機械結構有限元及工程應用

本書是讀者全面系統學習有限元基礎理論，應用ANSYS Workbench進行機械結構有限元分析的快速入門級教材。全書共7章，主要介紹機械結構有限元分析的知識體系、機械結構建模思想與方法，同時也介紹ANSYS Workbench網格劃分、載荷、約束、結果後處理，以及機械結構線性靜力學分析實例、非線性有限元分析和優化設計等方面的內容，旨在引導讀者快速掌握機械結構有限元技術，解決機械、土木、水利等行業的有限元分析問題。本書各章都配有豐富的建模案例，內容由淺入深，把有限元理論知識和工程實踐應用有機結合。 本書可作為機械類、力學類、土木、水利等工科專業本科生和研究生的教材，也可供相關專業工程設計和研究人員學習參考。

第1章緒論 1
1.1 工程問題與有限元法 2
1.2 有限元法的基本步驟 4
1.3 有限元法的特點 7
1.4 常用機械結構有限元分析軟件概況及使用方法 7
1.4.1 常用有限元分析軟件 7
1.4.2 ANSYS Workbench和ANSYS APDL（經典版）對比 9
1.4.3 模型導入——ANSYS Workbench有限元分析快速入門 10
1.4.4 學習方法及分析基礎 17
課後練習 18

第2章機械結構建模思想與方法 29
2.1 結構分析與建模思想 30
2.1.1 工程模型與數學模型的轉化思想 30
2.1.2 工程結構分類 31
2.1.3 單元類型及選取原則 31
2.2 幾何建模準則 33
2.2.1 無圓角“T”形角鋼與圓角“T”形角鋼的靜力學分析結果對比 35
2.2.2 有螺栓孔平板與無螺栓孔平板的靜力學分析結果對比 39
2.2.3 模型簡化準則 43
2.3 創建求解域的幾何模型 44
2.3.1 間接法建模實例——軸承座建模 44
2.3.2 模型的導入與修復實例——利用ANSYS SCDM簡化和修復渦輪
外殼模型 52
課後練習 54

第3章幾何模型離散化——網格劃分 55
3.1 結構離散化及單元類型 56
3.2 單元特徵及其應用範圍 58
3.2.1 梁單元 58
3.2.2 殼單元 59
3.2.3 實體單元 59
3.3 網格劃分控制 61
3.3.1 全局網格劃分控制 61
3.3.2 “T”形角鋼的全局網格劃分控制 70
3.3.3 局部網格劃分控制 70
3.3.4 “T”形角鋼的局部網格劃分控制 79
3.3.5 其他網格劃分方法 80
3.4 單元尺寸對分析結果的影響 91
3.4.1 “T”形角鋼在不同單元尺寸下的分析結果 91
3.4.2 單元尺寸評判標準——網格無關解 92
3.5 單元類型對分析結果的影響 95
3.5.1 “T”形角鋼採用四面體及六面體單元進行網格劃分的分析結果 95
3.5.2 實體單元類型判斷標準 97
3.6 網格質量的檢查與改進 98
課後習題 101

第4章載荷、約束及結果後處理 102
4.1 載荷的分類 103
4.1.1 慣性載荷 103
4.1.2 一般載荷 103
4.2 邊界約束方式 105
4.2.1 結構支撐 105
4.2.2 約束方程 106
4.2.3 工程中常見的約束類型 107
4.2.4 ANSYS Workbench中的約束類型的應用 108
4.3 求解與後處理 114
4.3.1 求解 114
4.3.2 後處理 116
4.4 求解與後處理分析實例——應力集中問題 129
4.4.1 問題描述 129
4.4.2 應力集中問題的分析流程 129
4.5 求解與後處理分析實例——應力奇異問題 143
4.5.1 問題描述 144
4.5.2 應力奇異問題的分析流程 144
4.6 求解與後處理分析實例——子模型方法 152
4.6.1 問題描述 153
4.6.2 子模型分析流程 153
4.7 求解與後處理分析實例——聖維南原理的應用 165
4.7.1 問題描述 165
4.7.2 聖維南原理分析流程 166
課後練習 175

第5章機械結構線性靜力學分析實例 176
5.1 靜力學分析 177
5.1.1 靜力學分析基礎理論——虛功原理 177
5.1.2 靜力學分析適用範圍 179
5.2 空間鋼架結構靜力學分析實例 180
5.2.1 梁/桿系分析方案 181
5.2.2 梁/桿單元特點及理論 185
5.2.3 空間鋼架結構靜力學分析流程 186
5.3 平面托架的靜力學分析案例 197
5.3.1 確定分析方案 197
5.3.2 板殼單元特點及其理論 200
5.3.3 平面托架靜力學分析流程 202
5.4 水電站弧形閘門靜力學分析案例 211
5.4.1 整體分析方案 212
5.4.2 實體單元特點及理論 215
5.4.3 水電站弧形閘門的靜力學分析流程 216
5.5 拓展訓練：不同單元之間的連接方法——多點約束法 224
5.5.1 樑與殼單元的連接方法 225
5.5.2 殼與實體單元的連接方法 227
5.5.3 樑與實體單元的連接方法 228
課後練習 229

第6章機械結構非線性有限元分析及其應用實例 231
6.1 機械結構非線性有限元分析 232
6.1.1 非線性有限元分析的基本理論 232
6.1.2 非線性問題類型 233
6.2 非線性求解與收斂 235
6.2.1 非線性求解方法 235
6.2.2 收斂與收斂判據 239
6.3 螺栓連接模擬分析實例 241
6.3.1 接觸非線性有限元仿真方案 242
6.3.2 接觸分析和接觸類型 243
6.3.3 螺栓連接有限元仿真流程 246
6.4 橡膠密封圈擠壓分析實例 255
6.4.1 橡膠密封圈非線性有限元仿真方案 256
6.4.2 橡膠密封圈有限元仿真基本流程 261
課後練習 270

第7章結構優化分析 272
7.1 吊鉤結構響應曲面優化分析 273
7.1.1 基於ANSYS Workbench的結構優化分析簡介 273
7.1.2 響應曲面優化分析 273
7.1.3 案例設置 274
7.1.4 吊鉤響應曲面優化分析流程 274
7.2 連桿六西格瑪優化分析 285
7.2.1 六西格瑪優化分析 285
7.2.2 案例設置 286
7.2.3 六西格瑪優化分析流程 286
課後練習 298
參考文獻 299