ANSYS有限元分析完全自學手冊

聂成龙，博士，正高级工程师，教授，硕士生导师，长期从事产品质量与可靠性、产品保障性与综合保障、装备保障仿真等领域教学科研任务。主持省部级以上科研项目30余项。获军队科技进步一等奖1项，二等奖4项，《2020/2030RMS发展战略》等50余部报告被上级机关采纳应用。授权国家发明专利6项，实用新型专利2项，软件著作权16项。出版教材专著12部，发表学术论文60余篇。

闫波，清华大学航天航空学院博士后，现任中国运载火箭技术研究院飞行器、先进动力设计高级工程师，16年ANSYS、UG NX、PROE软件的应用实战经验。出版专著《UG NX 5.0中文版曲面造型从入门到精通》、《Ansys15.0多物理耦合场有限元分析从入门到精通》，参与编写《国外典型空间技术验证飞行器》，论文发表10余篇，国防科技报告2篇，专利授权7项，受理12项。

吴宏波哈尔滨工业大学硕士研究生，现任中国运载火箭技术研究院计算机网络工程师长期从事信息安全及智能制造工作,多年ANSYS、UG、PROE、CATIA等软件的应用实践经验。

目　錄

第 1篇 操作基礎

第 1章　ANSYS概述 3

1.1 有限單元法簡介 4

1.1.1　CAE軟件簡介 4

1.1.2　有限單元法的基本概念 5

1.2 ANSYS工業應用簡介 7

1.2.1　ANSYS的發展 7

1.2.2　ANSYS的功能 7

1.3 ANSYS 2021的啟動及界面 9

1.3.1　設置運行環境 9

1.3.2　啟動與退出 10

1.3.3　圖形用戶界面 12

1.4 程序結構 14

1.4.1　處理器 14

1.4.2　文件格式 14

1.4.3　輸入方式 14

1.4.4　輸出文件類型 15

1.5 ANSYS分析的基本過程 15

1.5.1　前處理 15

1.5.2　加載並求解 16

1.5.3　後處理 16

1.5.4　實例——齒輪泵齒輪靜力分析 16

1.6 本章小結 18

第 2章　幾何建模 19

2.1 坐標系簡介 20

2.1.1　總體和局部坐標系 20

2.1.2　顯示坐標系 22

2.1.3　節點坐標系 22

2.1.4　單元坐標系 23

2.1.5　結果坐標系 23

2.1.6　實例—創建坐標系 24

2.2 工作平面的使用和操作 26

2.2.1　定義一個新的工作平面 27

2.2.2　控制工作平面的顯示和樣式 27

2.2.3　移動工作平面 27

2.2.4　旋轉工作平面 27

2.2.5　還原一個已定義的工作平面 28

2.2.6　工作平面的高級用途 28

2.2.7　實例—創建工作平面 30

2.3 布爾操作 32

2.3.1　布爾運算操作 32

2.3.2　布爾運算的設置 33

2.3.3　布爾運算之後的圖元編號 33

2.3.4　交運算 33

2.3.5　兩兩相交運算 35

2.3.6　加運算 35

2.3.7　減運算 36

2.3.8　搭接運算 37

2.3.9　分割運算 37

2.3.10　粘接運算 38

2.3.11　實例—布爾操作 38

2.4 自底向上創建幾何模型 41

2.4.1　關鍵點 41

2.4.2　實例—創建關鍵點 43

2.4.3　硬點 44

2.4.4　線 45

2.4.5　面 47

2.4.6　體 48

2.4.7　實例—自底向上建模 50

2.5 自頂向下創建幾何模型 58

2.5.1　創建面體素 58

2.5.2　創建實體體素 59

2.5.3　實例—自頂向下建模 60

2.6　移動、復制和縮放幾何模型 69

2.6.1　移動和復制 69

2.6.2　拖曳和旋轉 70

2.6.3　按照樣本生成圖元 70

2.6.4　由對稱映像生成圖元 71

2.6.5　將樣本圖元轉換坐標系 71

2.6.6　實體模型圖元的縮放 71

2.6.7　修改模型（清除和刪除） 72

2.7　幾何模型導入ANSYS 72

2.7.1　輸入IGES單一實體 73

2.7.2　輸入SAT 單一實體 75

2.7.3　輸入Parasolid單一實體 78

2.7.4　輸入Parasolid實體集合 80

2.8　綜合實例—齒輪泵齒輪的建模 81

2.9　本章小結 92

第3章　劃分網格 93

3.1　有限元網格概論 94

3.2　設定單元屬性 94

3.2.1　生成單元屬性表 94

3.2.2　在劃分網格之前分配單元屬性 95

3.2.3　實例——設定單元屬性 97

3.3　網格劃分的控制 100

3.3.1　ANSYS網格劃分工具 100

3.3.2　映射網格劃分中單元的默認尺寸 102

3.3.3　局部網格劃分控制 103

3.3.4　內部網格劃分控制 104

3.3.5　生成過渡棱錐單元 105

3.3.6　將退化的四面體單元轉化為非退化的形式 106

3.3.7　執行層網格劃分 106

3.3.8　實例—網格劃分控制 107

3.4　自由網格劃分和映射網格劃分控制 109

3.4.1　自由網格劃分 109

3.4.2　映射網格劃分 110

3.5　給實體模型劃分有限元網格 115

3.5.1　用“xMESH”命令生成網格 115

3.5.2　生成帶方向節點的梁單元網格 115

3.5.3　在分界線或分界面處生成單位厚度的界面單元 116

3.6　延伸和掃略生成有限元模型 117

3.6.1　延伸生成網格 117

3.6.2　掃略生成網格 119

3.7　修正有限元模型 121

3.7.1　局部細化網格 121

3.7.2　移動和復制節點和單元 123

3.7.3　控制面、線和單元的法向 124

3.7.4　修改單元屬性 125

3.8　編號控制 125

3.8.1　合並重復項 126

3.8.2　編號壓縮 127

3.8.3　設定起始編號 127

3.8.4　編號偏差 128

3.9　綜合實例——齒輪泵齒輪模型網格劃分 128

3.10　本章小結 133

第4章　施加載荷 134

4.1　載荷概論 135

4.1.1　什麽是載荷 135

4.1.2　載荷步、子步和平衡迭代 136

4.1.3　時間參數 136

4.1.4　階躍載荷與坡道載荷 137

4.2　施加載荷的方法 138

4.2.1　實體模型載荷與有限單元載荷 138

4.2.2　施加不同類型載荷 139

4.2.3　利用表格來施加載荷 143

4.2.4　軸對稱載荷與反作用力 145

4.2.5　利用函數來施加載荷和邊界條件 146

4.3　設定載荷步選項 148

4.3.1　通用選項 148

4.3.2　非線性選項 151

4.3.3　動力學分析選項 152

4.3.4　輸出控制 152

4.3.5　Biot-Savart選項 153

4.3.6　譜分析選項 153

4.3.7　創建多載荷步文件 153

4.4　綜合實例—齒輪泵齒輪模型載荷施加 155

4.5　本章小結 158

第5章　求解 159

5.1　求解概論 160

5.1.1　使用直接求解法 160

5.1.2　使用稀疏矩陣直接解法求解器 161

5.1.3　使用雅克比共軛梯度法求解器 161

5.1.4　使用不完全分解共軛梯度法求解器 161

5.1.5　使用預條件共軛梯度法求解器 161

5.1.6　使用自動迭代解法選項 162

5.1.7　獲得解答 163

5.2　利用特定的求解控制器來指定求解類型 163

5.2.1　使用Abridged Solution菜單選項 164

5.2.2　使用求解控制對話框 164

5.3　多載荷步求解 165

5.3.1　多重求解法 165

5.3.2　使用載荷步文件法 166

5.3.3　使用數組參數法（矩陣參數法） 166

5.4　重新啟動分析 168

5.4.1　重新啟動一個分析 168

5.4.2　多載荷步文件的重啟動分析 171

5.5　綜合實例——齒輪泵齒輪模型求解 173

5.6　本章小結 173

第6章　後處理 174

6.1　後處理概述 175

6.1.1　後處理定義 175

6.1.2　結果文件 175

6.1.3　後處理可用的數據類型 176

6.2　通用後處理器（POST1） 177

6.2.1　將數據結果讀入數據庫 177

6.2.2　列表顯示結果 183

6.2.3　圖像顯示結果 188

6.2.4　映射結果到某一路徑上 194

6.2.5　錶面操作 200

6.2.6　將結果旋轉到不同坐標系中顯示 203

6.3　時間歷程後處理器（POST26） 205

6.3.1　定義和儲存POST26變量 205

6.3.2　檢查變量 207

6.3.3　POST26的其他功能 209

6.4　綜合實例—齒輪泵齒輪模型結果後處理 210

6.5　本章小結 216

第 2篇 專題實例

第7章　靜力學分析 219

7.1　靜力學分析介紹 220

7.1.1　結構靜力學分析簡介 220

7.1.2　靜力學分析的類型 221

7.1.3　靜力學分析基本步驟 221

7.2　綜合實例——鋼桁架橋靜力受力分析 221

7.2.1　問題的描述 222

7.2.2　建立模型 222

7.2.3　定義邊界條件和載荷並求解 230

7.2.4　查看結果 232

7.2.5　命令流 236

7.3　綜合實例—內六角扳手的靜態分析 236

7.3.1　問題描述 236

7.3.2　建立模型 236

7.3.3　定義邊界條件並求解 244

7.3.4　查看結果 247

7.3.5　命令流 251

7.4　本章小結 251

第8章　模態分析 252

8.1　模態分析概論 253

8.2　模態分析的基本步驟 253

8.2.1　建立模型 253

8.2.2　加載及求解 253

8.2.3　擴展模態 256

8.2.4　觀察結果和後處理 258

8.3　綜合實例——結構模態分析 258

8.3.1　問題描述 259

8.3.2　建立模型 259

8.3.3　進行模態設置、定義邊界條件並求解 275

8.3.4　查看結果 277

8.3.5　命令流 280

8.4　綜合實例——小發電機轉子模態分析 281

8.4.1　問題描述 281

8.4.2　建立模型 281

8.4.3　進行模態設置、定義邊界條件並求解 285

8.4.4　查看結果 287

8.4.5　命令流 288

8.5　本章小結 288

第9章　諧響應分析 289

9.1　諧響應分析概論 290

9.1.1　完全法 290

9.1.2　減縮法 291

9.1.3　模態疊加法 291

9.1.4　3種方法的共同局限性 291

9.2　諧響應分析的基本步驟 292

9.2.1　建立模型（前處理） 292

9.2.2　加載和求解 292

9.2.3　觀察模型（後處理） 297

9.3　綜合實例——懸臂梁諧響應分析 298

9.3.1　問題描述 299

9.3.2　建立模型 299

9.3.3　定義邊界條件並求解 303

9.3.4　查看結果 309

9.3.5　命令流 311

9.4　綜合實例——吉他的諧響應分析 311

9.4.1　問題描述 312

9.4.2　建立模型 312

9.4.3　定義邊界條件並求解 316

9.4.4　查看結果 323

9.4.5　命令流 326

9.5　本章小結 326

第 10章　非線性分析 327

10.1　 非線性分析概論 328

10.1.1　非線性行為的原因 328

10.1.2　非線性分析的基本信息 329

10.1.3　幾何非線性 331

10.1.4　材料非線性 332

10.1.5　其他非線性問題 335

10.2　非線性分析的基本步驟 335

10.2.1　前處理（建模和分網） 335

10.2.2　設置求解控制器 336

10.2.3　設定其他求解選項 338

10.2.4　加載 339

10.2.5　求解 339

10.2.6　後處理（觀察模型） 339

10.3　綜合實例—螺栓的蠕變分析 341

10.3.1　問題描述 341

10.3.2　建立模型 341

10.3.3　設置分析並求解 343

10.3.4　查看結果 346

10.3.5　命令流 348

10.4　綜合實例—鉚釘的沖壓分析 348

10.4.1　問題描述 349

10.4.2　建立模型 349

10.4.3　定義邊界條件並求解 355

10.4.4　查看結果 357

10.4.5　命令流 360

10.5　本章小結 360

第 11章　結構屈曲分析 361

11.1　結構屈曲概論 362

11.2　結構屈曲分析的基本步驟 362

11.2.1　前處理 362

11.2.2　獲得靜力解 362

11.2.3　獲得特徵值屈曲解 363

11.2.4　擴展解 364

11.2.5　後處理（觀察結果） 365

11.3　綜合實例—薄壁圓筒屈曲分析 366

11.3.1　問題描述 366

11.3.2　建立模型 366

11.3.3　求解 369

11.3.4　查看結果 372

11.3.5　命令流 372

11.4　綜合實例—桁架結構屈曲分析 373

11.4.1　問題描述 373

11.4.2　建立模型 373

11.4.3　求解 377

11.4.4　查看結果 380

11.4.5　命令流 385

11.5　本章小結 385

第 12章　譜分析 386

12.1　譜分析概論 387

12.1.1　響應譜 387

12.1.2　動力設計分析方法 387

12.1.3　功率譜密度 387

12.2　譜分析的基本步驟 387

12.2.1　前處理 387

12.2.2　模態分析 388

12.2.3　獲取譜分析 388

12.2.4　擴展模態 390

12.2.5　合並模態 391

12.2.6　後處理 392

12.3　綜合實例—支撐平板的動力效果分析 393

12.3.1　問題描述 394

12.3.2　建立模型 394

12.3.3　進行分析 400

12.3.4　後處理 408

12.3.5　命令流 411

12.4　本章小結 411

第 13章　瞬態動力學分析 412

13.1　瞬態動力學概論 413

13.1.1　完全法 413

13.1.2　減縮法 413

13.1.3　模態疊加法 414

13.2　瞬態動力學的基本步驟 414

13.2.1　前處理（建模和分網） 414

13.2.2　建立初始條件 415

13.2.3　設定求解控制器 415

13.2.4　設定其他求解選項 417

13.2.5　施加載荷 417

13.2.6　設定多載荷步 418

13.2.7　瞬態求解 419

13.2.8　後處理 419

13.3　綜合實例——振動系統瞬態動力學分析 421

13.3.1　問題描述 422

13.3.2　建立模型 423

13.3.3　進行模態分析 427

13.3.4　進行瞬態動力學分析設置、定義邊界條件並求解 428

13.3.5　查看結果 431

13.3.6　命令流實現 433

13.4　綜合實例——哥倫布阻尼的自由振動分析 433

13.4.1　問題描述 434

13.4.2　建立模型 434

13.4.3　進行瞬態動力學分析設置、定義邊界條件並求解 437

13.4.4　查看結果 440

13.4.5　命令流 444

13.5　本章小結 444

第 14章　接觸問題分析 445

14.1　接觸問題概論 446

14.1.1　一般分類 446

14.1.2　接觸單元 446

14.2　接觸分析的步驟 447

14.2.1　建立模型，並劃分網格 447

14.2.2　識別接觸對 448

14.2.3　定義剛性目標面 448

14.2.4　定義柔性接觸面 449

14.2.5　設置實常數和單元關鍵點 451

14.2.6　定義/控制剛性目標面的運動 452

14.2.7　施加必要的邊界條件 452

14.2.8　定義求解選項和載荷步 452

14.2.9　求解接觸問題 454

14.2.10　檢查結果 454

14.3　綜合實例—陶瓷套管的接觸分析 455

14.3.1　問題描述 455

14.3.2　建立模型並劃分網格 455

14.3.3　定義邊界條件並求解 461

14.3.4　後處理 465

14.3.5　命令流 468

14.4　本章小結 468

第 15章　高級分析 469

15.1　自適應網格劃分 470

15.1.1　自適應網格劃分的條件 470

15.1.2　自適應網格劃分的過程 470

15.2　綜合實例——平板受熱分析 472

15.2.1　問題描述 472

15.2.2　建立模型 473

15.2.3　定義邊界條件並求解 476

15.2.4　查看結果 478

15.2.5　命令流 479

15.3　子模型 479

15.3.1　子模型介紹 479

15.3.2　子模型方法 479

15.3.3　子模型過程 480

15.4　參數化設計語言 483

15.4.1　參數化設計語言的介紹 483

15.4.2　參數化設計語言的功能 483

15.5　綜合實例——懸臂梁 485

15.5.1　問題描述 486

15.5.2　建立模型 486

15.5.3　定義邊界條件並求解 488

15.5.4　命令流 490

15.6　本章小結 490