ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用（第二版）

第二版前言

  本书第一版出版以来，得到科研以及工程计算领域广大读者的认可。一些高校在有限元课程中已将本书用作ANSYS教学的辅助教材。很多读者在阅读了第一版之后，对本书提出了很多有价值的改进意见。有鉴于此，对原书进行了系统修订，具体包括以下方面：

（1）适当增加了ANSYS相关理论背景的介绍，介绍这部分内容时并不追求理论体系的完整性，而是集中力量有针对性地讲解与ANSYS分析技术直接相关的内容。

（2）结合软件更新了部分内容，例如，在ANSYS目前最新版本中已经不再有PLANE2单元，本次修订时对这类问题进行了适当的增删。增加了关于ANSYS产品的统一启动界面和 ANSYS Workbench仿真环境方面的一些简单内容。

（3）结合基本的力学概念，对书中例题的计算结果作了必要的分析和评价，有助于读者对相关问题有更深入的了解。例如，读者曾询问关于结构屈曲分析结果的意义等问题，因此本次修订对结构稳定性分析例题的计算结果进行了解释和说明。

（4）对程序操作方面的知识点多采用列表形式，以增加相关内容的系统性和条理性，使相关的章节更具可读性。

（5）重新设计了一些新的例题，例如，动力学专题部分的例题基本上都是重新设计的，这些例题的共同特点是结构形式不复杂，但是通过这些简单问题容易讲清楚动力学的基本概念。在梁分析中也针对各类梁单元列举了例题。

（6）删去了前一版过于简单的一些例题，适当增加了例题的总体复杂程度，每一章都有简单的问题和相对综合一些的问题。

（7）适当增加了一些软件操作技巧等方面的介绍。对于使用程序过程中可能出现的常见问题，在正文中以“注意”强调一些相关的要点。

（8）更正了第一版中的一些文字录入错误。

  本次修订在总体上保持了前一版中理论与实践紧密结合、操作过程详细、分析例题丰富等特点，并在组织内容的过程中同时照顾到科研以及工程计算两方面读者的需要。本书在结构上分为三篇，第1篇主要介绍相关背景原理以及各类ANSYS结构单元的使用方法，第2篇介绍ANSYS结构分析方面的一些专题性的内容，第3篇提供了一些有代表性的综合性分析例题。本书附录中收录了一些常用结构单元的形函数以及ANSYS结构分析命令等。

本次改版修订工作主要由尚晓江、邱峰、赵海峰等完成，本次修订工作是集体智慧的结果，第一版的部分原作者参与了相关章节的改写和文字校对工作，他们是李文颖、王化锋、魏久安、苏建宇、潘冠群、张永刚、刘金兴、卢靖、蒋迪、李德聪、袁志达、陈小亮、杨海波、杨伟、石伟兴、聂慧萍、张炯曦、史雪松、张永芳、宋谦、王惠平。参与修订和为  本版提供工程算例资料的还有梁兴、王海彦、刘永刚、徐建华、石彬彬、鲁小星等。此外，还要感谢中国水利水电出版社编辑人员为本书出版而付出的辛勤劳动。

  由于时间仓促和编者水平的局限，书中不当和错误之处在所难免，欢迎读者朋友批评指正。作者联系方式：shj_cas@sina.com。

第二版前言
第一版前言
第1篇  ANSYS结构有限元分析基础
第1章  ANSYS有限元分析基础 2
1.1  ANSYS程序的理论背景和分析功能综述 2
1.1.1  ANSYS程序的理论背景 2
1.1.2  结构有限元分析的基本过程与问题 4
1.1.3  ANSYS程序结构分析能力概述 11
1.2  ANSYS程序的基本使用入门（一） 14
1.2.1  使用ANSYS分析问题的一般流程 14
1.2.2  ANSYS的界面布局、程序架构及两种操作方式 19
1.2.3  最常用的ANSYS界面操作 23
1.3  ANSYS程序的基本使用入门（二） 32
1.3.1  直接法建立有限元模型 32
1.3.2  由几何模型到有限元网格——间接建模法 38
1.3.3  加载、多工况静力分析及后处理初步 45
1.4  APDL语言及参数化分析 53
1.5  ANSYS常见问题及操作技巧 61
1.5.1  与前后处理相关的问题 61
1.5.2  与加载相关的问题 63
1.5.3  获取函数、定制工具条及ANSYS的暂停 65
第2章  桁架杆系有限元分析及ANSYS实例 69
2.1  桁架杆系有限元分析的概念 69
2.2  可用于桁架分析的ANSYS单元 72
2.2.1  Link1单元特性简介 72
2.2.2  LINK8单元特性简介 73
2.2.3  LINK10单元特性简介 74
2.3  分析实例：平板网架结构的静力分析 77
第3章  梁系结构分析方法及ANSYS实例 87
3.1  梁系结构有限元分析提要 87
3.2  ANSYS中的梁单元概述 88
3.2.1  BEAM3单元特性介绍 88
3.2.2  BEAM4单元特性介绍 90
3.2.3  BEAM188和BEAM189梁单元特性简介 92
3.3  分析实例：ANSYS各类梁单元的综合应用 95
3.3.1  刚铰混合结构的内力图 95
3.3.2  三向交叉梁系的计算 103
3.3.3  施工防护结构中的承重桁架分析 108
第4章  弹性平面问题的有限元分析及ANSYS算例 133
4.1  弹性平面问题有限元分析的基本方法 133
4.2  ANSYS提供的平面问题单元 135
4.3  分析实例：独立重力坝的静力分析 138
第5章  轴对称问题的有限元分析及ANSYS算例 153
5.1  ANSYS轴对称问题分析提要 153
5.2  分析实例：厚球壳的轴对称分析 154
第6章  三维实体结构的ANSYS分析及算例 166
6.1  三维实体结构ANSYS有限元分析提要 166
6.2  分析实例：网架焊接空心球节点的受力分析 167
第7章  板壳结构的ANSYS分析及算例 190
7.1  板壳结构ANSYS有限元分析提要 190
7.2  分析实例：圆柱壳屋面结构的静力分析 192
7.3  分析实例：板梁结构中梁截面的偏置 200
第2篇  ANSYS结构分析专题
第8章  ANSYS结构动力分析专题 210
8.1  ANSYS结构动力分析概述 210
8.1.1  模态分析及其ANSYS实现过程 210
8.1.2  谐响应分析 214
8.1.3  瞬态动力学分析 219
8.1.4  谱分析 225
8.2  ANSYS模态分析例题：几何刚度对梁自振特性的影响 228
8.3  谐响应分析例题：不同激励模式谐振响应的比较 234
8.4  瞬态分析的例题：移动载荷作用下的吊车梁 244
8.5  谱分析例题：悬臂结构地震响应谱分析 250
第9章  ANSYS结构非线性分析专题 255
9.1  ANSYS结构非线性分析概述 255
9.1.1  结构非线性问题的几种类型 255
9.1.2  非线性问题的一般分析方法 258
9.1.3  ANSYS结构非线性分析的过程与选项 261
9.2  接触问题的分析方法 267
9.2.1  接触问题概述 267
9.2.2  ANSYS的接触分析功能 267
9.2.3  ANSYS接触分析流程及接触向导的使用 268
9.3  几何非线性例题：油罐底效应的简化分析 270
9.3.1  问题描述 270
9.3.2  ANSYS分析全过程 270
9.3.3  ANSYS分析命令流 277
9.4  材料非线性例题：钢筋混凝土梁的分析 278
9.5  接触分析例题：插销拨拉过程的接触分析 299
第10章  结构的稳定性分析方法及ANSYS范例 314
10.1  ANSYS结构稳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  特征值屈曲分析与结果显示 321
10.3  工字梁的非线性屈曲分析 324
第11章  ANSYS结构最优化设计 330
11.1  优化设计问题的数学表述与ANSYS优化设计流程 330
11.2  分析实例：平板网架结构的优化设计 332
第12章  子结构技术简介 349
12.1  子结构分析的概念 349
12.2  ANSYS子结构分析的步骤 350
12.2.1  生成部分 351
12.2.2  使用部分 353
12.2.3  扩展部分 355
12.3  子结构分析例题：空腹梁 355
12.3.1  问题描述 355
12.3.2  分析过程 356
第3篇  工程范例精选
第13章  框架－剪力墙结构的分析 368
13.1  分析对象简介 368
13.2  框架—剪力墙结构的模型建立 369
13.2.1  结构建模的总体规划 369
13.2.2  几何模型的建立 370
13.2.3  划分网格 373
13.3  重力载荷和风载荷作用下的结构响应 381
13.3.1  计算重力载荷作用下的结构响应 381
13.3.2  风载荷作用下的结构响应 383
13.4  结构模态分析 388
13.5  地震作用下结构的弹性时程分析 390
13.5.1  计算地震作用瞬态解 390
13.5.2  观察地震作用结构响应 391
第14章  海洋石油平台结构的动力分析 396
14.1  海洋平台结构简介 396
14.2  平台结构的模型建立 398
14.2.1  结构建模的总体规划 398
14.2.2  几何模型的建立 399
14.2.3  划分网格 402
14.3  海洋平台结构的模态分析 411
14.3.1  计算模态解 411
14.3.2  结果观察与分析 412
14.4  海洋平台谐响应分析 414
14.5  冰载荷作用下海洋平台结构响应 418
14.5.1  获得瞬态分析解 419
14.5.2  观察结果 421
14.6  波浪载荷作用下海洋平台随机振动分析 423
14.6.1  ANSYS随机振动分析简介 423
14.6.2  波浪载荷简介 426
14.6.3  获得谱解 426
14.6.4  合并模态 429
14.6.5  计算响应的功率谱密度 429
第15章  大跨空间结构的建模与分析 433
15.1  大跨空间结构的ANSYS建模与分析概述 433
15.2  施威德勒型球面网壳的建模过程详解 435
15.3  网壳结构的固有振动特性分析 440
15.4  特征值屈曲分析 442
15.5  考虑初始缺陷的非线性屈曲分析 446
附录A  ANSYS的程序模块、启动器以及几何建模专题 452
A.1  ANSYS 11.0的主要产品模块 452
A.2  ANSYS产品启动器 453
A.3  ANSYS经典环境建模操作专题 455
附录B  部分结构单元的形函数 466
B.1  一维单元 466
B.2  二维单元 466
B.3  三维单元 467
附录C  ANSYS结构分析常用命令参考 469

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