ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用.pdf

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《ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用概述 》是水利水电出版社2013年出版的图书,作者是张洪伟、高相胜、张庆余。

书    名ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用作    者张洪伟、高相胜、张庆余出版社中国水利水电出版社出版时间2013年4月页    数303 页定    价49 元ISBN9787517003809

目录

1 内容简介

2 图书目录

内容简介编辑 

本书以ANSYS 14.平台为基础,主要针对ANSYS中几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性以及状态非线性基础理论和工程应用进行系统讲解。本书最大特色在于,以最新版本ANSYS 14.为平台,将非线性有限元理论和软件操作结合,着重从力学基本概念及工程应用结合的角度

《ANSYS核心产品系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用》*特色在于以ANSYS14.0为平台,将非线性有限元理论和软件操作结合,着重从力学基本概念及工程应用结合的角度系统讲解相关技术。

《ANSYS核心产品系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用》具体介绍ANSYS14.0非线性有限元方法的工程应用,在每章通过实例讲解非线性力学理论及其在ANSYS中的具体实现;系统讲解软件操作步骤,有限元模拟过程及相关注意事项;结合范例,由浅入深讲解非线性有限元的基本思想,帮助用户积累实际操作经验。本书主要内容包括典型的几何非线性、材料非线性、接触非线性等,并包含其他书籍中难以见到的关键技术,如单元积分方案选择、锁定问题处理、MPC接触算法、材料界面剥离功能等,使读者真正理解非线性有限元的相关概念及在ANSYS中的具体实现。

书中范例尽量兼顾科研及工程计算两方面,满足不同读者的需求。

《ANSYS核心产品系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用》适用于机械、航空航天、土木专业的高年级本科生、研究生和工程技术人员,并可作为学习掌握ANSYS软件的参考教材。通过本书的详细讲解,读者不但可以熟练掌握软件的相关操作,而且能深刻理解ANSYS非线性有限元的工程应用。 

图书目录编辑


前言

从20世纪50年代发展至今,有限元方法已经成为计算力学和计算工程科学领域里最为有效的计算方法,给工程、科学以至人类社会带来急剧的革命性的变化,而且已经开发了一批通用和专用的有限元软件,其应用日益广泛,已经渗入到各个工程行业研发的各个环节,已由辅助的验证工具转变为驱动产品创新的重要引擎,并且已从最初的固体力学和结构分析领域扩展到流体力学、电磁、温度和声学等领域,从简单的静力分析发展到非线性分析、动力分析、多物理场耦合分析等复杂计算。

ANSYS软件是一款集结构、热、流体、电磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,具有多物理场耦合功能,允许在同一模型上进行各种各样的耦合计算。它是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件,可广泛应用于机械制造、汽车、造船、石油化工、航空航天、国防军工、电子、土木工程、能源、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。

本书以ANSYS 14.0为平台,从力学基本概念及工程应用结合的角度系统讲解非线性相关技术,强调非线性有限元方法的工程应用和融会贯通,使读者能够应用非线性有限元方法求解材料非线性、几何大变形和接触这些非线性力学问题,力求在软件平台ANSYS实践的基础上,提高工程结构中非线性计算和仿真能力,促进非线性有限元的教学和科研水平。

全书共分为9章,第1章介绍非线性问题的基本理论、ANSYS非线性问题的求解和ANSYS 14.0的新功能;第2章介绍非线性有限元求解技术及非线性分析相关建议;第3章介绍非线性分析单元技术,包括实体单元、板壳单元和梁单元,介绍了剪切锁定和体积锁定问题及锁定问题的处理方案;第4章介绍几何非线性问题的求解;第5章介绍材料非线性问题的求解;第6章介绍接触非线性问题的求解;第7章介绍高级接触分析功能;第8章介绍单元生死技术;第9章介绍复合材料分析。本书案例丰富,每一章均提供了具体应用范例,在讲解过程中,结合了图形用户界面操作和命令流操作两种模式,每个实例均提供了详细的GUI操作路径和APDL命令流,读者可以根据自己的需要进行选择。

本书适用于机械、航空航天、土木专业的高年级本科生、研究生和工程技术人员,同时可以作为高校学生学习掌握ANSYS软件非线性分析应用的参考教材。

本书由张洪伟、高相胜、张庆余编著,感谢北京石油化工学院机械工程学院各位同事的支持,感谢北京航空航天大学同门师兄弟的鼓励和帮助,感谢空军航空大学飞行器与动力系各位老师的帮助。在本书的写作过程中,得到了安世亚太科技股份有限公司及其很多员工的支持和帮助。参加本书编写的还有姬宜朋、席军、董晓慧、白贤灵、闫秀柱、陈书军、肖凯、王庆、张波、吕田、马勇杰、吴琼等人。在本书创作期间,中国水利水电出版社老师给予了大力支持,正是他们的辛苦付出,才使得本书在第一时间与读者见面。在此,作者向所有参与和关心本书出版的领导、老师、亲人和朋友致以诚挚的谢意。

由于时间仓促及作者水平有限,难免存在错误和纰漏之处,敬请广大读者批评指正。



第1章 ANSYS非线性问题概述 1
1.1 非线性有限元基本理论 1
1.1.1 弹塑性本构关系 1
1.1.2 大变形几何关系 2
1.1.3 接触非线性问题 4
1.2 ANSYS非线性有限元的功能特点 5
1.3 ANSYS 14.0新功能介绍 9
第2章 非线性有限元求解技术 13
2.1 非线性求解算法 13
2.1.1 牛顿-拉普森求解 13
2.1.2 迭代过程 15
2.1.3 收敛准则 16
2.2 载荷步与子步 17
2.2.1 基本概念 17
2.2.2 阶跃载荷与渐变载荷 18
2.3 非线性稳定性方案 18
2.4 计算流程及如何获得收敛解 22
2.4.1 非线性分析的建议 22
2.4.2 非线性分析的相关选项 23
第3章 非线性分析单元技术 27
3.1 连续实体单元 27
3.1.1 连续体单元概述 27
3.1.2 ANSYS 14.0中常用实体单元介绍 28
3.2 壳单元 29
3.2.1 壳单元概述 29
3.2.2 ANSYS 14.0中SHELL181/SHELL281
单元介绍 30
3.3 梁单元 30
3.3.1 梁单元概述 30
3.3.2 BEAM188/BEAM189单元的定义 31
3.3.3 BEAM188/BEAM189单元的网格
划分及载荷施加 32
3.3.4 BEAM188/BEAM189单元的后处理 33
3.4 剪切和体积锁定问题 33
3.4.1 剪切锁定 34
3.4.2 体积锁定 34
3.5 单元公式及锁定问题处理 36
3.5.1 选择缩减积分(B-bar方法) 36
3.5.2 一致缩减积分 36
3.5.3 增强应变积分 37
3.5.4 简单增强应变积分 38
3.5.5 混合 U-P 公式 38
3.6 非线性分析单元选择建议 38
3.6.1 一般原则 38
3.6.2 线性分析和小应变非线性分析 38
3.6.3 有限应变非线性分析 39
3.7 实例:超弹性悬臂梁不同单元公式
非线性分析 39
3.7.1 问题描述 39
3.7.2 数值模拟过程(GUI方法) 39
第4章 几何非线性与屈曲分析 47
4.1 几何非线性分析 47
4.1.1 大应变效应 47
4.1.2 应力和应变度量 48
4.1.3 大位移/大转动(小应变) 49
4.1.4 应力刚化 49
4.1.5 旋转软化 50
4.2 几何非线性分析实现及提示 50
4.2.1 建模策略 50
4.2.2 网格质量检查 51
4.2.3 求解选项 51
4.2.4 加载和边界条件 51
4.2.5 后处理 51
4.3 屈曲分析 52
4.3.1 屈曲分析概述 52
4.3.2 特征值屈曲 52
4.3.3 特征值屈曲分析的步骤 53
4.4 非线性屈曲分析 57
4.4.1 非线性屈曲分析 57
4.4.2 非线性后屈曲分析 59
4.5 实例:超弹性材料拉伸试件的
大变形分析 60
4.5.1 问题描述 60
4.5.2 数值模拟过程(GUI操作过程) 60
4.6 实例:拱结构的线性屈曲分析 67
4.6.1 问题描述 67
4.6.2 数值模拟过程(GUI操作过程) 67
4.7 实例分析:受集中载荷薄壳的失稳分析 72
4.7.1 问题描述 72
4.7.2 数值模拟过程(GUI方法) 72
第5章 材料非线性分析 77
5.1 材料非线性分析概述 77
5.2 塑性理论介绍 77
5.2.1 屈服准则 78
5.2.2 流动准则 81
5.2.3 强化准则 81
5.2.4 常用塑性材料本构关系 82
5.2.5 循环强化和循环软化 86
5.2.6 棘轮和调整效应 87
5.2.7 ANSYS 对塑性过程的考虑 88
5.3 蠕变分析 90
5.3.1 蠕变现象 90
5.3.2 一般蠕变方程 91
5.3.3 隐式蠕变过程 93
5.3.4 显式蠕变过程 95
5.3.5 ANSYS 蠕变分析的求解过程 100
5.3.6 隐式蠕变与显式蠕变的比较 102
5.4 DP材料模型 102
5.4.1 DP材料简介 102
5.4.2 DP材料定义及求解 103
5.5 混凝土材料模型 104
5.5.1 混凝土材料简介 104
5.5.2 混凝土材料定义及求解 105
5.6 超弹性材料 105
5.6.1 超弹性材料背景 105
5.6.2 超弹性材料本构模型 107
5.6.3 求解过程 111
5.7 实例:超弹性O形密封圈变形及
应力分析 112
5.7.1 问题的描述 112
5.7.2 数值模拟过程(GUI操作) 113
5.7.3 命令流 118
5.8 实例:带槽口平板的棘轮行为分析 120
5.8.1 问题的描述 120
5.8.2 数值模拟过程(GUI操作) 121
5.9 实例:铝合金毛坯自然时效分析 130
5.9.1 问题的描述 130
5.9.2 数值模拟过程(GUI操作) 130
5.9.3 命令流 134
第6章 接触非线性分析 137
6.1 接触非线性分析概念 137
6.2 接触类型及接触单元 139
6.2.1 接触分类 139
6.2.2 接触单元 139
6.2.3 接触对的建立 142
6.2.4 接触向导 143
6.3 接触分析基本参数设置 145
6.3.1 接触刚度 145
6.3.2 接触算法 146
6.3.3 穿透容差 148
6.3.4 接触行为 148
6.3.5 球形域 149
6.3.6 接触探测 151
6.4 摩擦 153
6.4.1 摩擦机制 153
6.4.2 库仑摩擦 153
6.4.3 摩擦参数定义 154
6.5 接触分析高级选项 155
6.5.1 控制节点 155
6.5.2 初始接触状态调整 156
6.5.3 对称接触/非对称接触 159
6.5.4 接触诊断工具 160
6.6 面-面接触 161
6.6.1 应用面-面接触单元 161
6.6.2 接触分析的步骤 161
6.6.3 建立几何模型并划分网格 161
6.6.4 识别接触对 162
6.6.5 指定接触面和目标面 162
6.6.6 定义目标面 163
6.6.7 定义柔体的接触面 167
6.6.8 设置实常数和单元关键选项 169
6.6.9 控制刚性目标面的运动
(刚体-柔体接触) 180
6.6.10 热接触模拟 181
6.6.11 给柔体单元加必要的边界条件 183
6.6.12 定义求解和载荷步选项 183
6.6.13 求解 185
6.6.14 检查结果 185
6.7 点-面接触 188
6.7.1 使用点-面接触单元 188
6.7.2 点-面接触分析的步骤 188
6.8 点-点接触 199
6.8.1 建立几何实体及分网 200
6.8.2 生成接触单元 200
6.8.3 定义接触的法线方向 201
6.8.4 定义初始过盈或间隙 202
6.8.5 选择接触算法 202
6.8.6 施加必要的边界条件 203
6.8.7 定义求解选项 203
6.8.8 求解 204
6.8.9 检查结果 205
6.9 装配体接触分析 205
6.10 接触分析建议 206
6.10.1 接触对的定义 206
6.10.2 接触参数设置 206
6.10.3 收敛困难原因 206
6.11 实例:厚壁圆筒套装的过盈分析 207
6.11.1 问题的描述 207
6.11.2 数值模拟过程(GUI操作) 207
6.11.3 求解过程(命令流) 212
6.12 实例:两等长圆柱体赫兹接触分析 214
6.12.1 问题的描述 214
6.12.2 数值模拟过程(GUI操作) 214
6.12.3 求解过程(命令流) 225
6.13 实例:管夹装配体的接触分析 227
6.13.1 问题的描述 227
6.13.2 数值模拟过程(GUI操作) 227
第7章 高级接触功能 234
7.1 MPC方法简介 234
7.2 MPC方法应用 235
7.2.1 连接非协调网格 235
7.2.2 连接不同单元类型 235
7.2.3 施加远处载荷 236
7.3 实体-板壳单元MPC连接技术 237
7.3.1 实体/实体接触 237
7.3.2 壳体/壳体接触基本过程 237
7.3.3 实体/壳体接触基本过程 238
7.4 实体-梁与板壳-梁MPC连接技术 238
7.4.1 实体-梁连接 238
7.4.2 壳体-梁连接 239
7.5 施加表面约束载荷 240
7.6 实例:梁对实体的多点约束接触分析 241
7.6.1 问题描述 241
7.6.2 数值模拟过程(GUI方法) 241
7.7 实例:筒体与斜接管接头应力分析 247
7.7.1 问题描述 247
7.7.2 数值模拟过程(GUI方法) 247
第8章 单元生死技术 259
8.1 单元生死背景 259
8.2 单元生死实现过程 260
8.2.1 单元生死的工作原理 260
8.2.2 单元生死的实现过程 260
8.2.3 使用ANSYS结果控制单元生死 262
8.2.4 进一步说明 263
8.2.5 单元生死应用实例1 264
8.2.6 单元生死应用实例2—地铁开挖
过程模拟 269
第9章 复合材料分析 277
9.1 复合材料分析技术 277
9.1.1 单元理论和技术 277
9.1.2 复合材料单元 281
9.1.3 定义材料的叠层结构 283
9.2 失效准则及分析过程中的相关建议 285
9.2.1 定义失效准则 285
9.2.2 应遵循的建模和后处理规则 288
9.3 新增Debonding模拟材料分离行为 290
9.3.1 Debonding功能概述及分析步骤 290
9.3.2 接触单元 291
9.3.3 粘结区材料模型 291
9.4 实例:粘结材料的界面开裂分析 291
9.4.1 问题的描述 291
9.4.2 数值模拟过程(GUI操作) 292
9.5 实例:复合材料工字梁的承载分析 297
9.5.1 问题的描述 297
9.5.2 数值模拟过程(GUI操作) 297
9.5.3 命令流 301
参考文献 304



节选段落一:
1.2 ANSYS 非线性有限元的功能特点
1.3 ANSYS 14.0新功能介绍
第2章 非线性有限元求解技术
2.1非线性求解算法
2.1.1牛顿-拉普森求解
2.1.2迭代过程
2.1.3收敛准则
2.2载荷步与子步
2.2.1基本概念
2.2.2阶跃载荷与渐变载荷
2.3非线性稳定性方案
2.4计算流程及如何获得收敛解
2.4.1非线性分析的建议
2.4.2非线性分析的相关选项
第3章 非线性分析单元技术
3.1连续实体单元
3.1.1连续体单元概述
3.1.2 ANSYS 14.0中常用实体单元介绍
3.2壳单元
3.2.1壳单元概述


节选段落二:
3.2.2 ANSYS 14.0中SHELL181/SHELL281单元介绍
3.3梁单元
3.3.1梁单元概述
3.3.2 BEAM188/BEAM189单元的定义
3.3.3 BEAM188/BEAM189单元的网格划分及载荷施加
3.3.4 BEAM188/BEAM189单元的后处理
3.4剪切和体积锁定问题
3.4.1剪切锁定
3.4.2体积锁定
3.5单元公式及锁定问题处理
3.5.1选择缩减积分(B-bar方法)
3.5.2一致缩减积分
3.5.3增强应变积分
3.5.4简单增强应变积分
3.5.5混合U-P公式
3.6非线性分析单元选择建议


节选段落三:
对塑性过程的考虑
5.3蠕变分析
5.3.1蠕变现象
5.3.2一般蠕变方程
5.3.3隐式蠕变过程
5.3.4显式蠕变过程
5.3.5 ANSYS蠕变分析的求解过程
5.3.6隐式蠕变与显式蠕变的比较
5.4 DP材料模型
5.4.1 DP材料简介
5.4.2 DP材料定义及求解
5.5混凝土材料模型
5.5.1混凝土材料简介
5.5.2混凝土材料定义及求解
5.6超弹性材料
5.6.1超弹性材料背景
5.6.2超弹性材料本构模型
5.6.3求解过程
5.7实例:超弹性O形密封圈变形及应力分析
5.7.1问题的描述
5.7.2数值模拟过程(GUI

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