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第0章　引论1

【算例】0.1 盘形弹簧（Belleville）的小变形静力分析1

【算例】0.2 盘形弹簧（Belleville）几何非线性的增量计算7

第1章　基本操作11

1.1 系统启动11

【操作】1.1（1） ANSYS的启动和目录管理11

【操作】1.1（2） ANSYS的文件管理11

【操作】1.1（3） ANSYS进入时的故障处理13

1.2　菜单操作与命令流13

【操作】1.2（1） 基于GUI和命令流的操作13

【操作】1.2（2） 命令流的生成和导入13

【操作】1.2（3） 建模过程的操作次序15

1.3　菜单窗口的基本设置15

【操作】1.3 窗口和尺标显示的控制15

1.4　模型对象选择的控制17

【操作】1.4（1） 模型对象的选择17

【操作】1.4（2） 选择命令的应用19

1.5 模型信息显示的控制20

【操作】1.5（1） 模型信息的一般性显示20

【操作】1.5（2） 模型的个性化显示21

1.6　图形及硬拷贝文件22

【操作】1.6 模型的图形拷贝22

1.7　模型信息的查询及其列显23

【操作】1.7 模型信息的查询23

1.8　通过命令直接获取所有建模及计算结果的信息24

【操作】1.8（1） 基于〈＊ GET〉的信息直接提取24

【操作】1.8（2） 建模对象及计算结果信息的取值函数直接提取24

1.9　通过编号来操作模型27

【操作】1.9 基于模型编号的操作27

1.10　通过组件来操作模型27

【操作】1.10 模型组件的定义与选择27

1.11 获取单元矩阵对角元素信息的操作28

【操作】1.11 提取单元矩阵元素的信息，并输出到文件中28

第2章　前处理建模与计算29

2.1　建模的总体考虑29

2.1.1　三种建模方法29

2.1.2 1D、2D、3D及对称模型29

2.1.3　针对几何形状的一次单元与二次单元30

2.1.4　不同种类单元的应用32

2.1.5　考虑分析的细节33

2.1.6　网格密度的考虑34

2.2　实体模型的建立34

2.2.1　坐标系、转换、工作平面34

【操作】2.2.1（1） 局部坐标系的定义34

【操作】2.2.1（2） 节点坐标系的操作35

【操作】2.2.1（3） 单元坐标系的设置37

【操作】2.2.1（4） 局部坐标系与工作平面的关系37

2.2.2　点、线、面、体的建模39

【操作】2.2.2（1） 关键点的建模39

【操作】2.2.2（2） 线的建模40

【操作】2.2.2（3） 面的建模43

【操作】2.2.2（4） 体的建模45

【操作】2.2.2（5） 体、面的直接建模46

2.2.3　模型的布尔操作49

【操作】2.2.3（1） 布尔操作的设置49

【操作】2.2.3（2） 布尔操作：相交50

【操作】2.2.3（3） 布尔操作：相减51

【操作】2.2.3（4） 布尔操作：分割52

【操作】2.2.3（5） 布尔操作：相加52

【操作】2.2.3（6） 布尔操作：搭接53

【操作】2.2.3（7） 布尔操作：粘合53

2.2.4　模型的复制与修改54

【操作】2.2.4（1） 模型的复制54

【操作】2.2.4（2） 实体模型的坐标转换55

【操作】2.2.4（3） 几何尺度的缩放55

【操作】2.2.4（4） 模型的修改与删除56

2.2.5 CAD文件及多个建模文件的转换与操作57

【算例】2.2.5（1） 厚壁柱体的IGES文件读写57

【算例】2.2.5（2） 厚壁柱体的多个建模文件的读写58

2.3　基于几何模型的单元划分60

2.3.1　单元划分的基本步骤60

2.3.2　单元划分前的准备60

【操作】2.3.2（1） 单元属性的定义60

【操作】2.3.2（2） 单元划分前的属性设置60

2.3.3　基于几何模型的网格划分的控制61

【操作】2.3.3（1） 单元形状的控制61

【操作】2.3.3（2） 中间节点位置的控制62

【操作】2.3.3（3） 单元尺寸的控制62

【操作】2.3.3（4） 划分网格64

2.3.4　网格的控制与改进65

【操作】2.3.4（1） 局部网格的细化65

【操作】2.3.4（2） 清除网格65

【算例】2.3.4（3） 加肋蓄冷器网格划分的控制66

【算例】2.3.4（4） 花形卡盘网格划分的控制67

【算例】2.3.4（5） 复杂空间体的六面体网格划分的控制68

【算例】2.3.4（6） 给定点处网格划分的控制69

2.4　直接生成模型方法70

2.4.1　直接生成节点70

【操作】2.4.1 直接生成节点70

2.4.2　基于节点的单元直接生成72

【操作】2.4.2（1） 基于节点的单元直接生成72

【操作】2.4.2（2） 模型编号的合并与压缩操作73

【操作】2.4.2（3） 几何参数的计算73

【操作】2.4.2（4） 模型的单元形状检查74

2.5　边界条件的施加75

【操作】2.5（1） 自由度约束的施加75

【操作】2.5（2） 点载荷的施加76

【操作】2.5（3） 表面分布载荷的施加77

【操作】2.5（4） 体载荷的施加81

【操作】2.5（5） 惯性载荷的施加81

【算例】2.5（6） 分段分布函数面压载荷的施加82

2.6　计算求解与过程控制85

【操作】2.6（1） 计算求解过程85

【操作】2.6（2） 多工况计算87

2.7　模型的屏蔽处理及应用87

【算例】2.7 路灯支撑装置的两种状态分析88

2.8　综合算例91

【算例】2.8（1） 桁架结构的多工况载荷的分析91

【算例】2.8（2） 圆盘封盖的建模与受力分析94

【算例】2.8（3） L形弯管的建模与受力分析97

【算例】2.8（4） 受载7杆桁架结构的初始状态反求分析99

第3章　后处理操作与计算结果分析105

3.1　基本操作105

【操作】3.1（1） 结果文件的调入105

【操作】3.1（2） 变形及应力的显示106

【操作】3.1（3） 计算结果的等值线显示108

【操作】3.1（4） 线型单元的列表及显示110

【操作】3.1（5） 连续单元的列表及显示112

【操作】3.1（6） 计算结果的时间过程显示113

【操作】3.1（7） 一般性后处理观察器114

【操作】3.1（8） 时间变量后处理观察器114

3.2　计算结果显示的控制及分析115

【操作】3.2（1） 节点及单元应力结果的显示与计算误差115

【算例】3.2（2） 平面L形结构的受力分析与误差116

【操作】3.2（3） 计算结果显示的控制及图形设置120

【操作】3.2（4） 后处理中的路径设置及显示122

【操作】3.2（5） 计算结果的列表显示124

【操作】3.2（6） 计算结果的动画及切片显示125

【操作】3.2（7） 计算结果的安全系数显示127

【操作】3.2（8） 在后处理中修改计算结果并进行显示128

3.3　多工况计算结果的组合后处理130

【操作】3.3（1） 基于后处理的多工况分析130

【算例】3.3（2） 桁架7杆结构的多工况载荷的后处理分析131

第4章　基于APDL的参数化有限元分析与二次开发134

4.1　参数及操作134

4.1.1　参数和数组的定义134

【操作】4.1.1（1） 参数的定义及赋值134

【操作】4.1.1（2） 数组参数的图形显示136

4.1.2　数组的读写操作137

【操作】4.1.2（1） 数组的读入137

【操作】4.1.2（2） 建立一个输出文件137

【操作】4.1.2（3） 数据的写出138

4.1.3　表参数的定义和应用139

【操作】4.1.3（1） 表参数的定义及赋值139

【操作】4.1.3（2） 表参数数组的读入140

【算例】4.1.3（3） 支撑平台的瞬态响应分析141

4.2 APDL的内部函数143

【操作】4.2 APDL的内部函数143

4.3　流程的控制144

【操作】4.3（1） 计算流程的无条件转移144

【操作】4.3（2） 计算流程的条件转移145

【操作】4.3（3） 计算流程的DO循环145

【操作】4.3（4） 流程的DOWHILE循环147

【操作】4.3（5） 计算流程的REPEAT循环147

4.4　宏文件的建立、调用和加密148

【操作】4.4（1） 宏文件的建立148

【操作】4.4（2） 宏文件的调用149

【操作】4.4（3） 宏文件的加密150

4.5　定制用户化界面152

【操作】4.5（1） 参数输入对话框152

【操作】4.5（2） 命令流中的GUI拾取153

【操作】4.5（3） 工具条的订制154

4.6　二次开发综合应用算例155

【算例】4.6（1） 基于对话框的受移动载荷作用的桁架桥分析156

【算例】4.6（2） 基于宏文件的受移动载荷桁架桥的分析158

【算例】4.6（3） 采用定制工具条的受移动载荷桁架桥的分析160

第5章　线性结构的静力分析162

5.1 基本分析原理及主要算法162

5.1.1　基本原理162

【原理】5.1.1（1） 结构分析基本原理162

【原理】5.1.1（2） 材料破坏的强度准则163

5.1.2　结构的惯性释放165

【原理】5.1.2（1） 惯性释放分析基本原理165

【算例】5.1.2（2） 自由块体的旋转运动166

5.1.3　结构分析线性方程求解的基本算法168

【原理】5.1.3（1） 稀疏矩阵直接法求解的原理168

【原理】5.1.3（2） 波前法的计算原理169

【原理】5.1.3（3） 迭代法的计算原理171

5.1.4 ANSYS的一般实现过程172

【原理】5.1.4（1） ANSYS分析的一般过程172

【算例】5.1.4（2） 轴对称圆板弯曲的静力分析173

5.2　常用的实体单元及特征175

5.2.1 单元的几何形状特征指标175

【原理】5.2.1（1） 实体单元的分类175

【原理】5.2.1（2） 单元几何形状的特征176

5.2.2　常用单元的基本特征179

【原理】5.2.2 实体及板壳单元的基本特征179

5.2.3　常用单元形状及网格密度的典型算例182

【算例】5.2.3（1） 拱形平面的三种类型平面单元的分析182

【算例】5.2.3（2） 空间板的三种类型空间单元的分析183

【算例】5.2.3（3） 空间悬臂结构的多种形状单元的分析185

5.3 各向异性以及温度相关材料的弹性问题分析187

5.3.1　各向异性材料弹性分析的基本原理187

【原理】5.3.1（1） 各向异性材料的本构关系187

【原理】5.3.1（2） 直角坐标系下正交各向异性材料188

【原理】5.3.1（3） 柱坐标系下正交各向异性材料188

5.3.2　各向异性材料弹性分析的ANSYS实现过程189

【操作】5.3.2（1） 各向异性材料弹性分析的ANSYS实现方式189

【操作】5.3.2（2） 各向异性材料弹性分析的ANSYS实现流程190

5.3.3　各向异性材料弹性分析的典型算例193

【算例】5.3.3（1） 正交各向异性方块的拉伸问题193

【算例】5.3.3（2） 带钢筋混凝土梁的弯曲问题195

5.4　热应力分析198

5.4.1　热应力分析的基本原理198

【原理】5.4.1（1） 热应力分析的本构方程198

【原理】5.4.1（2） 随温度变化的热膨胀系数198

5.4.2　热应力分析的ANSYS实现过程199

【操作】5.4.2（1） 热应力分析的ANSYS实现方式199

【操作】5.4.2（2） 热应力分析的ANSYS实现流程200

5.4.3　热应力分析的典型算例200

【算例】5.4.3 双金属层悬臂结构板材的热载荷分析200

5.5　结构分析的典型算例203

【算例】5.5（1） 塔式起重机旋臂的加速度分析203

【算例】5.5（2） 弹性地基上的平面梁的弯曲204

【算例】5.5（3） 心压缩梁的静力分析206

【算例】5.5（4） 工字形钢梁框架的静力分析208

【算例】5.5（5） 多层复合材料悬臂梁的分析210

【算例】5.5（6） 带预紧力的矩形截面杆的分析213

【算例】5.5（7） 塔式起重机桁架结构的受力分析215

第6章　结构分析的高级建模与分析技术223

6.1　应力刚化、旋转软化问题的弹性分析223

6.1.1　应力刚化问题及基本原理223

【原理】6.1.1 应力刚化问题分析的基本原理223

6.1.2　应力刚化分析的ANSYS实现过程226

【操作】6.1.2（1） 应力刚化分析的ANSYS实现方式226

【操作】6.1.2（2） 应力刚化分析的ANSYS实现流程227

6.1.3　应力刚化分析的典型实例227

【算例】6.1.3 带张力简支梁受横向载荷作用的静力分析227

6.2　单元的“激活”与“杀死”技术230

6.2.1　单元“激活”与“杀死”技术的分析原理230

【原理】6.2.1 单元“激活”与“杀死”技术的基本原理230

6.2.2 ANSYS实现过程231

【操作】6.2.2（1） 单元“激活”与“杀死”的ANSYS实现方式231

【操作】6.2.2（2） 单元“激活”与“杀死”的ANSYS实现流程232

6.2.3　典型算例232

【算例】6.2.3（1） 预紧结构张拉全过程的死活单元模拟232

【算例】6.2.3（2） 斜拉桥分段施工过程的工艺模拟236

【算例】6.2.3（3） 煤炭采掘作业过程的受力分析240

【算例】6.2.3（4） 带椭圆孔平板拉伸的断裂过程模拟245

6.3　高阶及高效建模技术248

6.3.1 p方法的分析原理及过程248

【原理】6.3.1（1） p方法的分析原理248

【原理】6.3.1（2） p方法的ANSYS实现方式249

【原理】6.3.1（3） p方法的ANSYS实现流程250

6.3.2 自适应网格划分的分析过程251

【原理】6.3.2（1） 自适应网格划分的分析原理251

【原理】6.3.2（2） 自适应网格划分的ANSYS实现方式252

【原理】6.3.2（3） 自适应网格划分的ANSYS实现流程253

6.3.3　子模型的分析过程255

【原理】6.3.3 子模型的ANSYS实现方式255

6.3.4　高阶及高效建模技术典型算例257

【算例】6.3.4（1） 平面问题的p型单元建模与分析257

【算例】6.3.4（2） 椭圆形带孔平面的自适应分析259

【算例】6.3.4（3） 带孔方板应力集中的子模型分析260

6.4　基于耦合及约束方程的建模技术263

【原理】6.4（1） 耦合及约束方程的分析原理263

【原理】6.4（2） 约束方程的ANSYS实现方式及流程264

【算例】6.4（3） 带扭转弹簧的刚性梁的小挠度旋转265

6.5　结构优化问题的分析267

6.5.1　结构参数优化的分析过程267

【原理】6.5.1（1） 结构参数优化的分析原理267

【原理】6.5.1（2） 结构参数优化的ANSYS实现方式270

【原理】6.5.1（3） 结构参数优化的ANSYS实现流程271

6.5.2　拓扑优化的分析过程272

【原理】6.5.2（1） 拓扑优化的分析原理272

【原理】6.5.2（2） 拓扑优化的ANSYS实现方式274

【原理】6.5.2（3） 拓扑优化的ANSYS实现流程276

6.5.3 结构优化问题的典型算例277

【算例】6.5.3（1） 平面框架结构的参数优化277

【算例】6.5.3（2） 多工况载荷下的静力拓扑优化280

【算例】6.5.3（3） 平面简支梁固有频率最大化的拓扑优化283

6.6 结构的概率、疲劳与断裂分析285

6.6.1 结构概率分析过程285

【原理】6.6.1（1） 结构概率分析的原理285

【原理】6.6.1（2） 结构概率分析的ANSYS实现方式288

【原理】6.6.1（3） 结构概率分析的ANSYS实现流程291

6.6.2　结构疲劳分析过程292

【原理】6.6.2（1） 结构疲劳分析的原理292

【原理】6.6.2（2） 结构疲劳分析的ANSYS实现方式294

【原理】6.6.2（3） 结构疲劳分析的ANSYS实现流程296

6.6.3　结构断裂分析过程296

【原理】6.6.3（1） 结构断裂分析的原理296

【原理】6.6.3（2） 结构断裂分析的ANSYS实现方式300

【原理】6.6.3（3） 结构断裂分析的ANSYS实现流程302

6.6.4　典型算例303

【算例】6.6.4（1） 大型液压机机架的概率设计分析303

【算例】6.6.4（2） 带孔平板的疲劳分析307

【算例】6.6.4（3） 带裂纹的椭圆孔平板的断裂力学分析309

【算例】6.6.4（4） 平板剪切型裂纹应力强度因子计算312

6.7　复合材料的分析313

6.7.1　复合材料的分析过程313

【原理】6.7.1（1） 多层复合材料分析的原理313

【原理】6.7.1（2） 多层复合材料分析的ANSYS实现方式316

【原理】6.7.1（3） 多层复合材料分析的ANSYS实现流程318

6.7.2　复合材料分析的典型算例318

【算例】6.7.2（1） 多层复合梁的弯曲问题318

【算例】6.7.2（2） 带孔简支叠层复合板的静力分析321

第7章　结构的模态及屈曲分析324

7.1　结构模态分析324

7.1.1　结构模态分析的过程324

【原理】7.1.1（1） 结构模态分析的原理324

【原理】7.1.1（2） 结构模态分析的ANSYS实现方式及流程326

7.1.2　结构模态分析的经典算例328

【原理】7.1.2（1） 模态分析中的尺度单位换算328

【算例】7.1.2（2） 单元类型及网格密度对振动频率的影响329

【算例】7.1.2（3） 两悬挂圆盘的扭转振动频率331

【算例】7.1.2（4） 旋转悬臂叶片的振动333

【算例】7.1.2（5） 钻杆钻环的扭转振动335

【算例】7.1.2（6） 带孔两层复合壳的模态分析336

【算例】7.1.2（7） 流体耦合系统的振动338

【算例】7.1.2（8） 长方体压电陶瓷材料的固有频率的分析341

7.2　结构屈曲分析的原理与操作343

7.2.1　结构屈曲分析的过程343

【原理】7.2.1（1） 结构屈曲分析的原理343

【原理】7.2.1（2） 结构屈曲分析的ANSYS实现方式及流程345

7.2.2　弹性结构失稳分析的典型算例347

【算例】7.2.2（1） 矩形梁受压弯曲后的扭转失稳347

【算例】7.2.2（2） 两端铰支梁的失稳分析351

【算例】7.2.2（3） 静态压杆失稳的平面单元分析352

【算例】7.2.2（4） 直角框架的失稳分析354

7.3　高速旋转结构的模态分析356

7.3.1　高速旋转结构模态分析的过程356

【原理】7.3.1（1） 高速旋转结构模态分析的原理356

【原理】7.3.1（2） 高速旋转结构模态分析的ANSYS实现方式及流程357

7.3.2　高速旋转结构模态分析的典型算例359

【算例】7.3.2（1） 空心管道高速旋转的模态分析359

【算例】7.3.2（2） 考虑Coriolis效应的空心圆筒的旋转模态分析361

7.4　循环对称结构的模态分析363

7.4.1　循环对称结构模态分析的过程363

【原理】7.4.1（1） 循环对称结构模态分析的原理363

【原理】7.4.1（2） 循环对称结构模态分析的ANSYS实现方式及流程365

7.4.2　循环对称振动及屈曲分析的典型算例366

【算例】7.4.2（1） 拉伸薄膜的3D循环对称振动分析366

【算例】7.4.2（2） 水轮机循环对称结构的模态分析370

第8章　线性结构简谐振动及谱分析373

8.1 简谐振动分析的过程373

【原理】8.1（1） 简谐振动分析的原理373

【原理】8.1（2） 简谐振动分析的ANSYS实现方式及流程377

8.2　结构简谐振动分析经典算例380

【算例】8.2（1） 两质量弹簧系统的强迫振动380

【算例】8.2（2） 一个动力系统的强迫振动383

【算例】8.2（3） 偏心重力激振器的响应385

【算例】8.2（4） 吉他弦的简谐振动386

【算例】8.2（5） 压电传感器结构的强迫响应389

【算例】8.2（6） 可压缩液体中环形结构的简谐分析392

8.3　结构随机响应谱分析的过程396

【原理】8.3（1） 谱分析的原理396

【原理】8.3（2） 结构随机响应谱分析的ANSYS实现方式398

【原理】8.3（3） 结构随机响应谱分析的ANSYS实现流程399

8.4　结构谱分析典型算例400

【算例】8.4（1） 简支梁的随机振动分析400

【算例】8.4（2） 两质量弹簧系统的随机响应403

【算例】8.4（3） 简支梁的地震响应分析405

【算例】8.4（4） 简支厚板的功率谱密度随机及简谐响应分析407

【算例】8.4（5） 考虑地震作用的建筑物加速度响应谱分析410

第9章　线性结构瞬态分析416

9.1 瞬态分析的过程416

【原理】9.1（1） 一阶系统瞬态分析的原理416

【原理】9.1（2） 二阶系统瞬态分析的原理416

【原理】9.1（3） 瞬态分析中的三种求解方法419

【原理】9.1（4） 瞬态分析的ANSYS实现流程422

9.2　结构系统瞬态分析典型算例425

【算例】9.2（1） 简支梁的瞬态响应425

【算例】9.2（2） 非等刚度弹簧的大侧向挠度428

【算例】9.2（3） 铰接梁的转动430

【算例】9.2（4） 刚性球撞击弹性地面的分析433

【算例】9.2（5） 弹簧质量系统的干摩擦滑动435

【算例】9.2（6） 带间隔的双弹簧系统的瞬态响应437

【算例】9.2（7） 坠落容器中弹簧质量系统的瞬态响应440

【算例】9.2（8） 自由杆的冲击分析443

【算例】9.2（9） 单摆的大位移旋转446

【算例】9.2（10） 水中浮标的运动449

【算例】9.2（11） 铰支梁的双向旋转运动451

【算例】9.2（12） 考虑地震作用的建筑物加速度瞬态分析455

【算例】9.2（13） 桥梁在车辆经过时的瞬态分析457

参考文献460

主题词索引463

命令流索引470

单元索引478