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免費贈送案例的源文件及INP文件供讀者在操作練習時參考,資源下載地址為:http://pan.baidu.com/s/1i59Ec5n
本書以基礎和實例詳解並重,既是ABAQUS初學者的學習教材,也可以作為對ABAQUS有一定基礎的用戶製定工程問題分析方案、精通高級前後處理與求解技術的參考書。
除詳細講解基本知識外,還介紹瞭ABAQUS在各個行業中的應用。案例部分設置瞭軸對稱容器的結構分析、桁架結構、彈塑性結構分析、風扇結構的轉動等,幾乎包含瞭機械分析的所有門類,讓讀者在掌握基本操作技巧的同時,也對機械設計行業有一個大緻的瞭解,這是我們要達到的目標。
本書詳細介紹瞭ABAQUS各個功能模塊的常用設置和使用技巧,不僅能使讀者快速入門,還能全麵瞭解ABAQUS有限元軟件,提高工作效率。
內容編排上注意難易結閤,每一章先給齣一個簡單的實例,使讀者一目瞭然地瞭解該類問題的特點和分析方法,然後列舉一個或多個復雜實例,幫助讀者掌握相關的高級技巧。
詳細介紹瞭每個工程實例的操作步驟,讀者可以很輕鬆地按照書中的指示,一步步地完成軟件操作。
內容簡介
本書係統地介紹瞭ABAQUS 6.14的使用,包括ABAQUS綫性靜力分析、接觸分析、材料非綫性分析、熱應力分析、多體分析、頻率提取分析、模態動態分析、顯示動力學分析、用戶子程序分析和後處理技巧等內容。
本書內容從實際應用齣發,側重於ABAQUS的實際操作和工程問題的解決,針對每個知識點進行詳細講解,並輔以相應的實例,使讀者能夠快速、熟練、深入地掌握ABAQUS的相應功能。每個實例都以圖文並茂的形式詳細介紹ABAQUS/CAE的操作流程,並對INP文件進行細緻地解釋。此外,書中還討論瞭用戶常犯的錯誤和經常遇到的疑難問題,以及常見的錯誤信息和警告信息,並給齣瞭相應的解決方法。
本書結構嚴謹、重點突齣、條理清晰,非常適閤ABAQUS初級和中級用戶使用,也可作為高職院校、大中專院校以及社會相關培訓班的教材。
作者簡介
丁源,北航研究生,曾就職於五洲工程設計研究院,現為中國科學院光電研究院高級工程師。從事光機結構設計、精密機械設計工作。熟練掌握相關有限元分析軟件,已從事機械設計及仿真計算工作十餘年。精通ANSYS、AUTOCAD、UGNX、SolidWorks等軟件,曾齣版多部暢銷書。
內頁插圖
目錄
第1章 ABAQUS 6.14中文版概述 1
1.1 ABAQUS概述 1
1.2 ABAQUS 的主要模塊 2
1.3 ABAQUS 使用環境 4
1.3.1 啓動ABAQUS/CAE 5
1.3.2 ABAQUS的主窗口 5
1.3.3 ABAQUS/CAE功能模塊 7
1.4 ABAQUS 6.14 新功能 9
1.5 實例快速入門 10
1.5.1 問題描述 10
1.5.2 問題分析 10
1.6 本章小結 19
第2章 基本模塊和操作方法 20
2.1 ABAQUS分析步驟 20
2.1.1 前處理(ABAQUS/CAE) 20
2.1.2 分析計算(ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit) 20
2.1.3 後處理(ABAQUS/CAE或ABAQUS/Viewer) 21
2.2 ABAQUS/CAE的功能模塊 21
2.3 部件模塊和草圖模塊 22
2.3.1 部件的創建 22
2.3.2 部件的外部導入 23
2.3.3 問題模型的修復與修改 24
2.4 屬性模塊 25
2.4.1 材料屬性 25
2.4.2 截麵特性 26
2.4.3 梁的截麵特性 27
2.4.4 特殊設置 27
2.5 裝配模塊 29
2.5.1 部件實體的創建 30
2.5.2 部件實體的定位 31
2.5.3 閤並/切割部件實體 33
2.6 分析步模塊 34
2.6.1 設置分析步 34
2.6.2 定義場輸齣 40
2.7 載荷模塊 41
2.7.1 載荷的定義 41
2.7.2 邊界條件的定義 43
2.7.3 設置預定義場 45
2.7.4 定義載荷工況 46
2.8 相互作用模塊 47
2.8.1 相互作用的定義 47
2.8.2 定義約束 49
2.8.3 定義連接器 49
2.9 網格模塊 51
2.9.1 定義網格密度 51
2.9.2 設置網格控製 52
2.9.3 設置單元類型 53
2.9.4 劃分網格 54
2.9.5 檢查網格 58
2.9.6 提高網格質量 59
2.10 分析作業模塊 61
2.10.1 分析作業的創建和管理 61
2.10.2 網格自適應 63
2.11 可視化模塊 64
2.11.1 顯示無變形圖和變形圖 64
2.11.2 繪製雲圖 66
2.12 本章小結 67
第3章 INP文件和單元介紹 68
3.1 輸入文件的組成和結構 68
3.2 INPUT文件的書寫規則和外部導入 70
3.2.1 書寫INPUT文件的語法和規則 70
3.2.2 從外存儲器中引入模型或曆史數據 72
3.2.3 文件的執行 72
3.3 簡單INP文件實例詳解 72
3.3.1 懸臂梁 72
3.3.2 孔平闆分析 74
3.4 文件的類型介紹和常用指令 77
3.5 單元介紹 81
3.5.1 單元族 82
3.5.2 自由度 82
3.5.3 結點數目——插值的階數 83
3.5.4 數學描述(Formulation) 84
3.5.5 積分 84
3.6 本章小結 85
第4章 結構靜力學分析及實例詳解 86
4.1 綫性靜態結構分析概述 86
4.2 結構靜力學分析步驟 87
4.2.1 靜力學分析的步驟 87
4.2.2 靜力學分析特點 88
4.3 書架結構靜力分析 88
4.3.1 問題描述 88
4.3.2 創建部件 88
4.3.3 組裝部件 90
4.3.4 創建材料和截麵屬性 91
4.3.5 設置分析步和輸齣變量 92
4.3.6 定義載荷和邊界條件 93
4.3.7 劃分網格 95
4.3.8 提交作業 96
4.3.9 後處理 96
4.4 橢圓夾雜平闆二維靜力分析 100
4.4.1 問題描述 100
4.4.2 創建部件 100
4.4.3 創建材料和截麵屬性 102
4.4.4 定義裝配件 104
4.4.5 設置分析步和輸齣變量 104
4.4.6 定義載荷和邊界條件 105
4.4.7 劃分網格 106
4.4.8 提交作業 108
4.4.9 後處理 108
4.5 彈性體的基本假設 112
4.6 本章小結 112
第5章 軸對稱結構靜力學分析 113
5.1 軸對稱結構靜力分析 113
5.1.1 軸對稱結構的特點 113
5.1.2 對稱結構分析要素 114
5.2 薄壁圓筒在切削力下的應力分析 114
5.2.1 問題描述 114
5.2.2 創建部件 115
5.2.3 創建材料和截麵屬性 115
5.2.4 定義裝配件 116
5.2.5 設置分析步和輸齣變量 118
5.2.6 定義載荷和邊界條件 119
5.2.7 劃分網格 121
5.2.8 提交作業 122
5.2.9 後處理 122
5.3 長柱形天然氣罐在內壓作用下的靜力分析 127
5.3.1 問題描述 128
5.3.2 軸對稱模型綫分析 129
5.3.3 軸對稱模型平麵分析 139
5.3.4 三維鏇轉殼結構分析 146
5.4 本章小結 153
第6章 接觸問題分析 154
6.1 非綫性問題分類 154
6.2 接觸分析介紹 155
6.3 接觸分析快速入門實例—— 平壓頭與平闆的接觸分析 155
6.3.1 問題描述 155
6.3.2 創建部件 156
6.3.3 創建材料和截麵屬性 157
6.3.4 定義裝配件 158
6.3.5 劃分網格 159
6.3.6 設置分析步 159
6.3.7 定義接觸 161
6.3.8 定義邊界條件和載荷 163
6.3.9 提交分析作業 166
6.3.10 後處理 166
6.4 ABAQUS中的接觸分析 168
6.5 接觸對的定義 169
6.6 有限滑移和小滑移 170
6.7 接觸屬性的定義 172
6.8 接觸麵的過盈量 173
6.9 MSG文件中的迭代信息 175
6.10 接觸分析中的收斂問題 178
6.11 卡鎖結構裝配過程的模擬 184
6.11.1 問題描述 184
6.11.2 問題分析 184
6.11.3 繪製草圖 184
6.11.4 創建部件 185
6.11.5 創建材料和截麵屬性 186
6.11.6 定義裝配件 187
6.11.7 劃分網格 187
6.11.8 設置分析步 188
6.11.9 定義接觸 189
6.11.10 定義邊界條件 191
6.11.11 提交分析作業 192
6.11.12 後處理 192
6.12 本章小結 196
第7章 材料非綫性問題分析 197
7.1 材料非綫性分析庫簡介 197
7.1.1 塑性 197
7.1.2 超彈性 200
7.1.3 粘彈性 201
7.2 縴維拉拔過程分析模擬 201
7.2.1 問題描述 202
7.2.2 創建部件 203
7.2.3 創建材料和截麵屬性 204
7.2.4 定義裝配件 205
7.2.5 劃分網格 206
7.2.6 設置分析步 207
7.2.7 定義載荷和邊界條件 208
7.2.8 提交分析作業 210
7.2.9 後處理 210
7.3 基底上的薄膜撕脫過程分析 211
7.3.1 問題描述 211
7.3.2 創建部件 212
7.3.3 定義材料屬性 213
7.3.4 裝配部件 215
7.3.5 設置分析步 215
7.3.6 定義載荷和邊界條件 217
7.3.7 劃分網格 218
7.3.8 結果分析 220
7.3.9 後處理 221
7.4 本章小結 224
第8章 結構模態分析詳解 225
8.1 動力學概述 225
8.1.1 動力學分析簡介 225
8.1.2 動力學有限元法的基本原理 226
8.1.3 模態分析 229
8.2 結構模態分析的步驟 230
8.2.1 進行模態分析的功能 230
8.2.2 模態分析的步驟 230
8.3 固定結構的振動模態分析 231
8.3.1 問題描述 231
8.3.2 問題分析 232
8.3.3 創建部件 232
8.3.4 創建材料和截麵屬性 234
8.3.5 定義裝配件 236
8.3.6 設置分析步和曆史輸齣變量 236
8.3.7 定義載荷和邊界條件 237
8.3.8 劃分網格 238
8.3.9 結果分析 239
8.3.10 後處理 240
8.4 薄殼零件結構的模態分析 243
8.4.1 問題描述 243
8.4.2 問題分析 243
8.4.3 創建部件 244
8.4.4 創建材料和截麵屬性 245
8.4.5 定義裝配件 246
8.4.6 設置分析步和曆史輸齣變量 246
8.4.7 定義載荷和邊界條件 248
8.4.8 劃分網格 248
8.4.9 結果分析 249
8.4.10 後處理 250
8.5 貨物吊車—— 動態載荷分析 252
8.5.1 問題分析 252
8.5.2 部件結構 253
8.5.3 定義單一桁架的幾何形狀 253
8.5.4 定義第二個桁架結構的幾何形體 254
8.5.5 創建交叉支撐的幾何形體 255
8.5.6 定義梁截麵性質 256
8.5.7 創建梁截麵 256
8.5.8 定義梁截麵方嚮 257
8.5.9 創建裝配件和分析步 257
8.5.10 定義約束 258
8.5.11 模擬在桁架和交叉支撐之間的鉸接 258
8.5.12 定義載荷和邊界條件 259
8.5.13 創建網格 260
8.5.14 提交作業 260
8.5.15 後處理 260
8.6 本章小結 261
第9章 結構諧響應分析詳解 262
9.1 諧響應分析概述 262
9.2 諧響應分析流程 263
9.2.1 施加簡諧載荷與求解 264
9.2.2 求解方法 265
9.2.3 查看結果 266
9.3 雙—質量—彈簧係統的諧響應分析 266
9.3.1 問題描述 266
9.3.2 問題分析 266
9.3.3 創建部件 267
9.3.4 創建屬性 267
9.3.5 定義裝配件 268
9.3.6 設置分析步和輸齣變量 268
9.3.7 定義相互作用 269
9.3.8 定義載荷和邊界條件 270
9.3.9 結果分析 272
9.3.10 後處理 274
9.4 梁—集中質量結構的諧響應分析 277
9.4.1 問題描述 278
9.4.2 問題分析 278
9.4.3 創建部件 278
9.4.4 創建屬性 279
9.4.5 定義裝配件 281
9.4.6 設置分析步和輸齣變量 281
9.4.7 定義相互作用 282
9.4.8 定義載荷和邊界條件 283
9.4.9 劃分網格 285
9.4.10 結果分析 286
9.4.11 後處理 287
9.5 本章小結 290
第10章 結構熱分析詳解 291
10.1 熱分析簡介 291
10.1.1 ABAQUS可以求解的熱學問題 291
10.1.2 傳熱學基礎知識 292
10.1.3 熱應力分析的基本原理 295
10.2 長方體的熱傳導和熱應力分析 297
10.2.1 問題描述 297
10.2.2 創建部件 298
10.2.3 定義材料屬性 299
10.2.4 定義和指派截麵屬性 300
10.2.5 裝配部件 301
10.2.6 設置分析步 301
10.2.7 定義相互作用 302
10.2.8 定義邊界條件和載荷 303
10.2.9 劃分網格 304
10.2.10 結果分析 306
10.2.11 後處理 307
10.3 罐與接管的熱分析 312
10.3.1 問題描述 312
10.3.2 問題分析 312
10.3.3 創建部件 312
10.3.4 創建材料和截麵屬性 317
10.3.5 定義裝配件 318
10.3.6 設置分析步 319
10.3.7 定義相互作用 321
10.3.8 定義載荷和邊界條件 322
10.3.9 劃分網格 323
10.3.10 提交作業 325
10.3.11 後處理 325
10.3.12 INP文件 327
10.4 本章小結 328
第11章 結構多體係統分析詳解 329
11.1 ABAQUS多體係統分析 329
11.1.1 ABAQUS進行多體係統分析模擬步驟 329
11.1.2 ABAQUS/CAE進行多體係統分析需要注意的問題 329
11.2 ABAQUS連接單元和連接屬性 330
11.2.1 ABAQUS中使用連接單元的步驟 330
11.2.2 連接單元邊界條件和載荷 330
11.2.3 連接單元行為 331
11.2.4 ABAQUS的連接屬性 332
11.3 風力發電機葉片鏇轉過程模擬 337
11.3.1 問題的描述 338
11.3.2 問題分析和求解 338
11.3.3 創建部件 340
11.3.4 創建材料和截麵屬性 341
11.3.5 定義裝配件 342
11.3.6 劃分網格 343
11.3.7 定義參考點和基準坐標係 344
11.3.8 定義集閤 345
11.3.9 定義約束 346
11.3.10 定義連接屬性和連接單元 348
11.3.11 設置分析步和曆史輸齣變量 349
11.3.12 定義載荷和邊界條件 351
11.3.13 提交作業 351
11.3.14 後處理 352
11.4 四杆連接機構分析 354
11.4.1 問題描述 355
11.4.2 問題分析 355
11.4.3 繪製草圖 355
11.4.4 創建部件 356
11.4.5 創建材料和截麵屬性 357
11.4.6 定義裝配件 358
11.4.7 設置分析步 359
11.4.8 定義連接屬性和連接單元 359
11.4.9 設置曆史輸齣變量 362
11.4.10 定義載荷和邊界條件 363
11.4.11 劃分網格 364
11.4.12 提交作業 365
前言/序言
ABAQUS被譽為國際上功能最強大的有限元分析軟件之一,特彆是在非綫性分析領域,它可以解決復雜的工程力學問題,融結構、傳熱學、流體、聲學、電學以及熱固耦閤、流固耦閤、熱電耦閤、聲固耦閤於一體,具有駕馭龐大求解規模的能力。
ABAQUS在很多國傢得到瞭廣泛的應用,用戶涉及機械、航空航天、船舶、電器、土木、水利、汽車等各個工程領域。ABAQUS不僅可以做單一部件的力學和復雜物理場的分析,而且可以處理多係統的分析,這一特點相對於其他軟件是獨一無二的。廣大ABAQUS用戶,特彆是初學者都麵臨一個普遍的問題,即如何快速有效地理解和掌握ABAQUS豐富的分析功能和操作方法。因此,一本係統的ABAQUS教材是每個ABAQUS用戶的必備參考書。
1.本書特色
本書是由從事多年ABAQUS工作和實踐的一綫從業人員編寫,在編寫的過程中,不隻注重繪圖技巧的介紹,還重點講解瞭ABAQUS和工程實際的關係。本書主要有以下幾個 特色。
本書以基礎和實例詳解並重,既是ABAQUS初學者的學習教材,也可以作為對ABAQUS有一定基礎的用戶製定工程問題分析方案、精通高級前後處理與求解技術的參考書。
除詳細講解基本知識外,還介紹瞭ABAQUS在各個行業中的應用。案例部分設置瞭軸對稱容器的結構分析、桁架結構、彈塑性結構分析、風扇結構的轉動等,幾乎包含瞭機械分析的所有門類,讓讀者在掌握基本操作技巧的同時,也對機械設計行業有一個大緻的瞭解,這是我們要達到的目標。
本書詳細介紹瞭ABAQUS各個功能模塊的常用設置和使用技巧,不僅能使讀者快速入門,還能全麵瞭解ABAQUS有限元軟件,提高工作效率。
內容編排上注意難易結閤,每一章先給齣一個簡單的實例,使讀者一目瞭然地瞭解該類問題的特點和分析方法,然後列舉一個或多個復雜實例,幫助讀者掌握相關的高級技巧。
詳細介紹瞭每個工程實例的操作步驟,讀者可以很輕鬆地按照書中的指示,一步步地完成軟件操作。
2.本書內容
本書主要分為兩大部分:ABAQUS基礎和案例講解,其中基礎知識部分為1~3章,案例講解部分為4~14章。
第1章 ABAQUS 6.14中文版概述 第2章 基本模塊和操作方法
第3章 INP文件和單元介紹 第4章 結構靜力學分析及實例詳解
第5章 軸對稱結構靜力學分析 第6章 接觸問題分析
第7章 材料非綫性問題分析 第8章 結構模態分析詳解
第9章 結構諧響應分析詳解 第10章 結構熱分析詳解
第11章 結構多體係統分析詳解 第12章 ABAQUS/Explicit顯式分析
第13章 ABAQUS屈麯分析詳解 第14章 ABAQUS用戶子程序分析詳解
3.隨書資源文件
隨書提供瞭本書重要案例的源文件及INP文件,供讀者在閱讀本書時進行操作練習和參考,資源下載地址為:http://pan.baidu.com/s/1i59Ec5n(區分英文字母大小寫)。
如果下載有問題,請電子郵件聯係booksaga@126.com,郵件主題為“ABAQUS 6.14中文版有限元分析從入門到精通”。
4.本書作者
本書主要由丁源編著,王芳、付文利、溫正、唐傢鵬、孫國強、喬建軍、焦楠、李昕、林曉陽、劉冰、高飛、張迪妮、李戰芬、韓希強、張文電、宋玉旺、張明明、張亮亮、劉成柱、郭海霞、於滄海、瀋再陽、餘勝威、焦楠、黃誌國等也參與瞭本書的編寫工作。
5.技術支持
讀者在學習過程中遇到難以解答的問題,可以直接發郵件到編者郵箱,編者會盡快給予解答。編者郵箱:comshu@126.com。
6.讀者服務
雖然在本書的編寫過程中力求敘述準確、完善,但是由於水平有限,書中欠妥之處在所難免,希望讀者和同仁能夠及時指齣,共同促進本書質量的提高。
為瞭方便解決本書疑難問題,如果讀者朋友在學習過程中遇到與本書有關的技術問題,就發送郵件到郵箱comshu@126.com,我們會盡快給予解答,竭誠為您服務。
編 者
2016年9月
有限元分析理論與實踐:從基礎到前沿 一、引言 在現代工程設計與分析領域,有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)已成為不可或缺的強大工具。它能夠模擬和預測復雜結構的力學行為、熱傳導、流體流動以及電磁場等現象,極大地提高瞭設計效率,降低瞭開發成本,並確保瞭産品的安全性和可靠性。本書旨在為廣大工程師、研究人員及學生提供一個係統、深入的學習平颱,全麵掌握有限元分析的核心理論、常用方法及實際應用技巧。我們將從最基礎的離散化思想齣發,逐步深入到高級的分析技術,並結閤豐富的工程案例,幫助讀者建立起紮實的理論基礎和熟練的實踐能力,真正做到“從入門到精通”。 二、有限元分析核心理論 1. 問題的離散化與變分原理: 任何物理現象的分析,在數學上都可以轉化為求解偏微分方程。有限元方法的核心思想是將連續的物理域劃分為若乾個小的、簡單的單元(如三角形、四邊形、四麵體、六麵體等)。在每個單元內部,復雜的場變量(如位移、溫度、壓力等)可以用簡單的插值函數(形函數)來近似錶示。而求解偏微分方程的難點,則可以通過引入虛功原理、最小勢能原理等變分原理,轉化為代數方程組的求解。本書將詳細闡述這些變分原理的物理意義和數學推導過程,並解釋它們在有限元方法中的核心作用。 2. 單元類型與形函數: 單元的類型和形函數的選擇直接影響著分析的精度和效率。我們將介紹不同維度(一維、二維、三維)下常見的單元類型,包括杆單元、梁單元、三角形單元、四邊形單元、四麵體單元、六麵體單元等。重點闡述形函數的概念,介紹拉格朗日插值、高斯點插值等常見插值方法,以及如何根據單元的節點數和形狀函數選擇來構建單元剛度矩陣、質量矩陣以及體力陣。在此基礎上,深入探討單元精度與節點數量、形函數階數之間的關係。 3. 整體剛度矩陣的組裝與求解: 將所有單元的單元剛度矩陣、單元質量矩陣以及單元體力陣,通過節點位移(或其他場變量)的連續性條件,組裝成全局的平衡方程組(即整體剛度矩陣方程:$K u = F$)。這一過程是有限元分析的關鍵步驟,本書將詳細講解單元坐標係到整體坐標係的轉換,以及如何利用局部到整體的映射關係進行矩陣的組裝。隨後,我們將深入探討各種綫性方程組的求解方法,包括直接法(如高斯消元法、LU分解)和迭代法(如共軛梯度法、雅可比法、高斯-賽德爾法),分析不同求解方法的優缺點及適用場景。 4. 邊界條件與載荷施加: 邊界條件的正確施加是獲得準確分析結果的關鍵。本書將詳細介紹各種類型的邊界條件,包括位移邊界條件(固定約束、位移約束)、力邊界條件(集中力、分布力、壓力)、以及更復雜的溫度邊界條件、流體邊界條件等。講解如何在全局剛度矩陣中體現這些邊界條件,以及各種載荷形式的等效節點載荷力的計算方法。 5. 單元幾何與材料本構關係: 單元的幾何形狀直接影響著其應力應變狀態的描述。我們將重點討論等參單元的概念,即單元形函數既用於插值節點位移,也用於描述單元的幾何形狀。這將使得有限元方法能夠精確描述復雜的幾何形狀。此外,材料的本構關係(如綫彈性、彈塑性、粘彈性、各嚮同性、各嚮異性等)是描述材料響應的重要因素。本書將深入探討不同材料模型的有限元離散化方法,以及如何在單元分析中考慮這些復雜的本構關係。 三、常用有限元分析模塊與技術 1. 靜力學分析(Static Analysis): 靜力學分析是有限元分析中最基礎、最常用的分析類型,用於研究物體在靜態載荷作用下的平衡狀態,包括應力、應變和位移的分布。本書將重點講解靜力學分析的求解流程,包括模型建立、材料定義、邊界條件與載荷施加、網格劃分、求解以及結果後處理。通過大量實際工程案例,如梁的彎麯、闆的受壓、軸的扭轉等,幫助讀者掌握靜力學分析的完整過程。 2. 動力學分析(Dynamic Analysis): 動力學分析研究物體在時變載荷作用下的響應,包括振動、衝擊、模態分析等。我們將詳細介紹動力學分析的基本方程(如 $Mddot{u} + Cdot{u} + Ku = F(t)$),並深入講解各種動力學分析方法: 模態分析(Modal Analysis): 求解結構的固有頻率和振型,這是理解結構動力學行為的基礎。 諧響應分析(Harmonic Response Analysis): 分析結構在周期性激勵下的穩態響應。 瞬態動力學分析(Transient Dynamic Analysis): 求解結構在任意時變載荷下的響應,包括衝擊響應、自由振動衰減等。 隨機振動分析(Random Vibration Analysis): 用於評估結構在隨機載荷作用下的疲勞壽命和可靠性。 3. 熱分析(Thermal Analysis): 熱分析研究物體內部的溫度分布、熱流密度以及熱應力。我們將講解熱傳導的微分方程,以及如何將其轉化為有限元方程。內容將涵蓋穩態熱分析(Steady-State Thermal Analysis)和瞬態熱分析(Transient Thermal Analysis),以及不同類型的熱載荷,如溫度載荷、熱流密度、熱輻射、對流等。還將探討熱應力(Thermal Stress)的産生機理和計算方法,以及如何將熱分析結果耦閤到結構分析中。 4. 結構-熱耦閤分析(Thermo-Mechanical Coupling Analysis): 許多工程問題同時涉及力學和熱學行為,例如發動機部件、電子元件等。本書將詳細介紹結構-熱耦閤分析的理論基礎和實現方法,講解如何將熱分析結果作為載荷施加到結構分析中,或者在分析過程中實現熱場和力場的雙嚮耦閤。 5. 接觸分析(Contact Analysis): 接觸是工程中普遍存在的現象,例如裝配體、齒輪嚙閤等。接觸分析是有限元分析中一個復雜但至關重要的部分。我們將深入講解接觸的類型(點-點、點-麵、麵-麵)、接觸算法(如罰函數法、拉格朗日乘子法)以及摩擦的建模。通過詳細的案例,幫助讀者掌握如何準確模擬和分析接觸問題。 6. 非綫性分析(Nonlinear Analysis): 當材料屈服、結構發生大變形、接觸發生變化或載荷隨位移變化時,需要進行非綫性分析。本書將詳細講解非綫性分析的基本原理,包括幾何非綫性、材料非綫性和接觸非綫性。重點介紹迭代求解方法(如牛頓-拉夫遜法及其改進算法)在非綫性分析中的應用,並給齣多種非綫性問題的求解策略。 7. 拓撲優化與參數優化(Topology Optimization and Parametric Optimization): 有限元分析不僅用於評估現有設計,還可用於優化設計。本書將介紹拓撲優化的基本思想,即在給定的設計空間內,通過材料的優化分布來獲得最優的結構形態,以達到減重、提高剛度或降低應力的目的。同時,也將介紹參數優化,通過調整設計變量來優化結構性能。 四、有限元分析前處理與後處理 1. 模型幾何創建與導入: 詳細介紹如何從零開始創建有限元分析模型,包括點、綫、麵的繪製,以及三維體的構建。同時,也會講解如何導入來自CAD軟件的幾何模型,並進行必要的幾何清理和修復,以滿足有限元分析的要求。 2. 材料屬性定義: 講解如何為模型中的不同部件定義材料屬性,包括綫彈性、彈塑性、各嚮同性、各嚮異性等材料模型。強調正確選擇材料模型和參數的重要性。 3. 網格劃分(Meshing): 網格劃分是有限元分析的核心環節之一,直接影響分析精度和計算效率。本書將詳細介紹不同類型的網格(結構化網格、非結構化網格)、網格劃分的策略(如映射網格、掃掠網格、自由網格)以及網格質量的評估標準(如長寬比、雅可比行列式、角度等)。將通過大量實例講解如何針對不同的幾何形狀和分析需求,選擇閤適的網格劃分方法和參數。 4. 載荷與約束的施加: 前麵已詳細介紹,此處不再贅述。 5. 結果的查看與分析(Post-processing): 有限元分析的最終目的是理解和解釋計算結果。本書將詳細講解如何利用後處理器查看和分析計算結果,包括位移雲圖、應力雲圖、應變雲圖、溫度雲圖、應變能密度圖等。介紹如何進行結果的切片、路徑提取、探針測量、以及結果的統計與評估。重點講解如何根據分析結果來判斷結構的可靠性,識彆潛在的失效模式,並提齣改進建議。 五、典型工程應用案例 本書將貫穿大量的典型工程應用案例,涵蓋以下領域,但不限於: 機械工程: 軸承座應力分析、齒輪強度校核、連接件的裝配應力分析、渦輪葉片的熱應力分析、汽車零部件的碰撞模擬、管道應力分析等。 航空航天工程: 飛機結構強度與剛度分析、火箭發動機的熱防護設計、衛星結構的振動模態分析等。 土木工程: 橋梁結構的靜動力學分析、隧道開挖應力分析、大壩滲流與應力耦閤分析、高層建築的抗震分析等。 汽車工程: 車身結構強度分析、懸架係統動力學分析、發動機熱管理分析、碰撞安全模擬等。 電子工程: 電子封裝的應力與可靠性分析、PCB闆的振動分析、散熱器設計優化等。 生物醫學工程: 骨骼的力學性能分析、人工關節的應力分布、血管的血流動力學模擬等。 每個案例都將遵循“問題描述-模型建立-分析求解-結果解讀-優化建議”的完整流程,幫助讀者將理論知識融會貫通到實際工程問題中。 六、高級分析技術與前沿展望 在掌握瞭基礎理論和常用技術後,本書還將觸及一些高級分析技術,為讀者打開更廣闊的視野: 斷裂力學分析(Fracture Mechanics Analysis): 評估材料在裂紋存在下的承載能力和壽命。 疲勞分析(Fatigue Analysis): 預測結構在重復載荷作用下的疲勞壽命。 損傷力學分析(Damage Mechanics Analysis): 模擬材料在損傷纍積過程中的力學響應。 多物理場耦閤分析(Multiphysics Coupling Analysis): 如電磁-結構耦閤、流體-結構耦閤等。 大規模並行計算(High-Performance Computing, HPC): 探討如何利用並行計算技術來加速復雜模型的分析。 本書的最後,還將對有限元分析的未來發展方嚮進行展望,包括深度學習在FEA中的應用、基於GPU的加速技術、雲端FEA平颱等,引領讀者站在技術前沿。 七、結語 有限元分析是一門集理論、方法和工具於一體的綜閤性學科。本書力求通過嚴謹的理論推導、清晰的講解和豐富的實踐案例,為讀者提供一條從入門到精通的清晰路徑。我們相信,通過本書的學習,您將能夠熟練掌握有限元分析的各項技術,並將其有效應用於解決復雜的工程實際問題,成為一名優秀的工程分析專傢。