有限元基礎與COMSOL案例分析
江帆 溫錦鋒 謝智銘 葉宇星
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商品描述
本書主要介紹有限元法基礎知識及COMSOL在彈性力學、流體力學、電磁學、電化學、多物理場耦合等方面的應用。全書先介紹有限元法的基礎知識，然後介紹COMSOL的界面組成與基本操作和網格劃分的方法與實例，最後給出了結構力學分析實例、流體力學分析實例、電磁學分析實例、電化學分析實例和多物理場耦合分析實例，即以實例方式介紹COMSOL各方面應用分析的詳細操作過程及一些需要註意的問題，多數案例有明確的工程應用背景，部分案例有實驗對比結果，具有較強的實用性。
本書可作為機械、材料、水利、土木、暖通、動力、能源、化工、航空、冶金、環境、交通、電力電子、建築等領域的科研與工程技術人員使用COMSOL軟件進行CAE/CFD分析的參考書，也可作為這些專業的本科生和研究生學習有限元及COMSOL軟件的教學用書。
作者簡介
江帆，广州大学机械与电气工程学院教授、研究生导师，长期从事机械创新设计、机械 CAE/CFD 的教学、研究工作；中国人工智能学会可拓学专业委员会副秘书长、可拓创新方法研究中心副主任，中国图学学会制图技术委员会副秘书长。主持或参与科研立项 20 余项，发表论文 70 余篇，授权专利 20 余件，两项成果获广东省科技进步二等奖；已出版《机械原理》《TRIZ 创新应用与创新工程教育研究》《TRIZ
与可拓学比较及融合机制研究》《创新方法与创新设计》等图书。
温锦锋，广州大学机械与电气工程学院研究生，主要研究方向为微流控、CFD，熟练使用 COMSOL、ANSYS 和 ABAQUS 等仿真软件；已发表 COMSOL 相关论文 1 篇，
授权发明专利 7 项。
谢智铭，广州大学硕士研究生，主要 研 究 方 向 为 机 械 CAE/CFD 仿真分析，熟 练使用 COMSOL、ANSYS 和 ABAQUS 等仿真软件。
叶宇星，广州大学硕士研究生，主要研究方向为机械 CAE/CFD 仿真分析，熟练使用 COMSOL、ANSYS和 ADAMS 等仿真软件。
目錄大綱
第 1章 有限元理論基礎 1
1.1 彈性力學與有限元 1
1.1.1 彈性力學中的基本概念 1
1.1.2 彈性力學的基本方程 4
1.1.3 平面問題的基本理論 7
1.1.4 彈性力學中的能量原理 9
1.1.5 彈性力學有限元法 10
1.1.6 平面問題的單元構造 15
1.1.7 動力學分析簡介 25
1.1.8 有限元分析中的若乾問題 26
1.1.9 減小解題規模的常用措施 28
1.2 流體力學基礎 30
1.3 CFD基本模型 34
1.3.1 基本控制方程 35
1.3.2 湍流模型 36
1.3.3 流動的初始條件和邊界條件 38
1.4 多相流 39
1.4.1 多相流模型的分類 39
1.4.2 分離多相流模型 40
1.4.3 分散多相流模型 41
1.4.4 水平集法 43
1.4.5 相場法 44
1.4.6 混合物模型 45
1.4.7 歐拉-歐拉模型 46
1.4.8 氣泡流模型 47
1.4.9 移動網格模型 48
1.5 其他物理場分析模型 49
1.5.1 傳熱模型 49
1.5.2 電磁場 50
1.5.3 多孔介質 52
1.5.4 聲學 53
1.5.5 化學工程 53
1.5.6 電化學 54
練習題 55
第 2章 COMSOL基本操作 56
2.1 COMSOL主界面 56
2.2 COMSOL建模流程 60
2.2.1 常規建模流程 60
2.2.2 建模案例 61
2.3 內置的常數、變量與函數 66
2.4 自定義參數、變量、函數和材料 69
2.5 COMSOL自定義參量的常見錯誤 72
2.6 COMSOL錯誤處理的技巧 73
練習題 75
第3章 COMSOL的網格劃分 76
3.1 網格設置 76
3.1.1 常用的網格 76
3.1.2 添加網格的方法 78
3.1.3 網格的刪除、禁用和啟用 78
3.1.4 網格的自動劃分 79
3.1.5 網格的尺寸設置 80
3.1.6 映射網格 83
3.1.7 掃掠網格 85
3.1.8 邊界層網格 87
3.1.9 復制網格 90
3.2 不同定型幾何的網格 90
3.2.1 形成聯合體 91
3.2.2 形成裝配體 91
3.3 網格檢查 91
3.3.1 網格的警告和錯誤提示 92
3.3.2 網格的統計信息 93
3.4 網格導入和導出 94
3.5 網格劃分實例 95
3.5.1 球閥二維網格劃分 95
3.5.2 U形管三維網格劃分 98
練習題 100
第4章 結構力學分析 101
4.1 結構靜力學分析 101
4.1.1 問題描述 101
4.1.2 具體計算 101
4.2 模態分析 111
4.2.1 問題描述 111
4.2.2 具體計算 112
4.3 諧響應分析 116
4.3.1 問題描述 116
4.3.2 具體計算 117
4.4 瞬態動力學分析 123
4.4.1 問題描述 123
4.4.2 具體計算 123
4.5 屈曲分析 146
4.5.1 問題描述 146
4.5.2 具體計算 146
4.6 聲場分析 153
4.6.1 問題描述 153
4.6.2 具體計算 154
4.7 MEMS分析 164
4.7.1 問題描述 164
4.7.2 具體計算 164
練習題 177
第5章 流體力學分析 180
5.1 COMSOL流體模塊介紹 180
5.1.1 單相流模塊 180
5.1.2 多相流模塊 181
5.1.3 多孔介質模塊 182
5.1.4 變形網格 183
5.2 單相流動分析 184
5.2.1 卡門渦街分析 184
5.2.2 攪拌中的自由液面分析 191
5.3 多相流動分析 198
5.3.1 十字交叉形通道中微液滴成形分析 198
5.3.2 放射性廢樹脂顆粒在彎管中的流動分析 206
5.4 多孔介質流動分析 216
練習題 222
第6章 電磁學分析 224
6.1 COMSOL求解高頻電磁場的物理接口 224
6.2 軸承的感應加熱分析 225
6.3 單模光纖傳輸分析 236
6.4 射頻消融、微波燒蝕腫瘤分析 246
練習題 260
第7章 電化學分析 262
7.1 COMSOL求解電化學場的物理接口 262
7.1.1 通用接口 262
7.1.2 腐蝕與電鍍接口 262
7.1.3 電池接口 263
7.2 母線板腐蝕分析 263
7.3 方管電鍍分析 275
7.4 異型孔的電解加工分析 288
7.5 鋰離子電池分析 297
練習題 308
第8章 耦合分析 311
8.1 COMSOL中的多物理場耦合 311
8.1.1 常見的內置多物理場接口 311
8.1.2 自定義多物理場耦合 312
8.2 基於溫差驅動的微混合分析 313
8.3 柔性單向閥流固耦合分析 320
8.4 精密過濾器密封蓋的可靠性分析 325
8.5 振動生熱分析 332
練習題 338
參考文獻 341
