內容簡介
ANSYS 作為大型通用有限元分析軟體，已經廣泛套用於機電、土木、航天等工業領域。本書是作者在使用ANSYS軟體解決實際工程問題基礎上，參考有關文獻資料後編寫完成的。
在內容編排上，本書基於ANSYS 12.0的最新版本，重點介紹了有限元分析的理論基礎、ANSYS 12.0有限元分析流程、實體建模、格線劃分、施載入荷、求解、通用後處理、時間歷程後處理、靜力學分析、結構動力學分析、結構非線性分析、熱力學分析、ANSYS Workbench集成環境等內容。本書圍繞ANSYS軟體的功能講解，可以幫助讀者理解如何根據問題的性質，利用ANSYS進行有限元分析。附錄給出了使用ANSYS經常遇到的一些問題，可以幫助讀者少走彎路，提高學習效率和更好地掌握ANSYS的使用技巧。本書配套光碟提供了每章內容的PPT講稿、實例操作錄像檔案和ANSYS實例檔案。
本書不僅適合高等學校理工類高年級本科生或研究生學習ANSYS 12.0有限元分析軟體的教材，還可供從事結構分析的工程技術人員參考使用，同時書中提供的大量實例也可供高級用戶參考。
作 者 簡 介
丁毓峰博士，武漢理工大學副教授。中國機械工程學會高級會員。2008—2009年在加拿大多倫多大學機械系做訪問學者。主要從事製造自動化和信息化的研究，使用ANSYS軟體對機電產品進行分析和最佳化研究。近5年主持和參與了包括國家自然科學基金重點項目、湖北省國際合作重點項目、武漢市科技攻關計畫等項目10餘項。撰寫專著2部，獲得計算機著作權登記5項，申請發明專利2項，發表論文60餘篇。成果先後獲得湖北省科學技術進步獎，武漢市科學技術進步獎和第11屆湖北省自然科學優秀學術論文獎。
前 言
隨著國內經濟的快速發展，中國企業正逐步從中國製造向中國創造轉變。中國創造的核心就是提高企業的自主創新能力。目前很多企業為了進一步提升自主創新能力，開始使用有限元分析軟體對產品進行分析建模和仿真，力圖在設計階段就發現創新產品的問題，從而降低產品成本，提高企業的創新能力。作為國內外套用最為廣泛的有限元分析軟體，ANSYS已經在國內擁有一定數量的用戶。但是作為初學者，往往會對ANSYS的強大功能感到不知所措，不知如何開始學習或者開展自己的分析工作。本書遵循循序漸進的原則，幫助初學者在短期內學習並掌握ANSYS公司的新版本ANSYS 12.0的使用方法。
本書的特點
本書的主要特點如下。
內容全面新穎，實例豐富，講述循序漸進，套用領域廣泛。通過學習，讀者可逐步提高自身的ANSYS操作水平及利用有限元分析理論進行結構分析的能力，最終具備在結構分析領域解決實際工程問題的思路、方法和能力。
本書對於ANSYS傳統模式和新集成環境Workbench的基礎知識和功能使用介紹得非常詳細，幾乎涵蓋了ANSYS套用的所有分析類型，使讀者閱讀完本書就能夠使用ANSYS進行產品分析。
本書編寫時採用了目前最新的ANSYS 12.0版本，所涉及的知識也都是基於最新版本進行介紹的，在講解分析過程中，結合了圖形用戶界面（GUI）操作和命令行操作兩種模式，讀者可以根據自己的需要進行選擇。
本書的主要內容
不管對什麼類型進行分析，使用ANSYS進行有限元分析的流程是類似的，本書的章節就是按照分析流程進行組織的，主要內容如下。
第1章：介紹了ANSYS軟體的理論基礎——有限單元法，ANSYS 12.0新功能的特點，ANSYS 12.0的安裝過程。
第2章：介紹了ANSYS分析基本過程，以及分析過程中經常會使用到的一些命令。
第3章：介紹了ANSYS中建立實體模型的兩種方法，包括通過中間檔案格式導入實體模型和在ANSYS前處理器中直接建模的方法。
第4章：介紹了自由格線和映射格線的基本概念、格線劃分的主要指導思想、格線劃分的基本方法、單元屬性的設定方法、格線劃分過程和格線劃分的控制方法等內容。
第5章：介紹了載荷的基本概念，載荷步、子步和疊代的概念，載荷的分類，載入方法，載入控制，如何針對不同的分析類型完成載荷的載入過程。
第6章：介紹了ANSYS求解類型、求解過程，並給出了求解實例。
第7章：介紹了ANSYS通用後處理器，包括通用後處理器概述、如何將結果檔案導入到ANSYS12、如何設定結果輸出方式與圖形顯示方式、圖形顯示計算結果等內容。
第8章：介紹了時間-歷程後處理器的使用方法。
第9章：介紹了平面應力、應變問題、軸對稱問題，以及梁、桁架、殼等模型的分析問題，結合實例進行了具體的分析求解。
第10章：介紹了結構動力學分析的概念和基本過程、運用ANSYS 軟體對模態分析、諧回響分析、瞬態動力學分析和譜分析等各種動力學的實際問題進行分析的過程。
第11章：介紹了非線性分析基本過程、非線性分析常用的幾種類型的分析過程，常用的類型包括結構非線性分析、幾何非線性分析、材料非線性分析、狀態非線性分析等。
第12章：介紹了熱分析的基本概念、傳熱學經典理論、3種基本熱傳遞方式等熱分析基礎知識；還介紹了熱-結構耦合分析、熱-應力耦合分析的內容和過程。
第13章：介紹了如何在Workbench集成環境中，將整個仿真流程的建立模型、劃分格線、求解和查看結果更加緊密地組合在一起，實現複雜的多物理場分析流程。
本書讀者對象
ANSYS入門與進階人員；
從事結構分析的工程技術人員；
ANSYS有限元分析研究人員；
大、中專院校相關專業的學生和老師。
本書作者
本書主要由丁毓峰編著，其他參與編寫工作的還有甘霖、潘遷、李建峰、李龍海、龔力、房偉、高會東、姜濤、李容、劉輝、劉開慶、呂輝、姚志娟等。
編寫過程中參考了多種同類教材、專著，在此向參考文獻與資料的編、著者表示衷心感謝！由於時間倉促，作者的水平有限，本書難免有一些錯誤和不足之處，歡迎廣大讀者給予批評和指正。讀者在閱讀本書過程中如遇到問題或者有相關建議，我們將及時進行反饋。
編著者
目 錄
第1章 有限單元法和ANSYS簡介 15
本章主要介紹有限單元法的基本思想、有限單元法的基本模型，以及使用有限單元法進行產品分析的基本步驟。ANSYS作為套用最廣泛的有限元分析軟體之一，已經發展到12.0版本。本章介紹了ANSYS 12.0新功能和特點、ANSYS 12.0的安裝和配置、ANSYS 12.0主選單、ANSYS 12.0幫助系統等內容。
1.1 有限單元法簡介 15
1.1.1 有限單元法的基本思想 15
1.1.2 有限單元法的基本模型 17
1.1.3 有限單元法的分析步驟 18
1.2 ANSYS功能和特點 19
1.2.1 ANSYS的發展歷程 19
1.2.2 ANSYS的主要功能 20
1.2.3 ANSYS 12.0版本的新特點 22
1.3 ANSYS 12.0的安裝和配置 25
1.3.1 ANSYS 12.0的安裝 26
1.3.2 ANSYS 12.0的啟動 32
1.3.3 ANSYS 12.0的運行環境配置 33
1.4 ANSYS程式結構 33
1.4.1 ANSYS檔案格式 33
1.4.2 處理器 34
1.4.3 圖形輸入 34
1.4.4 分析檔案類型 34
1.5 ANSYS 12.0用戶界面基本組成 34
1.5.1 啟動ANSYS 12.0用戶界面 34
1.5.2 對話框及其控制項 35
1.6 ANSYS 12.0通用選單 37
1.7 輸入視窗 38
1.8 ANSYS 12.0主選單簡介 38
1.9 工具條 39
1.10 輸出視窗（OUTPUT WINDOW） 40
1.11 圖形視窗（GRAPHICS WINDOW） 40
1.12 個性化界面 42
1.13 ANSYS 12.0幫助系統 43
1.14 小結 44
第2章 ANSYS分析基本過程 45
本章主要介紹包括分析問題、創建有限元模型、施載入荷進行求解和查看結果的典型ANSYS分析過程，以及在分析過程中經常會使用到的一些命令。最後通過一個工字鋼懸臂樑的分析實例演示了ANSYS的分析流程。
2.1 分析問題 45
2.2 建立有限元模型 46
2.2.1 建立和修改工作檔案名稱或標題 47
2.2.2 定義單元類型 47
2.2.3 定義材料特性數據 49
2.2.4 創建實體模型 49
2.2.5 對實體模型進行格線劃分 49
2.3 施載入荷 50
2.3.1 定義分析類型和設定分析選項 50
2.3.2 施載入荷 51
2.4 進行求解 52
2.4.1 求解器的類別 52
2.4.2 求解檢查 53
2.4.3 求解的實施 53
2.4.4 求解會碰到的問題 54
2.5 後處理 54
2.6 分析過程中常用到的命令 55
2.6.1 起始層命令 55
2.6.2 前處理命令 55
2.6.3 求解命令 56
2.6.4 一般後處理命令 57
2.7 工字鋼懸臂樑分析實例 58
2.7.1 分析問題 58
2.7.2 建立有限元模型 59
2.7.3 施載入荷 62
2.7.4 進行求解 63
2.7.5 後處理 64
2.8 小結 66
第3章 建立實體模型 67
本章主要介紹如何通過IGES、SAT、STEP和PARASOLID等中間檔案格式或者圖形轉換界面，將CAD模型直接導入至ANSYS中。
3.1 實體建模概述 67
3.2 導入CAD軟體創建的實體模型 68
3.2.1 圖形交換數據格式 68
3.2.2 IGES格式實體的導入 68
3.2.3 SAT格式實體的導入 70
3.2.4 Parasolid格式實體的導入 71
3.2.5 STEP格式的導入 71
3.2.6 導入SolidWorks中創建的葉片模型 72
3.2.7 導入UG繪製的軸承模型 73
3.2.8 導入SolidEdge中繪製的聯軸器模型 74
3.3 對輸入模型的修改 75
3.4 ANSYS環境內直接建模方法 75
3.4.1 自上而下創建幾何模型 75
3.4.2 自下而上建模幾何模型 76
3.5 坐標系簡介 76
3.5.1 總體和局部坐標系 76
3.5.2 顯示坐標系 79
3.5.3 節點坐標系 82
3.5.4 單元坐標系 83
3.5.5 結果坐標系 84
3.6 工作平面的使用 84
3.6.1 定義一個新的工作平面 85
3.6.2 控制工作平面的顯示和樣式 85
3.6.3 移動工作平面 85
3.6.4 旋轉工作平面 86
3.6.5 還原一個已定義的工作平面 86
3.6.6 工作平面的高級用途 87
3.7 自底向上創建幾何模型 90
3.7.1 關鍵點 90
3.7.2 硬點 92
3.7.3 幾何元素——線 95
3.7.4 幾何元素——面 102
3.7.5 幾何元素——體 107
3.8 自頂向下創建幾何模型 114
3.8.1 創建面體素 114
3.8.2 創建實體體素 116
3.9 使用布爾操作來構建複雜幾何模型 119
3.9.1 布爾運算的設定 119
3.9.2 布爾運算之後的圖元編號 120
3.9.3 交運算 120
3.9.4 兩個實體相交操作 122
3.9.5 兩個實體相加操作 122
3.9.6 兩個實體相減操作 124
3.10 小結 125
第4章 有限元格線劃分與模型建立 126
本章將講解自由格線和映射格線的基本概念、有限元格線劃分的主要指導思想、有限元格線劃分的基本方法、有限元單元屬性的設定方法、有限元格線劃分過程和有限元格線劃分的控制方法等內容，最後給出了軸承座零件劃分格線的實例。
4.1 格線類型和套用場合 126
4.2 有限元格線劃分的主要指導思想 128
4.3 有限元格線劃分的基本方法 129
4.4 有限元單元屬性的設定 130
4.4.1 選擇單元類型 130
4.4.2 單元設定 132
4.4.3 材料屬性設定 132
4.4.4 單元坐標系設定 133
4.5 有限元格線劃分的控制方法 133
4.5.1 有限元格線劃分工具 134
4.5.2 選擇自由或映射格線劃分 134
4.5.3 單元屬性分配設定 135
4.5.4 單元尺寸控制 136
4.5.5 局部格線劃分控制 137
4.5.6 內部格線劃分控制 138
4.5.7 細化格線控制 139
4.5.8 格線質量控制 140
4.5.9 細小結構的格線劃分 140
4.6 實體模型的格線劃分 140
4.6.1 映射格線劃分方法 141
4.6.2 劃分實體模型 141
4.6.3 有限元模型的修改 142
4.7 直接生成有限元模型 144
4.7.1 節點 144
4.7.2 單元 150
4.7.3 通過節點和單元生成有限元模型 152
4.8 生成有限元模型實例 157
4.9 小結 168
第5章 施載入荷 169
本章在實體建立和格線劃分的基礎上，主要介紹了載荷的基本概念、載荷步、子步和疊代的概念、載荷的分類、載入方法、載入控制、如何針對不同的分析類型完成載荷的載入過程。
5.1 概述 169
5.1.1 載荷的定義 169
5.1.2 載荷施加的對象 170
5.1.3 載荷步、子步和平衡疊代 171
5.1.4 時間參數 171
5.2 載荷的初始設定 172
5.2.1 均布溫度和參考溫度 172
5.2.2 面載荷梯度 173
5.2.3 重複載入方式 173
5.2.4 設定載荷步選項 174
5.3 載荷的分類 175
5.3.1 自由度約束 175
5.3.2 集中力載荷 177
5.3.3 面載荷 178
5.3.4 體載荷 180
5.3.5 階躍載荷 181
5.3.6 坡道載荷 182
5.3.7 其他載荷 182
5.4 載荷的施加和操作 183
5.4.1 利用表格來施載入荷 183
5.4.2 利用函式來施載入荷 183
5.4.3 修改載荷 184
5.4.4 刪除載荷 184
5.4.5 其他操作 185
5.5 實例 186
5.5.1 單載荷步的施加 186
5.5.2 多載荷步的施加 188
5.6 小結 192
第6章 求解 193
本章主要介紹ANSYS的求解類型、求解控制和求解過程，並給出了求解實例。
6.1 求解設定 193
6.1.1 新分析 194
6.1.2 求解控制 194
6.2 求解過程處理 196
6.2.1 求解概述 196
6.2.2 求解當前載荷步 196
6.2.3 根據載荷步檔案求解 197
6.2.4 多載荷步求解 197
6.2.5 重新啟動分析 199
6.2.6 預測求解時間 201
6.3 實例 203
6.3.1 恢復檔案 203
6.3.2 求解 203
6.4 小結 204
第7章 通用後處理器 205
本章主要對後處理的基本概念、後處理可以處理的數據類型、圖形顯示分析計算結果及列表顯示計算結果的方法進行了介紹，最後給出了一個綜合實例。
7.1 概述 205
7.1.1 通用後處理器 206
7.1.2 時間－歷程後處理器 206
7.1.3 結果檔案讀入通用後處理器 207
7.1.4 查看結果數據集 208
7.1.5 設定結果輸出方式 208
7.1.6 設定圖形顯示方式 209
7.2 圖形顯示計算結果 209
7.2.1 結果查看器 210
7.2.2 查看和分析變形圖 210
7.2.3 查看和分析等值線圖 211
7.2.4 查看和分析矢量圖 213
7.2.5 基於單元表的結果圖形 214
7.2.6 載荷組合及其運算結果顯示 216
7.3 列表顯示計算結果 218
7.3.1 結果數據集匯總列表（Detailed Summary） 219
7.3.2 疊代匯總信息 （Iteration Summary） 219
7.3.3 排序列表（Sorted Listing） 220
7.4 綜合實例 220
7.4.1 單載荷步求解結果查看 221
7.4.2 多載荷步求解結果查看 224
7.5 小結 227
第8章 時間－歷程後處理器 228
本章主要介紹時間－歷程後處理器的概況和使用方法，最後給出使用實例。
8.1 概述 228
8.1.1 時間－歷程後處理器的作用 228
8.1.2 使用時間-歷程後處理器的基本步驟 230
8.2 進入時間－歷程後處理器 230
8.2.1 互動方式 230
8.2.2 批處理方式 232
8.3 時間－歷程變數觀察器 233
8.4 繪製時間-變數曲線 235
8.5 數據的輸入和輸出 236
8.5.1 數據的輸入 237
8.5.2 數據的輸出 237
8.6 綜合實例 238
8.6.1 恢復檔案 238
8.6.2 查看結果 239
8.7 小結 241
第9章 靜力學分析 242
本章將系統地介紹結構靜力學分析的內容，包括線性靜力學問題中各種類型的工程實例，如平面應力、應變問題，軸對稱問題，以及梁、桁架、殼等模型的分析問題，通過這些實例進行具體的分析求解，讓讀者能熟悉靜力學中各種模型的分析思路和求解方法，並掌握ANSYS分析靜力學問題的基本步驟。
9.1 靜力學分析簡介 242
9.1.1 靜力學分析類型 242
9.1.2 靜力學分析步驟 243
9.2 平面應力問題分析 244
9.2.1 問題描述 245
9.2.2 問題分析 245
9.2.3 求解過程和分析結果 246
9.3 平面應變問題分析 256
9.3.1 問題描述 257
9.3.2 問題分析 257
9.3.3 求解過程和分析結果 257
9.4 軸對稱問題分析 266
9.4.1 問題描述 266
9.4.2 問題分析 266
9.4.3 求解過程和分析結果 267
9.5 梁分析 275
9.5.1 問題描述 275
9.5.2 問題分析 276
9.5.3 求解過程和分析結果 276
9.6 桁架分析 282
9.6.1 問題描述 283
9.6.2 問題分析 283
9.6.3 求解過程和分析結果 283
9.7 殼分析 292
9.7.1 問題描述 293
9.7.2 問題分析 293
9.7.3 求解過程和分析結果 294
9.8 接觸分析 302
9.8.1 問題描述 302
9.8.2 問題分析 302
9.8.3 求解過程和分析結果 303
9.9 小結 325
第10章 結構動力學分析 326
本章主要介紹結構動力學分析基本過程、運用ANSYS 軟體對模態分析、諧回響分析、瞬態動力學分析和譜分析等各種動力學的實際問題進行分析的過程、步驟、技巧與方法。
10.1 結構動力學分析基本過程 326
10.1.1 模態分析 327
10.1.2 諧回響分析 330
10.1.3 瞬態動力學分析 333
10.1.4 譜分析 336
10.2 模態分析實例 340
10.2.1 問題描述 340
10.2.2 問題分析 340
10.2.3 求解過程和分析結果 340
10.3 諧回響分析 353
10.3.1 問題描述 353
10.3.2 問題分析 354
10.3.3 求解過程和分析結果 354
10.4 回響譜分析 364
10.4.1 問題描述 364
10.4.2 問題分析 365
10.4.3 求解過程和分析結果 365
10.5 瞬態動力學分析 374
10.5.1 問題描述 375
10.5.2 問題分析 375
10.5.3 求解過程和分析結果 375
10.6 小結 385
第11章 非線性分析 386
本章將介紹非線性分析基本過程，包括結構非線性分析、幾何非線性分析、材料非線性分析、狀態非線性分析等幾種典型的非線性分析的基本概念，針對每種分析類型結合實例詳細介紹了ANSYS中的非線性分析過程。
11.1 非線性分析基本過程 386
11.1.1 結構非線性分析 387
11.1.2 幾何非線性分析 387
11.1.3 材料非線性分析 388
11.1.4 狀態非線性分析 388
11.1.5 非線性分析步驟 388
11.2 幾何非線性分析 396
11.2.1 問題描述 397
11.2.2 問題分析 397
11.2.3 建立模型 398
11.2.4 定義邊界條件並求解 404
11.2.5 查看結果 406
11.3 材料非線性分析 410
11.3.1 問題描述 411
11.3.2 問題分析 411
11.3.3 建立模型 411
11.3.4 定義邊界條件並求解 416
11.3.5 查看結果 419
11.4 狀態非線性分析 422
11.4.1 問題描述 423
11.4.2 問題分析 423
11.4.3 建立模型 423
11.4.4 定義邊界條件並求解 430
11.4.5 查看結果 432
11.5 小結 437
第12章 熱分析 438
本章主要介紹熱分析的基本概念、傳熱學經典理論、三種基本熱傳遞方式等熱分析基礎知識、熱分析的基本過程；熱—結構耦合分析、熱—應力耦合分析內容和實例。
12.1 熱分析基礎知識 438
12.1.1 熱分析符號與單位 438
12.1.2 傳熱學經典理論 439
12.1.3 三種基本熱傳遞方式 439
12.1.4 熱分析材料基本屬性 441
12.1.5 邊界條件與初始條件 442
12.1.6 熱載荷 443
12.1.7 穩態與瞬態熱分析 444
12.1.8 線性與非線性熱分析 445
12.2 熱分析介紹 445
12.2.1 熱分析簡介 445
12.2.2 熱分析的類型 445
12.2.3 熱分析的基本過程 446
12.3 熱—結構耦合分析 447
12.3.1 問題描述 447
12.3.2 問題分析 448
12.3.3 建立模型 448
12.3.4 定義邊界條件並求解 456
12.3.5 查看結果 460
12.4 熱—應力耦合分析實例 464
12.4.1 問題描述 464
12.4.2 問題分析 464
12.4.3 建立模型 465
12.4.4 定義邊界條件並求解 471
12.4.5 查看結果 478
12.5 小結 480
第13章 ANSYS新界面WORKBENCH環境 481
本章主要介紹ANSYS新界面Workbench集成環境的基本情況，如何基於ANSYS 12.0版本的“項目視圖（Project Schematic View）”功能，將整個仿真流程的建立模型，劃分格線，求解和查看結果更加緊密的組合在一起，通過簡單的拖拽操作即可完成複雜的多物理場分析流程。
13.1 ANSYS WORKBENCH概述 481
13.1.1 ANSYS Workbench產品設計流程 482
13.1.2 ANSYS Workbench檔案格式 484
13.2 ANSYS WORKBENCH安裝和啟動配置 485
13.2.1 ANSYS 12.0 Workbench 啟動 485
13.2.2 ANSYS 12.0 Workbench 配置 486
13.2.3 ANSYS 12.0 Workbench幫助資源 488
13.3 靜力學分析實例 489
13.3.1 問題描述 489
13.3.2 問題分析 489
13.3.3 建立模型 489
13.3.4 定義邊界條件並求解 495
13.3.5 查看結果 498
13.4 結構動力學分析實例 500
13.4.1 問題描述 501
13.4.2 問題分析 501
13.4.3 建立模型 501
13.4.4 定義邊界條件並求解 506
13.4.5 查看結果 508
13.5 熱力學分析實例 508
13.5.1 問題描述 508
13.5.2 問題分析 509
13.5.3 建立模型 509
13.5.4 定義邊界條件並求解 512
13.5.5 查看結果 513
13.6 小結 515
附錄A ANSYS使用常見問題 516
