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1、有限元培训教材有限元软件ANSYS及其在水工中的高级应用四川大学水利水电学院2006年8月目录前言 (1上篇ANSYS的应用基础 (2第1章ANSYS结构分析入门 (31.1 ANSYS概述 (31.1.1ANSYS简介 (31.1.2ANSYS软件主要功能 (31.1.3ANSYS软件主要特点 (31.1.4运行环境(ANSYS10.0 (41.2 ANSYS 的基本使用 (41.2.1ANSYS环境简介 (41.2.2有限元法的基本构架 (51.2.3ANSYS架构及命令 (61.2.4典型的分析过程 (81.2.5ANSYS 文件及工作文件名 (81.2.6图形控制 (91.3 有限元模
2、型的建立 (101.3.1建模方法 (101.3.2坐标系统及工作平面 (101.3.3节点定义 (111.3.4元素的定义 (121.3.5荷载定义 (141.3.6求解 (181.3.7通用后处理(POST1 (181.4 实体模型的建立 (191.4.1实体模型简介 (191.4.2实体模型的建立方法 (191.4.3群组命令介绍 (201.4.4点定义 (201.4.5线段定义 (211.4.6面积定义 (231.4.7体积定义 (241.4.8用体素创建ANSYS对象 (261.4.9布尔操作 (281.5 网格划分 (281.5.1区分实体模型和有限元模型 (281.5.2网格化的
3、步骤 (291.5.3元素形状定义 (301.5.4网格划分工具 (30第2章ANSYS的有限元建模 (352.1 选择、组件与部件 (352.1.1选择、组件与部件的关系与定义 (352.1.2利用实体选择工具进行实体选择 (352.1.3组件的创建、删除与选择操作 (382.1.4部件的创建、编辑、删除与选择操作 (392.1.5重新激活数据库包含的完整集合 (402.1.6选择属于当前集包含对象的下级实体对象 (412.2 网格划分技巧 (412.2.1单元库、定义单元类型及其实常数 (412.2.2定义材料模型及其属性 (452.2.3创建节点单元模型过程 (492.2.4CAD模型的
4、网格划分过程 (512.2.5使用网格划分工具MeshT001 (642.2.6修改有限元模型 (662.2.7检查网格 (722.2.8检查有限元模型 (72第3章施加载荷和求解 (743.1 求解器环境与菜单系统 (743.2 单载荷步求解过程 (753.2.1选择分析类型 (753.2.2设置分析类型选项 (763.2.3施加边界条件与载荷 (783.2.4设置载荷步选项;时间、载荷步、载荷子步与平衡迭代 (783.2.5设置载荷步选项:求解输出控制 (803.2.6求解控制对话框及其用法 (823.3 多载荷步求解过程 (843.3.1连续多载荷步求解法 (843.3.2DO循环控制的
5、参数化求解法 (843.3.3表载荷求解法 (863.3.4定义载荷步文件批求解法 (883.4 中断与重启动求解过程 (903.4.1中断求解过程 (903.4.2重启动求解 (903.5 载荷种类及其施加方式 (923.6 施加载荷的设置选项 (934. 重复加载方式:替代与累加 (943.7 施加位移载荷的方法 (953.9 施加压力载荷的方法 (963.10 施加温度载荷的方法 (973.11 施加线加速度、转速与转动加速度等惯性载荷的方法 (983.12 施加轴对称载荷的方法 (1003.13 施加初始应力载荷的方法 (1003.14 删除载荷的方法 (1023.15 载荷缩放与转换
6、运算的方法 (102下篇ANSYS在水工中的高级应用 (104第4章水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟 (1054.1 数值模拟对象 (1054.2 有限元建模 (1064.2.1单元定义和材料定义 (1064.2.2实体建模 (1114.2.3网格划分 (1214.2.4边界条件和初始条件 (1284.3 水工隧洞施工过程模拟 (1304.3.1初始状态模拟 (1304.3.2毛洞开挖工况模拟 (1314.3.3毛洞支护工况模拟 (1344.3.4计算结果查看及处理 (1364.4 水工隧洞运行期模拟 (1434.4.1运行期内水压力的模拟 (1444.4.2运行期外水压力的模拟 (150第
7、5章重力坝的施工及运行的ANSYS模拟 (1545.1 数值模拟对象 (1545.2 三维有限元模型 (1545.2.1CAD模型的导入 (1545.2.2单元和材料的定义 (1595.2.3三维实体模型 (1655.2.4网格划分 (1675.2.5边界条件和初始条件 (1725.3 施工期及运行期弹性模拟 (1755.3.1初始状态模拟 (1755.3.2完建工况模拟 (1765.3.3运行工况模拟 (1785.3.4计算结果的查看 (1855.4 重力坝的弹塑性模拟分析 (1895.4.1弹塑性参数的设置 (1905.4.2弹塑性求解的设置 (1935.4.3初始状态模拟 (1955.4
8、.4完建工况模拟 (1965.4.5运行工况模拟 (1985.4.6重力坝的超载分析 (2035.4.7计算结果的查看 (204第6章水工高边坡开挖与支护的ANSYS模拟 (2116.1 数值模拟对象 (2116.2 水工边坡二维有限元模型 (2116.2.1CAD模型的导入 (2116.2.2单元和材料的定义 (2126.2.3网格划分 (2176.2.4边界条件和初始条件 (2216.3 水工边坡施工过程模拟 (2236.3.1弹塑性求解的设置 (2236.3.2天然边坡的模拟 (2246.3.3开挖无支护过程模拟 (2266.3.4开挖有支护过程模拟 (2316.4 接触分析在边坡稳定性
9、中的应用 (2426.4.1定义单元与材料 (2426.4.2创建接触模型 (2436.4.3划分单元 (2446.4.4接触分析 (2516.4.5计算结果查询 (252第7章水工流体力学问题的ANSYS模拟 (2557.1 水工渗流场模拟 (2557.1.1数值模拟对象 (2557.1.2有限元模型 (2557.1.3稳定渗流计算 (2617.2 理想流体的流动 (2657.2.1数值模拟对象 (2657.2.2有限元模型 (2667.2.3理想流计算 (271第8章水工结构中的结构单元模拟 (2798.1 二维梁单元BEAM3 (2798.1.1单元简介 (2798.1.2实例分析 (2
10、808.2 三维梁单元BEAM188 (2908.2.1单元简介 (2908.2.2实例分析 (2918.3 三维壳单元SHELL63 (3048.3.1单元简介 (3048.3.2实例分析 (305参考文献 (315前言随着我国国民经济的迅速发展,以水电工程为代表的基础设施建设如火如荼。随着水电工程的大型化、地形地质条件的复杂化,水电工程的建设难度愈来愈大,这就需要对水电工程进行更为精确的分析,常规分析方法需要对实际工程进行过多的简化而不能真实反映客观实际情况,这就需要采用更为精确的方法对水电工程,特别是水工结构进行分析研究。由美国ANSYS公司研制的ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、
11、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛应用于核工业、水电、交通、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS程序是一个功能强大的、灵活的设计分析及优化软件包。该软件可浮动运行于PC机、NT工作站、UNIX工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中,数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS有限元软件具有强大的分析功能,拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器,保证它能高效地求解各类结构的静力、动力、振动和非线性问题,稳态和瞬态热分析及热-结构耦合问题,压缩和不可压缩流体问题。其友好的图
12、形界面和程序结构,交互式的前后处理和图形软件,大大地减轻了用户在实际工程问题中创建模型、有限元求解以及结果分析和评价的工作量。它统一集中式的数据库保证了各模块之间的有效可靠的集成,并实现了与多个CAD/CAE软件的友好连接。本教材适用于ANSYS软件的初学者以及水电工程领域技术人员,可作为工程技术人员的学习材料。编者2006年9月上篇ANSYS的应用基础第1章ANSYS结构分析入门1.1 ANSYS概述1.1.1 ANSYS简介ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件,主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应,例如应力、位移、温度等,根据该反应可知道机械结构系统受到外力
13、负载后的状态,进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂,受的负载也相当多,理论分析往往无法进行。想要解答,必须先简化结构,采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展,相应的软件也应运而生,ANSYS软件在工程上应用相当广泛,在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用,都能达到某种程度的可信度,颇获各界好评。使用该软件,能够降低设计成本,缩短设计时间。到80年代初期,国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有:ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件,是一个多用途的有限元法分析软件,它从1971年的2.0版本与
14、今天的5.7版本已有很大的不同,起初它仅提供结构线性分析和热分析,现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。1.1.2 ANSYS软件主要功能ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件,可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单,具体包括:结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触
15、分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。1.1.3 ANSYS软件主要特点主要技术特点:唯一能实现多场及多场耦合分析的软件唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件唯一具有多物理场优化功能的FEA软件唯一具有中文界面的大型通用有限元软件强大的非线性分析功能多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置支持异种、异构平台的网络浮动,在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行多种自动网格划分技术良好的用户开发环境支持的图形传递标准:SATParasolidSTEP与CAD软件的接口UnigraphicsPro/ENGINEERI-DeasCatiaCADDSSolidEdgeSolidWorks1.1.4 运行环境(ANSYS10.0Compu
