本书是读者全面系统学习有限元基础理论，应用ANSYS Workbench进行机械结构有限元分析的快速入门级教材。全书共7章，主要介绍机械结构有限元分析的知识体系、机械结构建模思想与方法，同时也介绍ANSYS Workbench网格划分、载荷、约束、结果后处理，以及机械结构线性静力学分析实例、非线性有限元分析和优化设计等方面的内容，旨在引导读者快速掌握机械结构有限元技术，解决机械、土木、水利等行业的有限元分析问题。本书各章都配有丰富的建模案例，内容由浅入深，把有限元理论知识和工程实践应用有机结合。 本书可作为机械类、力学类、土木、水利等工科专业本科生和研究生的教材，也可供相关专业工程设计和研究人员学习参考。

前 言 本书把有限元法基础理论知识和工程实践有机结合，是读者全面系统学习有限元法基础理论，应用ANSYS Workbench进行机械结构有限元分析的快速入门级教材。 本书的编写特色如下： （1）选择目前广泛使用的ANSYS Workbench软件，由浅入深，通过丰富的工程案例，系统地介绍有限元法的基本概念、基础理论、力学模型、ANSYS Workbench软件的主要功能及其使用技巧。选用企业生产或科研中的机械产品实例，针对学生学习需要和相关知识点教学要求，将产品研发中的结构计算关键点做成案例库，使理论知识与工程问题紧密结合，形成一套完整的知识体系，弥补有限元法基础理论和工程案例紧密结合的书籍空缺。 （2）注重“学以致用”和“理论联系实际”，不仅讲述了ANSYS Workbench软件如何使用和操作，而且还贯穿了相应的有限元原理内涵和理论知识，引导读者形成正确的有限元分析求解方法，通过大量实例来培养读者从事实际产品开发和设计的能力。 （3）本书编写团队由长期从事有限元教学和工程有限元分析计算的教授专家及一线教师组成，在编写本书时，能够将有限元法基础理论知识与工程有限元分析有机结合，突出机械结构建模及分析思想。 （4）结构清晰，易学易用。为节约篇幅，采用表格形式详细讲述软件操作步骤，便于初学者实践和练习；对复杂的模型，提供网络下载，提高读者的学习效率。复杂模型文件下载网址：http://www.hxedu.com.cn（华信资源教育网）。 本书是集体智慧的结晶，由华北水利水电大学的上官林建担任主编，李冰担任副主编，王文、李金兴和周甲伟参编。本书的编写得到了许闯、靳康和张光耀等老师的大力支持，也得到了水利部水工金属结构质量检验测试中心、郑州新大方重工科技有限公司、华电集团等单位提供的大量工程案例支持。本书的出版得到河南省高等学校教学名师项目、河南省高校科技创新团队项目（22IRTSTHN018）、河南省高等学校重点科研项目（20A450002）的资助，在此向相关部门表示由衷的感谢。本书参考和借鉴了许多国内外公开出版的图书和发表的文献，在此表示感谢。 由于编者水平有限，书中难免存在不妥或疏漏之处，恳请广大读者批评指正，以便再版时修正。 编 者 2022年4月

目 录 第1章 绪论 1 1.1 工程问题与有限元法 2 1.2 有限元法的基本步骤 4 1.3 有限元法的特点 7 1.4 常用机械结构有限元分析软件概况及使用方法 7 1.4.1 常用有限元分析软件 7 1.4.2 ANSYS Workbench和ANSYS APDL（经典版）对比 9 1.4.3 模型导入——ANSYS Workbench有限元分析快速入门 10 1.4.4 学习方法及分析基础 17 课后练习 18 第2章 机械结构建模思想与方法 29 2.1 结构分析与建模思想 30 2.1.1 工程模型与数学模型的转化思想 30 2.1.2 工程结构分类 31 2.1.3 单元类型及选取原则 31 2.2 几何建模准则 33 2.2.1 无圆角“T”形角钢与圆角“T”形角钢的静力学分析结果对比 35 2.2.2 有螺栓孔平板与无螺栓孔平板的静力学分析结果对比 39 2.2.3 模型简化准则 43 2.3 创建求解域的几何模型 44 2.3.1 间接法建模实例——轴承座建模 44 2.3.2 模型的导入与修复实例——利用ANSYS SCDM简化和修复涡轮 外壳模型 52 课后练习 54 第3章 几何模型离散化——网格划分 55 3.1 结构离散化及单元类型 56 3.2 单元特征及其应用范围 58 3.2.1 梁单元 58 3.2.2 壳单元 59 3.2.3 实体单元 59 3.3 网格划分控制 61 3.3.1 全局网格划分控制 61 3.3.2 “T”形角钢的全局网格划分控制 70 3.3.3 局部网格划分控制 70 3.3.4 “T”形角钢的局部网格划分控制 79 3.3.5 其他网格划分方法 80 3.4 单元尺寸对分析结果的影响 91 3.4.1 “T”形角钢在不同单元尺寸下的分析结果 91 3.4.2 单元尺寸评判标准——网格无关解 92 3.5 单元类型对分析结果的影响 95 3.5.1 “T”形角钢采用四面体及六面体单元进行网格划分的分析结果 95 3.5.2 实体单元类型判断标准 97 3.6 网格质量的检查与改进 98 课后习题 101 第4章 载荷、约束及结果后处理 102 4.1 载荷的分类 103 4.1.1 惯性载荷 103 4.1.2 一般载荷 103 4.2 边界约束方式 105 4.2.1 结构支撑 105 4.2.2 约束方程 106 4.2.3 工程中常见的约束类型 107 4.2.4 ANSYS Workbench中的约束类型的应用 108 4.3 求解与后处理 114 4.3.1 求解 114 4.3.2 后处理 116 4.4 求解与后处理分析实例——应力集中问题 129 4.4.1 问题描述 129 4.4.2 应力集中问题的分析流程 129 4.5 求解与后处理分析实例——应力奇异问题 143 4.5.1 问题描述 144 4.5.2 应力奇异问题的分析流程 144 4.6 求解与后处理分析实例——子模型方法 152 4.6.1 问题描述 153 4.6.2 子模型分析流程 153 4.7 求解与后处理分析实例——圣维南原理的应用 165 4.7.1 问题描述 165 4.7.2 圣维南原理分析流程 166 课后练习 175 第5章 机械结构线性静力学分析实例 176 5.1 静力学分析 177 5.1.1 静力学分析基础理论——虚功原理 177 5.1.2 静力学分析适用范围 179 5.2 空间钢架结构静力学分析实例 180 5.2.1 梁/杆系分析方案 181 5.2.2 梁/杆单元特点及理论 185 5.2.3 空间钢架结构静力学分析流程 186 5.3 平面托架的静力学分析案例 197 5.3.1 确定分析方案 197 5.3.2 板壳单元特点及其理论 200 5.3.3 平面托架静力学分析流程 202 5.4 水电站弧形闸门静力学分析案例 211 5.4.1 整体分析方案 212 5.4.2 实体单元特点及理论 215 5.4.3 水电站弧形闸门的静力学分析流程 216 5.5 拓展训练：不同单元之间的连接方法 ——多点约束法 224 5.5.1 梁与壳单元的连接方法 225 5.5.2 壳与实体单元的连接方法 227 5.5.3 梁与实体单元的连接方法 228 课后练习 229 第6章 机械结构非线性有限元分析及其应用实例 231 6.1 机械结构非线性有限元分析 232 6.1.1 非线性有限元分析的基本理论 232 6.1.2 非线性问题类型 233 6.2 非线性求解与收敛 235 6.2.1 非线性求解方法 235 6.2.2 收敛与收敛判据 239 6.3 螺栓连接模拟分析实例 241 6.3.1 接触非线性有限元仿真方案 242 6.3.2 接触分析和接触类型 243 6.3.3 螺栓连接有限元仿真流程 246 6.4 橡胶密封圈挤压分析实例 255 6.4.1 橡胶密封圈非线性有限元仿真方案 256 6.4.2 橡胶密封圈有限元仿真基本流程 261 课后练习 270 第7章 结构优化分析 272 7.1 吊钩结构响应曲面优化分析 273 7.1.1 基于ANSYS Workbench的结构优化分析简介 273 7.1.2 响应曲面优化分析 273 7.1.3 案例设置 274 7.1.4 吊钩响应曲面优化分析流程 274 7.2 连杆六西格玛优化分析 285 7.2.1 六西格玛优化分析 285 7.2.2 案例设置 286 7.2.3 六西格玛优化分析流程 286 课后练习 298 参考文献 299

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