ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用（第二版）

第二版前言

  本書第一版出版以來，得到科研以及工程計算領(lǐng)域廣大讀者的認(rèn)可。一些高校在有限元課程中已將本書用作ANSYS教學(xué)的輔助教材。很多讀者在閱讀了第一版之后，對本書提出了很多有價值的改進意見。有鑒于此，對原書進行了系統(tǒng)修訂，具體包括以下方面：

（1）適當(dāng)增加了ANSYS相關(guān)理論背景的介紹，介紹這部分內(nèi)容時并不追求理論體系的完整性，而是集中力量有針對性地講解與ANSYS分析技術(shù)直接相關(guān)的內(nèi)容。

（2）結(jié)合軟件更新了部分內(nèi)容，例如，在ANSYS目前最新版本中已經(jīng)不再有PLANE2單元，本次修訂時對這類問題進行了適當(dāng)?shù)脑鰟h。增加了關(guān)于ANSYS產(chǎn)品的統(tǒng)一啟動界面和 ANSYS Workbench仿真環(huán)境方面的一些簡單內(nèi)容。

（3）結(jié)合基本的力學(xué)概念，對書中例題的計算結(jié)果作了必要的分析和評價，有助于讀者對相關(guān)問題有更深入的了解。例如，讀者曾詢問關(guān)于結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)果的意義等問題，因此本次修訂對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析例題的計算結(jié)果進行了解釋和說明。

（4）對程序操作方面的知識點多采用列表形式，以增加相關(guān)內(nèi)容的系統(tǒng)性和條理性，使相關(guān)的章節(jié)更具可讀性。

（5）重新設(shè)計了一些新的例題，例如，動力學(xué)專題部分的例題基本上都是重新設(shè)計的，這些例題的共同特點是結(jié)構(gòu)形式不復(fù)雜，但是通過這些簡單問題容易講清楚動力學(xué)的基本概念。在梁分析中也針對各類梁單元列舉了例題。

（6）刪去了前一版過于簡單的一些例題，適當(dāng)增加了例題的總體復(fù)雜程度，每一章都有簡單的問題和相對綜合一些的問題。

（7）適當(dāng)增加了一些軟件操作技巧等方面的介紹。對于使用程序過程中可能出現(xiàn)的常見問題，在正文中以“注意”強調(diào)一些相關(guān)的要點。

（8）更正了第一版中的一些文字錄入錯誤。

  本次修訂在總體上保持了前一版中理論與實踐緊密結(jié)合、操作過程詳細(xì)、分析例題豐富等特點，并在組織內(nèi)容的過程中同時照顧到科研以及工程計算兩方面讀者的需要。本書在結(jié)構(gòu)上分為三篇，第1篇主要介紹相關(guān)背景原理以及各類ANSYS結(jié)構(gòu)單元的使用方法，第2篇介紹ANSYS結(jié)構(gòu)分析方面的一些專題性的內(nèi)容，第3篇提供了一些有代表性的綜合性分析例題。本書附錄中收錄了一些常用結(jié)構(gòu)單元的形函數(shù)以及ANSYS結(jié)構(gòu)分析命令等。

本次改版修訂工作主要由尚曉江、邱峰、趙海峰等完成，本次修訂工作是集體智慧的結(jié)果，第一版的部分原作者參與了相關(guān)章節(jié)的改寫和文字校對工作，他們是李文穎、王化鋒、魏久安、蘇建宇、潘冠群、張永剛、劉金興、盧靖、蔣迪、李德聰、袁志達、陳小亮、楊海波、楊偉、石偉興、聶慧萍、張炯曦、史雪松、張永芳、宋謙、王惠平。參與修訂和為  本版提供工程算例資料的還有梁興、王海彥、劉永剛、徐建華、石彬彬、魯小星等。此外，還要感謝中國水利水電出版社編輯人員為本書出版而付出的辛勤勞動。

  由于時間倉促和編者水平的局限，書中不當(dāng)和錯誤之處在所難免，歡迎讀者朋友批評指正。作者聯(lián)系方式：shj_cas@sina.com。

第二版前言
第一版前言
第1篇  ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ)
第1章  ANSYS有限元分析基礎(chǔ) 2
1.1  ANSYS程序的理論背景和分析功能綜述 2
1.1.1  ANSYS程序的理論背景 2
1.1.2  結(jié)構(gòu)有限元分析的基本過程與問題 4
1.1.3  ANSYS程序結(jié)構(gòu)分析能力概述 11
1.2  ANSYS程序的基本使用入門（一） 14
1.2.1  使用ANSYS分析問題的一般流程 14
1.2.2  ANSYS的界面布局、程序架構(gòu)及兩種操作方式 19
1.2.3  最常用的ANSYS界面操作 23
1.3  ANSYS程序的基本使用入門（二） 32
1.3.1  直接法建立有限元模型 32
1.3.2  由幾何模型到有限元網(wǎng)格——間接建模法 38
1.3.3  加載、多工況靜力分析及后處理初步 45
1.4  APDL語言及參數(shù)化分析 53
1.5  ANSYS常見問題及操作技巧 61
1.5.1  與前后處理相關(guān)的問題 61
1.5.2  與加載相關(guān)的問題 63
1.5.3  獲取函數(shù)、定制工具條及ANSYS的暫停 65
第2章  桁架桿系有限元分析及ANSYS實例 69
2.1  桁架桿系有限元分析的概念 69
2.2  可用于桁架分析的ANSYS單元 72
2.2.1  Link1單元特性簡介 72
2.2.2  LINK8單元特性簡介 73
2.2.3  LINK10單元特性簡介 74
2.3  分析實例：平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力分析 77
第3章  梁系結(jié)構(gòu)分析方法及ANSYS實例 87
3.1  梁系結(jié)構(gòu)有限元分析提要 87
3.2  ANSYS中的梁單元概述 88
3.2.1  BEAM3單元特性介紹 88
3.2.2  BEAM4單元特性介紹 90
3.2.3  BEAM188和BEAM189梁單元特性簡介 92
3.3  分析實例：ANSYS各類梁單元的綜合應(yīng)用 95
3.3.1  剛鉸混合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖 95
3.3.2  三向交叉梁系的計算 103
3.3.3  施工防護結(jié)構(gòu)中的承重桁架分析 108
第4章  彈性平面問題的有限元分析及ANSYS算例 133
4.1  彈性平面問題有限元分析的基本方法 133
4.2  ANSYS提供的平面問題單元 135
4.3  分析實例：獨立重力壩的靜力分析 138
第5章  軸對稱問題的有限元分析及ANSYS算例 153
5.1  ANSYS軸對稱問題分析提要 153
5.2  分析實例：厚球殼的軸對稱分析 154
第6章  三維實體結(jié)構(gòu)的ANSYS分析及算例 166
6.1  三維實體結(jié)構(gòu)ANSYS有限元分析提要 166
6.2  分析實例：網(wǎng)架焊接空心球節(jié)點的受力分析 167
第7章  板殼結(jié)構(gòu)的ANSYS分析及算例 190
7.1  板殼結(jié)構(gòu)ANSYS有限元分析提要 190
7.2  分析實例：圓柱殼屋面結(jié)構(gòu)的靜力分析 192
7.3  分析實例：板梁結(jié)構(gòu)中梁截面的偏置 200
第2篇  ANSYS結(jié)構(gòu)分析專題
第8章  ANSYS結(jié)構(gòu)動力分析專題 210
8.1  ANSYS結(jié)構(gòu)動力分析概述 210
8.1.1  模態(tài)分析及其ANSYS實現(xiàn)過程 210
8.1.2  諧響應(yīng)分析 214
8.1.3  瞬態(tài)動力學(xué)分析 219
8.1.4  譜分析 225
8.2  ANSYS模態(tài)分析例題：幾何剛度對梁自振特性的影響 228
8.3  諧響應(yīng)分析例題：不同激勵模式諧振響應(yīng)的比較 234
8.4  瞬態(tài)分析的例題：移動載荷作用下的吊車梁 244
8.5  譜分析例題：懸臂結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)譜分析 250
第9章  ANSYS結(jié)構(gòu)非線性分析專題 255
9.1  ANSYS結(jié)構(gòu)非線性分析概述 255
9.1.1  結(jié)構(gòu)非線性問題的幾種類型 255
9.1.2  非線性問題的一般分析方法 258
9.1.3  ANSYS結(jié)構(gòu)非線性分析的過程與選項 261
9.2  接觸問題的分析方法 267
9.2.1  接觸問題概述 267
9.2.2  ANSYS的接觸分析功能 267
9.2.3  ANSYS接觸分析流程及接觸向?qū)У氖褂?nbsp;268
9.3  幾何非線性例題：油罐底效應(yīng)的簡化分析 270
9.3.1  問題描述 270
9.3.2  ANSYS分析全過程 270
9.3.3  ANSYS分析命令流 277
9.4  材料非線性例題：鋼筋混凝土梁的分析 278
9.5  接觸分析例題：插銷撥拉過程的接觸分析 299
第10章  結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析方法及ANSYS范例 314
10.1  ANSYS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的基本概念 314
10.2  工字梁的特征值屈曲分析 315
10.2.1  建立分析模型 315
10.2.2  特征值屈曲分析與結(jié)果顯示 321
10.3  工字梁的非線性屈曲分析 324
第11章  ANSYS結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計 330
11.1  優(yōu)化設(shè)計問題的數(shù)學(xué)表述與ANSYS優(yōu)化設(shè)計流程 330
11.2  分析實例：平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 332
第12章  子結(jié)構(gòu)技術(shù)簡介 349
12.1  子結(jié)構(gòu)分析的概念 349
12.2  ANSYS子結(jié)構(gòu)分析的步驟 350
12.2.1  生成部分 351
12.2.2  使用部分 353
12.2.3  擴展部分 355
12.3  子結(jié)構(gòu)分析例題：空腹梁 355
12.3.1  問題描述 355
12.3.2  分析過程 356
第3篇  工程范例精選
第13章  框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的分析 368
13.1  分析對象簡介 368
13.2  框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的模型建立 369
13.2.1  結(jié)構(gòu)建模的總體規(guī)劃 369
13.2.2  幾何模型的建立 370
13.2.3  劃分網(wǎng)格 373
13.3  重力載荷和風(fēng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng) 381
13.3.1  計算重力載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng) 381
13.3.2  風(fēng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng) 383
13.4  結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 388
13.5  地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性時程分析 390
13.5.1  計算地震作用瞬態(tài)解 390
13.5.2  觀察地震作用結(jié)構(gòu)響應(yīng) 391
第14章  海洋石油平臺結(jié)構(gòu)的動力分析 396
14.1  海洋平臺結(jié)構(gòu)簡介 396
14.2  平臺結(jié)構(gòu)的模型建立 398
14.2.1  結(jié)構(gòu)建模的總體規(guī)劃 398
14.2.2  幾何模型的建立 399
14.2.3  劃分網(wǎng)格 402
14.3  海洋平臺結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析 411
14.3.1  計算模態(tài)解 411
14.3.2  結(jié)果觀察與分析 412
14.4  海洋平臺諧響應(yīng)分析 414
14.5  冰載荷作用下海洋平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng) 418
14.5.1  獲得瞬態(tài)分析解 419
14.5.2  觀察結(jié)果 421
14.6  波浪載荷作用下海洋平臺隨機振動分析 423
14.6.1  ANSYS隨機振動分析簡介 423
14.6.2  波浪載荷簡介 426
14.6.3  獲得譜解 426
14.6.4  合并模態(tài) 429
14.6.5  計算響應(yīng)的功率譜密度 429
第15章  大跨空間結(jié)構(gòu)的建模與分析 433
15.1  大跨空間結(jié)構(gòu)的ANSYS建模與分析概述 433
15.2  施威德勒型球面網(wǎng)殼的建模過程詳解 435
15.3  網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的固有振動特性分析 440
15.4  特征值屈曲分析 442
15.5  考慮初始缺陷的非線性屈曲分析 446
附錄A  ANSYS的程序模塊、啟動器以及幾何建模專題 452
A.1  ANSYS 11.0的主要產(chǎn)品模塊 452
A.2  ANSYS產(chǎn)品啟動器 453
A.3  ANSYS經(jīng)典環(huán)境建模操作專題 455
附錄B  部分結(jié)構(gòu)單元的形函數(shù) 466
B.1  一維單元 466
B.2  二維單元 466
B.3  三維單元 467
附錄C  ANSYS結(jié)構(gòu)分析常用命令參考 469

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