本书是“十三五” 国家重点出版物出版规划项目, 介绍了有限单元法的基础理论与ANSYS18. 0 的应用｡全书共分为7 章: 第1 章对有限元法及ANSYS 进行了全面概述, 以便从总体把握各种要点; 第2 章介绍了有限元法的基础理论及其在结构静力学､结构动力学､结构非线性分析中的应用; 第3 章介绍了ANSYS 建模与网格划分, 对连接板､轴类零件､圆柱齿轮等建模实例的操作进行了具体讲述; 第4 章介绍了结构线性静力分析过程, 对连杆受力分析､圆孔应力集中分析等实例的操作进行了具体讲述; 第5 章介绍了动力学分析过程, 对机翼模态分析､汽车悬架系统谐响应分析等实例的操作进行了具体讲述; 第6 章介绍了非线性分析过程,对装载时矿石对车厢冲击分析､圆盘塑性变形分析､销与销孔接触分析等实例的操作进行了具体讲述; 第7 章介绍了热分析､流体动力学分析､电磁场分析等过程与实例操作｡为了兼顾缺乏弹性力学知识的读者, 附录中对有限单元法涉及的弹性力学基本知识做了简要介绍｡
本书可作为土木､水利､机械等工科专业本科生及研究生的教材, 也可以作为工程设计人员的参考书籍｡

目 录
前 言
第1 章 有限元法与ANSYS 入门 1
1. 1 发展与现状 1
1. 2 矩阵分析法及有限元法分析的一般
步骤 3
1. 2. 1 矩阵分析法 3
1. 2. 2 有限单元法分析的一般步骤 9
1. 3 ANSYS 的基本操作 10
1. 3. 1 ANSYS 的安装 10
1. 3. 2 ANSYS 的启动､用户界面及
退出 10
1. 3. 3 ANSYS 的操作方式 13
1. 3. 4 ANSYS 的典型分析过程 14
1. 3. 5 ANSYS 的文件管理及日志文件
使用 18
1. 4 本章小结 19
1. 5 思考与练习 19
第2 章 有限单元法基础理论 21
2. 1 结构静力学问题的有限元法 21
2. 1. 1 平面问题有限元法 21
2. 1. 2 轴对称问题有限单元法 29
2. 1. 3 空间问题有限元法 32
2. 1. 4 等参数有限元方法 35
2. 1. 5 单元与整体分析 38
2. 2 结构动力学问题有限元方法 40
2. 2. 1 运动方程 41
2. 2. 2 质量矩阵 41
2. 2. 3 阻尼矩阵 43
2. 2. 4 结构自振频率与振型 45
2. 2. 5 振型叠加法求解结构的受迫
振动 46
2. 3 结构非线性有限单元法 48
2. 3. 1 塑性力学问题 48
2. 3. 2 大位移问题 56
2. 4 本章小结 57
2. 5 思考与练习 58
第3 章 ANSYS 的建模 60
3. 1 建模基础 60
3. 1. 1 模型的生成 60
3. 1. 2 坐标系 60
3. 1. 3 工作平面 63
3. 1. 4 实体模型 65
3. 1. 5 有限元模型 68
3. 3 连接板建模实例 70
3. 4 轴类零件建模实例 75
3. 4. 1 自底向上建模 75
3. 4. 2 自顶向下建模 80
3. 5 圆柱齿轮建模实例 82
3. 6 本章小结 89
3. 7 思考与练习 90
第4 章 结构线性静力分析 91
4. 1 结构静力分析过程与步骤 91
4. 1. 1 建立模型 91
4. 1. 2 施加载荷并求解 91
4. 1. 3 检查结果 93
4. 2 连杆受力分析实例 94
4. 3 圆孔应力集中分析实例 105
4. 4 本章小结 112
4. 5 思考与练习 113
第5 章 动力学分析 115
5. 1 动力学分析的过程与步骤 115
5. 1. 1 模态分析 115
5. 1. 2 谐响应分析 118
5. 1. 3 瞬态动力学分析 122
5. 2 机翼模态分析实例 127
5. 3 汽车悬架系统的谐响应分析 134
5. 4 本章小结 141
5. 5 思考与练习 142
第6 章 非线性分析 143
6. 1 基本概念 143
6. 2 非线性分析的过程与步骤 146
6. 2. 1 建模 146
6. 2. 2 加载求解 146
6. 2. 3 查看结果 149
6. 3 装载时矿石对车厢的冲击非线性分析
实例 151
6. 4 圆盘塑性变形分析实例 164
6. 5 销与销孔接触分析 177
6. 6 本章小结 187
6. 7 思考与练习 187
第7 章 其他问题分析 189
7. 1 热分析 189
7. 1. 1 热分析单元 189
7. 1. 2 稳态热分析过程 190
7. 1. 3 瞬态热分析过程 193
7. 1. 4 耦合分析的过程和步骤 197
7. 1. 5 冷却栅管的热分析实例 200
7. 1. 6 包含焊缝的金属板热膨胀分析
实例 208
7. 2 流体动力学分析 221
7. 2. 1 FLUENT 分析的概念与基本
步骤 221
7. 2. 2 管内流动分析实例 223
7. 3 电磁场分析 230
7. 3. 1 电磁场分析的基本步骤与概念 230
7. 3. 2 2D 静态电磁场分析实例 233
7. 4 DesignXplorer 概述 244
7. 5 本章小结 248
7. 6 思考与练习 248
附录 250
附录A 弹性力学的基本方程 250
附录B ANSYS 程序中常用的量和单位 252
参考文献 254

前 言
本书坚持理论与实践紧密结合的原则, 将有限元理论与ANSYS 操作糅合在一起, 以期促进
有限元理论与ANSYS 的学习､应用和普及推广｡
有限单元法是当前工程技术领域最常用､最有效的数值方法, 已成为现代工程设计技术不可或缺的重要组成部分｡ANSYS 软件是集结构､流体､电场､磁场､声场及热传导分析于一体的大型通用有限元分析软件, 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 公司开发,它能与多数CAD 软件(如Pro/ ENGINEER､UG､NASTRAN､I-DEAS､AutoCAD) 及机械仿真软件(如ADAMS) 接口, 实现数据的共享和交换, 是现在产品设计中的高级CAE 工具之一｡
本书是为土木､水利､机械等工科专业本科生､研究生和工程技术人员学习有限元法和ANSYS操作而编写的教材｡编者集多年从事本科生､研究生教学与科研经验, 编写时力求做到深入浅出､概念清晰､思路简明､系统性强｡论述以ANSYS18. 0 软件为主, 兼顾其他版本｡为了能够与其他参考资料相互印证, 便于ANSYS 学习, 书中诸多例题以操作过程为主线, 有的采用米制单位, 有的采用英制单位, 尽管ANSYS 程序中并不特别强调物理量的单位｡需要特别指出的是, 一个分析过程内英制和米制单位不可混用!
本书依次介绍结构静力学问题､结构动力学问题､结构非线性问题､热分析､流体动力学及电磁场问题分析的有限元方法及ANSYS 操作步骤｡第1 章对有限元法及ANSYS 进行了全面概述, 以便从总体把握各种要点; 第2 章介绍了有限元法的基础理论及其在结构静力学､结构动力学､结构非线性分析中的应用; 第3 章介绍了ANSYS 建模与网格划分, 对连接板､轴类零件､圆柱齿轮等建模过程实例的操作进行了具体讲述; 第4 章介绍了结构线性静力分析过程, 对连杆受力分析､圆孔应力集中分析等实例的操作进行了具体讲述; 第5 章介绍了动力学分析过程, 对机翼模态分析､汽车悬架系统谐响应分析等实例的操作进行了具体讲述; 第6 章介绍了非线性分析过程, 对装载时矿石对车厢冲击分析､圆盘塑性变形分析､销与销孔接触分析等实例的操作进行了具体讲述; 第7 章介绍了热分析､流体动力学分析､电磁场分析等过程与实例操作; 书后附录还提供了弹性力学的基本方程､各领域常用量及其单位换算关系｡
本书是集体劳动的成果, 由张洪信(青岛大学)､管殿柱(青岛大学) 主编, 参加编写工作的还有谈世哲､赵清海､姜晓天､李文秋､王献红､宋一兵､管玥､刘慧､刘志刚､张开拓｡
由于写作时间较短, 加之编者水平有限, 不足之处在所难免, 欢迎广大读者批评指正｡
编 者