ANSYS12.0宝典
ANSYS12.0宝典
《ANSYS12.0宝典》，由刘伟、高维成、于广滨编著。通过大量精心设计的具有实际工程应用背景的原创性分析实例，以图形用户界面及命令流两种方式向读者全面介绍ANSYS 12.0结构有限元分析方法及应用。可作为力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等专业高年级本科生或研究生学习ANSYS 12.0有限元分析软件的教材，也可供从事上述专业结构分析的工程技术人员参考使用。
图书信息
书名：ANSYS 12.0宝典ISBN 978-7-121-10907-2
出版日期：2010年7月
定价：79.00元（含光盘1张）
开本：16开
页码：600页
内 容 简 介
本书主要包括以下 4 部分内容：ANSYS基础，内容包括ANSYS 12.0结构有限元分析概述、几何建模与网格划分、施加载荷与求解过程、结果后处理、APDL编程语言；ANSYS结构有限元分析基本过程，内容包括杆系结构有限元分析、梁系结构有限元分析、板壳结构有限元分析、实体结构有限元分析；ANSYS高级分析实例详解，内容包括结构动力学分析、结构非线性分析、结构稳定性分析；ANSYS工程应用实战演练，内容包括ANSYS在复合材料结构中的应用、ANSYS在机械工程中的应用、ANSYS在土木工程中的应用。
本书内容全面新颖、实例原创丰富、讲述循序渐进、应用领域广泛，通过本书的学习，读者可逐步提高自身的ANSYS操作水平以及利用有限元分析理论进行结构分析的能力，最终具备在结构分析领域解决实际工程问题的思路、方法和能力。
前 言
目前，几乎所有高校的力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等理工科专业，都为高年级本科生开设了《有限元方法》基础课程，为研究生开设了《非线性有限元方法》学位课程。学生在学习完有限元课程之后，还必须熟练掌握相关有限元软件的使用，才能将有限元基本理论有效地应用到实际工程问题分析中去。为此，部分有条件的高校也开设了有限元软件应用课程（课程名称可能会因学校及专业的不同而有所差异，但都是以讲解有限元软件ANSYS或其他软件为主）。哈尔滨工业大学航天学院工程力学专业20世纪90年代末即开设了该类课程《应用软件工程——ANSYS》，作者从2003年开始接手讲授该门课程。虽然市面上的ANSYS书籍很多，但却难以找出一本非常适合做教材的书籍，因此作者参考多本书籍自主编写了校内讲稿。经过6年多的试用，目前已基本成型，现将多年的校内讲稿和心得体会完善成书，以期与开设该类课程的兄弟院校分享、共勉，同时也供从事相关科研与工程项目的人员参考阅读。
ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过三十年的发展，已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准，目前几乎所有的CAD/CAE/CAM软件都竞相开发了与ANSYS的专用接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。ANSYS软件在Linux和Windows下均有版本，并同时有32位和64位版本，目前最新的版本为12.0。
本书以ANSYS 12.0版本为依据，以Windows NT为操作平台，将结构有限元分析的基本理论与ANSYS实践操作紧密结合，通过大量精心筛选的具有实际工程应用背景的原创性分析实例，以图形用户界面和命令流两种方式向读者全面介绍了ANSYS结构有限元分析方法。
导读
本书在内容组织上分为4部分，共15章内容，知识点循序渐进、由浅入深，具体安排如下。
第1部分 ANSYS基础
第1部分包括第1章至第5章，内容分别为ANSYS 12.0结构有限元分析概述、几何建模与网格划分、施加载荷与求解过程、结果后处理、APDL编程语言。该部分对ANSYS程序的基本功能、操作过程和编程语言进行了深入细致的讨论，不单纯局限于菜单操作，而是结合实例进行讲解，内容生动。该部分适合于渴望入门的新手学习，作为入门教材参考使用。
第2部分 ANSYS结构有限元分析基本过程
第2部分包括第6章至第9章，内容分别为ANSYS杆系结构有限元分析、ANSYS梁系结构有限元分析、ANSYS板壳结构有限元分析、ANSYS实体结构有限元分析。该部分按照常规有限元书籍的书写顺序，从杆梁一维结构到板壳二维结构，最后到实体三维结构，每章列举2个典型的工程实例，以实例驱动方式进行结构有限元分析基本过程的讲解，令读者记忆深刻。该部分适合于具有一定基础的高年级本科生作为《应用软件工程——ANSYS》的教材参考使用。
第3部分 ANSYS高级分析实例详解
第3部分包括第10章至第12章，内容分别为ANSYS结构动力学分析、ANSYS结构非线性分析和ANSYS结构稳定性分析。该部分介绍了结构分析中经常用到的高级分析专题，每章列举2个典型的工程实例，同时介绍了每个专题的基本概念和具体操作过程。该部分适合于具有较高基础的研究生作为《高等结构动力学》、《非线性有限元》课程的补充教材参考使用。
第4部分 ANSYS工程应用实战演练
第4部分包括第13章至第15章，内容分别为ANSYS在复合材料结构中的应用、ANSYS在机械工程中的应用和ANSYS在土木工程中的应用。该部分覆盖了结构有限元分析最常应用的领域，即材料、机械和土木工程。其中，复合材料领域列举了2个典型工程实例，机械工程领域和土木工程领域分别列举了4个典型工程实例。该部分中所有的实例均为作者多年来曾经设计过的一些实际工程，具有典型的代表意义，可以帮助读者将ANSYS结构有限元分析方法融会贯通。该部分适合于希望解决实际工程问题的高级用户和希望在有限元结构分析领域提升职业竞争力的读者参考使用。
相信通过本书的学习，读者定能迅速地提高自身的ANSYS操作水平，打好利用有限元分析理论进行结构分析的功底，从而具备在结构分析领域解决实际工程问题的能力。
特色
专注结构分析领域——为避免内容大而泛的弊端，本书将重点放于结构分析领域，选择材料、机械、土木3个热点应用领域进行详细讲解，本书的工程应用实战演练部分覆盖了上述各个领域中的典型应用，工程实例都是从作者的实际工程及科研项目中提炼出来的，具有非常重要的参考价值。
知识点循序渐进——本书在章节安排上由浅入深、层次分明，读者可以从基础部分入门，再通过结构有限元分析基本过程部分掌握结构静力学有限元分析的基本技能，然后通过高级分析实例详解部分提升高级分析的实际应用能力，最后通过工程应用实战演练部分提高分析解决实际工程问题的能力。读者可以一气呵成地完成从入门级到专业级的蜕变过程。
图形用户界面与命令流并行——每章的实例详解部分都是通过图形用户界面（GUI）和命令流两种方式为读者进行了详细的讲解，让读者在熟悉图形用户界面操作的同时，也掌握命令流操作的基本方法，极大地丰富读者的分析手段，提高工作效率，提升高级分析的能力。
增加“提示”及“注意”段落——在通过图形用户界面讲解具体操作的过程中，增加了很多“提示”和“注意”段落，“提示”可以在适当地方给读者一些提示，使读者能迅速理解作者的分析思路及意图，“注意”可以在容易出现问题的地方及时提醒读者注意，避免读者犯一些易犯错误，为读者节省宝贵时间。
光盘内容丰富且配备习题——购买本书还赠送一张精彩实用的光盘，其中包括每章实例详解例题的数据库文件和命令流文件，读者可以从光盘中直接读取文件并进行相应分析，以最直接的方式快速掌握ANSYS软件。光盘中还配备了每章的习题，读者可以亲自动手测试一下自己对知识点的掌握程度。通过对习题的操作练习，对各章知识进行系统的回顾，进而举一反三、触类旁通。
约定
为了便于读者阅读理解，本书作如下约定：
本书用“→”表示上下级菜单或命令的关联，例如Utility Menu→File→Save as，表示选择通用菜单中的File菜单，执行其中的Save as命令；又如Main Menu→Preprocessor→ Material Props→Material Models，表示在主菜单中依次选择Preprocessor、Material Props、Material Models命令，最后出现Define Material Model Behavior对话框，其他依此类推。
在没有特别说明时，“单击”、“双击”表示用鼠标左键单击、双击。
命令流中“！”后面的中文为解释说明部分，读者在使用命令流过程中不必输入。但读者在日后自己编程时，应养成良好习惯，在关键步骤后面加上注解，以便后续的解读。
读者
本书非常适合于作为力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等相关专业高年级本科生或研究生学习《应用软件工程——ANSYS》的主要参考书。对于从事结构分析的工程技术人员，本书也是很有价值的参考资料。
致谢
本书由哈尔滨工业大学航天学院刘伟、高维成、于广滨主编，由哈尔滨理工大学赖一楠教授担任本书的主审。多年以来，作者一直从事哈尔滨工业大学工程力学专业《应用软件工程——ANSYS》课程的教学工作，具有丰富的教学经验；同时作者也使用ANSYS软件进行科研、设计工作，完成了许多实际工程问题的仿真计算，具有深厚的有限元理论背景，对ANSYS软件的使用也有较深的造诣。参加编写和录入工作的还有张荣、金向阳、于岩磊、程翔、刘一志、牛瑞涛、王兆敏、马胜强、李小乐、徐一轩、周松官、于舒春等，在此一并表示深深的感谢。此外，还要感谢电子工业出版社编辑人员的大力支持，正是他们辛勤的劳动和辛苦的付出，才使得本书能够在第一时间出版。对于在创作过程中一如既往给予关心支持的亲密爱人表示最真挚的感谢。
由于时间仓促且作者的水平有限，书中缺点和错误在所难免，恳请专家和广大读者批评指正，同时也欢迎业内人士来电来函共同探讨。
目 录
第1部分 ANSYS基础 1
第1章 ANSYS 12.0结构有限元分析概述 2
1.1 ANSYS 12.0软件介绍 2
1.1.1 ANSYS发展过程 3
1.1.2 ANSYS软件功能介绍 3
1.1.3 ANSYS 12.0的创新之处 6
1.2 ANSYS 12.0的启动与退出 9
1.2.1 ANSYS 12.0的启动 9
1.2.2 ANSYS 12.0的退出 11
1.3 ANSYS 12.0操作界面与常用菜单 12
1.3.1 ANSYS 12.0操作界面及输出窗口 12
1.3.2 ANSYS 12.0应用菜单 13
1.3.3 ANSYS 12.0主菜单 13
1.3.4 ANSYS 12.0其他窗口 14
1.3.5 ANSYS 12.0对话框 14
1.3.6 ANSYS 12.0帮助菜单 14
1.4 ANSYS 12.0文件系统与文件操作 16
1.4.1 ANSYS文件类型 16
1.4.2 ANSYS文件的存储与恢复 19
1.4.3 读入ANSYS文件 19
1.4.4 写出ANSYS文件 20
1.4.5 导入导出几何文件 21
1.5 ANSYS 12.0结构有限元分析 21
1.5.1 有限元分析的基本思想 21
1.5.2 ANSYS 12.0结构有限元分析概述 22
1.5.3 ANSYS 12.0结构有限元分析过程 22
1.6 ANSYS结构有限元分析初体验：两杆桁架静力分析 25
1.6.1 问题描述与分析 25
1.6.2 求解过程 26
1.7 小结 34
第2章 几何建模与网格划分 35
2.1 有限元模型建立概述 35
2.1.1 典型步骤 35
2.1.2 基本方法 36
2.2 ANSYS坐标系与工作平面 37
2.2.1 坐标系及操作 37
2.2.2 工作平面及使用 41
2.3 自底向上建模 44
2.3.1 定义关键点及操作 45
2.3.2 定义线及操作 46
2.3.3 定义面及操作 47
2.3.4 定义体及操作 48
2.4 自顶向下建模 48
2.4.1 面对象的建立 48
2.4.2 体对象的建立 51
2.5 布尔运算与模型修改 54
2.5.1 布尔运算 54
2.5.2 模型修改 56
2.6 网格属性与划分控制 58
2.6.1 定义单元类型及属性 58
2.6.2 网格划分工具 59
2.6.3 Smartsize网格划分控制 61
2.6.4 尺寸与形状控制 62
2.7 自由网格与映射网格 64
2.7.1 自由网格划分 65
2.7.2 映射网格划分 66
2.8 小结 69
第3章 施加载荷与求解过程 70
3.1 载荷与载荷步 70
3.1.1 载荷的分类 70
3.1.2 载荷步、子步与平衡迭代 71
3.1.3 跟踪中时间的作用 72
3.1.4 阶跃载荷与斜坡载荷 72
3.2 载荷的施加 73
3.2.1 位移约束 73
3.2.2 集中载荷 79
3.2.3 表面载荷 82
3.2.4 体载荷 87
3.3 载荷步选项与多步载荷的创建 89
3.3.1 载荷步选项 89
3.3.2 创建多载荷步 91
3.4 求解 92
3.4.1 求解器选择 93
3.4.2 求解 94
3.5 小结 97
第4章 结果后处理 98
4.1 后处理求解器简介 98
4.2 通用后处理器（POST1） 99
4.2.1 图形显示结果 100
4.2.2 单元表 106
4.2.3 列表显示结果 107
4.2.4 路径操作 110
4.2.5 动画显示结果 113
4.2.6 载荷工况 115
4.2.7 通用后处理器的其他应用 117
4.3 时间历程后处理器（POST26） 119
4.3.1 变量定义与存储 120
4.3.2 变量操作与查看 122
4.3.3 结果图形显示与列表 123
4.4 小结 127
第5章 APDL编程语言 128
5.1 APDL语言概述 128
5.2 参数与变量参数的用法 129
5.2.1 参数与变量参数的命名规则 129
5.2.2 变量参数的使用方法 130
5.3 数组参数的用法 139
5.3.1 数组参数概述 139
5.3.2 数组参数的定义 140
5.3.3 数组参数的赋值 141
5.3.4 数组参数的运算 147
5.3.5 矢量和矩阵运算设置 152
5.4 APDL程序结构 153
5.4.1 子程序调用（宏嵌套） 154
5.4.2 无条件分支*GO 154
5.4.3 条件分支*IF 155
5.4.4 重复执行一个命令*REPEAT 156
5.4.5 循环命令*DO 157
5.4.6 控制函数列表 157
5.5 宏文件 158
5.5.1 宏的创建 159
5.5.2 宏的使用 161
5.5.3 局部变量 163
5.6 小结 164
第2部分 ANSYS结构有限元分析基本过程 165
第6章 ANSYS杆系结构有限元分析 166
6.1 杆系结构有限元分析基本过程 166
6.1.1 基本假定 167
6.1.2 单元刚度矩阵 167
6.1.3 结构总刚度矩阵 169
6.1.4 边界条件 169
6.1.5 杆件内力 169
6.2 ANSYS中提供的杆单元简介 169
6.2.1 LINK1单元特性简介 170
6.2.2 LINK8单元特性简介 172
6.2.3 LINK10单元特性简介 173
6.3 杆系结构有限元分析实例详解1：传输塔架的静力分析 175
6.3.1 问题描述与分析 175
6.3.2 求解过程 176
6.4 杆系结构有限元分析实例详解2：立体桁架的静力分析 188
6.4.1 问题描述与分析 188
6.4.2 求解过程 189
6.4.3 命令流 201
6.5 小结 205
第7章 ANSYS梁系结构有限元分析 206
7.1 梁系结构有限元分析基本过程 206
7.1.1 基本假定 206
7.1.2 单元刚度矩阵 206
7.1.3 结构总体刚度矩阵 208
7.1.4 边界条件及求解 208
7.1.5 空间梁系结构的单元刚度矩阵及坐标变换矩阵 209
7.2 ANSYS中提供的梁单元简介 209
7.2.1 BEAM3单元特性简介 210
7.2.2 BEAM4单元特性简介 213
7.2.3 BEAM188和BEAM189单元特性简介 219
7.3 梁系结构有限元分析实例详解1：多跨连续梁静力分析 219
7.3.1 问题描述与分析 220
7.3.2 求解过程 220
7.3.3 命令流 236
7.4 梁系结构有限元分析实例详解2：门式钢架静力分析 238
7.4.1 问题描述与分析 238
7.4.2 求解过程 238
7.4.3 命令流 253
7.5 小结 255
第8章 ANSYS板壳结构有限元分析 256
8.1 板壳结构有限元分析基本过程 256
8.1.1 弹性平面问题有限元分析基本思想 256
8.1.2 平面问题的离散化过程 257
8.1.3 单元刚度分析和结构整体分析 258
8.2 ANSYS中提供的板壳单元简介 258
8.2.1 PLANE42单元特性简介 258
8.2.2 PLANE82单元特性简介 261
8.2.3 SHELL63单元特性简介 262
8.2.4 SHELL93单元特性简介 262
8.3 板结构有限元分析实例详解1：带孔平板结构静力分析 265
8.3.1 问题描述与分析 265
8.3.2 求解过程 265
8.3.3 命令流 277
8.4 壳结构有限元分析实例详解2：混凝土圆柱壳结构静力分析 277
8.4.1 问题描述与分析 277
8.4.2 求解过程 278
8.4.3 命令流 290
8.5 小结 291
第9章 ANSYS实体结构有限元分析 292
9.1 实体结构有限元分析基本过程 292
9.1.1 网格划分 292
9.1.2 单元分析 293
9.1.3 整体分析 293
9.2 ANSYS中提供的实体单元简介 294
9.2.1 SOLID45单元特性简介 294
9.2.2 SOLID65单元特性简介 294
9.2.3 SOLID92单元特性简介 295
9.3 实体结构有限元分析实例详解1：立体钢架的静力分析 296
9.3.1 问题描述与分析 296
9.3.2 求解过程 297
9.4 实体结构有限元分析实例详解2：轴承座的静力分析 313
9.4.1 问题描述与分析 313
9.4.2 求解过程 314
9.5 小结 336
第3部分 ANSYS高级分析实例详解 337
第10章 ANSYS结构动力学分析 338
10.1 结构动力学分析概述 338
10.2 模态分析及实例详解 339
10.2.1 模态分析理论的基本假设 339
10.2.2 模态分析方法 339
10.2.3 模态分析过程 340
10.2.4 模态分析实例详解：立体桁架结构模态分析 343
10.3 谐响应分析及实例详解 355
10.3.1 谐响应分析的定义及应用 355
10.3.2 谐响应分析方法 356
10.3.3 谐响应分析步骤 357
10.3.4 谐响应分析实例详解：两自由度系统谐响应分析 359
10.4 瞬态分析及实例详解 367
10.4.1 瞬态分析的含义和应用 367
10.4.2 瞬态分析求解方法 368
10.4.3 瞬态分析求解步骤 369
10.4.4 瞬态分析实例：移动载荷作用下斜拉悬臂梁结构的瞬态响应分析 370
10.5 谱分析及实例详解 377
10.5.1 谱分析的含义和应用 377
10.5.2 谱分析的类型及方法 377
10.5.3 响应谱分析 378
10.5.4 谱分析实例：地震位移谱作用下三角平台结构响应分析 380
10.6 小结 389
第11章 ANSYS结构非线性分析 390
11.1 结构非线性分析的基本过程 390
11.1.1 结构非线性分析概述 390
11.1.2 几何非线性 391
11.1.3 材料非线性 391
11.1.4 状态非线性 391
11.1.5 非线性分析在ANSYS中的实现 392
11.1.6 非线性分析的基本过程 393
11.2 几何非线性有限元分析实例详解1：细长杆失稳分析 396
11.2.1 问题描述 396
11.2.2 问题分析 396
11.2.3 求解步骤 397
11.2.4 命令流 406
11.3 材料非线性有限元分析实例详解：橡胶圆筒受压分析 407
11.3.1 问题描述 408
11.3.2 问题分析 408
11.3.3 求解步骤 408
11.3.4 命令流 417
11.4 小结 418
第12章 ANSYS结构稳定性分析 419
12.1 结构稳定性分析的基本概念 419
12.1.1 特征值屈曲分析 419
12.1.2 非线性屈曲分析 420
12.2 实例详解1：悬臂梁受压线性屈曲分析 420
12.2.1 问题描述与分析 420
12.2.2 求解过程（GUI方法） 421
12.2.3 命令流 429
12.3 实例详解2：复合材料圆柱壳非线性屈曲分析 430
12.3.1 问题描述与分析 430
12.3.2 求解过程（GUI方法） 430
12.3.3 命令流 440
12.4 小结 442
第4部分 ANSYS工程应用实战演练 443
第13章 ANSYS在复合材料结构中的应用 444
13.1 ANSYS中提供的复合材料单元简介 444
13.1.1 SHELL99——线性层状结构壳单元 444
13.1.2 SHELL91——非线性层状结构壳单元 444
13.1.3 SHELL181——有限应变壳单元 445
13.1.4 SOLID46——三维层状结构体单元 445
13.1.5 SOLID191——层状结构体单元 445
13.1.6 其他可用于复合材料分析的单元 445
13.2 复合材料结构有限元分析基本过程 446
13.2.1 定义材料的叠层结构 446
13.2.2 定义失效准则 449
13.2.3 建模和后处理规则 449
13.3 复合材料结构分析实例详解1：复合材料梁弯曲分析 451
13.3.1 问题描述与分析 451
13.3.2 GUI图形化求解过程 452
13.3.3 APDL命令流求解过程 462
13.4 复合材料结构分析实例详解2：复合材料四边简支板模态分析 464
13.4.1 问题描述与分析 464
13.4.2 GUI图形化求解过程 465
13.4.3 命令流 474
13.5 小结 475
第14章 ANSYS在机械工程中的应用 476
14.1 有限元分析实例详解1：扳手的静力分析 477
14.1.1 问题描述与分析 477
14.1.2 求解过程 477
14.1.3 命令流 487
14.2 有限元分析实例详解2：壳体零件的静力分析 489
14.2.1 问题描述与分析 490
14.2.2 求解过程 490
14.3 有限元分析实例详解3：支架零件模态分析 495
14.3.1 问题描述与分析 495
14.3.2 求解过程 496
14.4 有限元分析实例详解4：电机支架的拓扑结构优化设计 502
14.4.1 问题描述与分析 502
14.4.2 电机支架拓扑结构优化设计 502
14.4.3 优化后电机支架的静力分析 506
14.5 小结 511
第15章 ANSYS在土木工程中的应用 512
15.1 实例详解1：椭圆型双层网壳结构静力分析 512
15.1.1 问题描述与分析 512
15.1.2 求解过程 513
15.1.3 命令流 522
15.2 实例详解2：空间张弦梁结构设计分析 525
15.2.1 问题描述与分析 525
15.2.2 求解过程 525
15.2.3 命令流 539
15.3 实例详解3：空腹梁楼盖组合结构模态分析 544
15.3.1 问题描述与分析 544
15.3.2 求解过程 544
15.3.3 命令流 553
15.4 实例详解4：悬链面薄膜结构找形分析 555
15.4.1 问题描述与分析 556
15.4.2 求解过程 558
15.4.3 命令流 566
15.5 小结 567
附录A ANSYS结构分析常用命令参考 568
附录B ANSYS结构分析常用单元总结 586
参考文献 587