、涵洞、 中的传播 船闸等的分析 壤与结构的动态相 流体在土壤和岩石中 互作用 的稳态渗流 热传导 固体和流体中的稳态 体和流体中的瞬态 温度分布 热流 流体动力学,水利流体的势流 湖泊和港湾的波动(固河口的盐度和污染研 工程学和水源学 流体的粘性流动 有频率和振型 究(扩展问题) 害水层和多孔介质中刚性或柔性容器中流沉积物的推移 的定常渗流 体的晃动 流体的非定常流动 水工结构和大坝的分 波的传播 多孔介质和誓水层中 的非定常渗流 核子工程学 反应堆安全壳结构的 反应堆安全壳结构的 分析 动态分析 反应堆和反应堆安全 反应堆结构的热粘弹 壳结构的稳态温度分布 性分析 反应堆和反应堆安全 壳结构中的非稳态温度 分布 电磁学 维和三维静态电磁 二维和三维时变、高频电 场分析 磁场分析 利用 ANSYS程序,工程师们可以构造结构、产品、零部件或系统的计算机模型,或将它们 的CAD模型进行转换,对它们施加载荷或其它设计性能条件;还可以研究它们诸如应力水 平温度分布或电磁场的冲击等物理响应。在设计过程初期工程师们也可利用该程序进行优 化设计,以降低生产成本这些过程使制造商们缩短了多样机制造一测试一再制造这一研制周 期,同时也避免了使用昂贵的产品余量设计 在某些环境中,样机试验是不方便的或是不可能的,而利用 ANSYS软件,已解决了一些