本書以ANSYS 14.0為平臺(tái)，從力學(xué)基本概念及工程應(yīng)用結(jié)合的角度系統(tǒng)講解非線性相關(guān)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)非線性有限元方法的工程應(yīng)用和融會(huì)貫通，使讀者能夠應(yīng)用非線性有限元方法求解材料非線性、幾何大變形和接觸這些非線性力學(xué)問題，力求在軟件平臺(tái)ANSYS實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提高工程結(jié)構(gòu)中非線性計(jì)算和仿真能力，促進(jìn)非線性有限元的教學(xué)和科研水平。

本書適用于機(jī)械、航空航天、土木專業(yè)的高年級(jí)本科生、研究生和工程技術(shù)人員，并可作為學(xué)習(xí)掌握ANSYS軟件的參考教材。通過本書的詳細(xì)講解，讀者不但可以熟練掌握軟件的相關(guān)操作，而且能深刻理解ANSYS非線性有限元的工程應(yīng)用。

從20世紀(jì)50年代發(fā)展至今，有限元方法已經(jīng)成為計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程科學(xué)領(lǐng)域里最為有效的計(jì)算方法，給工程、科學(xué)以至人類社會(huì)帶來急劇的革命性的變化，而且已經(jīng)開發(fā)了一批通用和專用的有限元軟件，其應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)滲入到各個(gè)工程行業(yè)研發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)，已由輔助的驗(yàn)證工具轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要引擎，并且已從最初的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域擴(kuò)展到流體力學(xué)、電磁、溫度和聲學(xué)等領(lǐng)域，從簡單的靜力分析發(fā)展到非線性分析、動(dòng)力分析、多物理場耦合分析等復(fù)雜計(jì)算。

ANSYS軟件是一款集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，具有多物理場耦合功能，允許在同一模型上進(jìn)行各種各樣的耦合計(jì)算。它是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車、造船、石油化工、航空航天、國防軍工、電子、土木工程、能源、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域。

本書以ANSYS 14.0為平臺(tái)，從力學(xué)基本概念及工程應(yīng)用結(jié)合的角度系統(tǒng)講解非線性相關(guān)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)非線性有限元方法的工程應(yīng)用和融會(huì)貫通，使讀者能夠應(yīng)用非線性有限元方法求解材料非線性、幾何大變形和接觸這些非線性力學(xué)問題，力求在軟件平臺(tái)ANSYS實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提高工程結(jié)構(gòu)中非線性計(jì)算和仿真能力，促進(jìn)非線性有限元的教學(xué)和科研水平。

全書共分為9章，第1章介紹非線性問題的基本理論、ANSYS非線性問題的求解和ANSYS 14.0的新功能；第2章介紹非線性有限元求解技術(shù)及非線性分析相關(guān)建議；第3章介紹非線性分析單元技術(shù)，包括實(shí)體單元、板殼單元和梁單元，介紹了剪切鎖定和體積鎖定問題及鎖定問題的處理方案；第4章介紹幾何非線性問題的求解；第5章介紹材料非線性問題的求解；第6章介紹接觸非線性問題的求解；第7章介紹高級(jí)接觸分析功能；第8章介紹單元生死技術(shù)；第9章介紹復(fù)合材料分析。本書案例豐富，每一章均提供了具體應(yīng)用范例，在講解過程中，結(jié)合了圖形用戶界面操作和命令流操作兩種模式，每個(gè)實(shí)例均提供了詳細(xì)的GUI操作路徑和APDL命令流，讀者可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。

本書適用于機(jī)械、航空航天、土木專業(yè)的高年級(jí)本科生、研究生和工程技術(shù)人員，同時(shí)可以作為高校學(xué)生學(xué)習(xí)掌握ANSYS軟件非線性分析應(yīng)用的參考教材。

本書由張洪偉、高相勝、張慶余編著，感謝北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院各位同事的支持，感謝北京航空航天大學(xué)同門師兄弟的鼓勵(lì)和幫助，感謝空軍航空大學(xué)飛行器與動(dòng)力系各位老師的幫助。在本書的寫作過程中，得到了安世亞太科技股份有限公司及其很多員工的支持和幫助。參加本書編寫的還有姬宜朋、席軍、董曉慧、白賢靈、閆秀柱、陳書軍、肖凱、王慶、張波、呂田、馬勇杰、吳瓊等人。在本書創(chuàng)作期間，中國水利水電出版社老師給予了大力支持，正是他們的辛苦付出，才使得本書在第一時(shí)間與讀者見面。在此，作者向所有參與和關(guān)心本書出版的領(lǐng)導(dǎo)、老師、親人和朋友致以誠摯的謝意。

由于時(shí)間倉促及作者水平有限，難免存在錯(cuò)誤和紕漏之處，敬請廣大讀者批評(píng)指正。

序
前言

第1章 ANSYS非線性問題概述 1
1.1 非線性有限元基本理論 1
1.1.1 彈塑性本構(gòu)關(guān)系 1
1.1.2 大變形幾何關(guān)系 2
1.1.3 接觸非線性問題 4
1.2 ANSYS非線性有限元的功能特點(diǎn) 5
1.3 ANSYS 14.0新功能介紹 9
第2章 非線性有限元求解技術(shù) 13
2.1 非線性求解算法 13
2.1.1 牛頓-拉普森求解 13
2.1.2 迭代過程 15
2.1.3 收斂準(zhǔn)則 16
2.2 載荷步與子步 17
2.2.1 基本概念 17
2.2.2 階躍載荷與漸變載荷 18
2.3 非線性穩(wěn)定性方案 18
2.4 計(jì)算流程及如何獲得收斂解 22
2.4.1 非線性分析的建議 22
2.4.2 非線性分析的相關(guān)選項(xiàng) 23
第3章 非線性分析單元技術(shù) 27
3.1 連續(xù)實(shí)體單元 27
3.1.1 連續(xù)體單元概述 27
3.1.2 ANSYS 14.0中常用實(shí)體單元介紹 28
3.2 殼單元 29
3.2.1 殼單元概述 29
3.2.2 ANSYS 14.0中SHELL181/SHELL281
單元介紹 30
3.3 梁單元 30
3.3.1 梁單元概述 30
3.3.2 BEAM188/BEAM189單元的定義 31
3.3.3 BEAM188/BEAM189單元的網(wǎng)格
劃分及載荷施加 32
3.3.4 BEAM188/BEAM189單元的后處理 33
3.4 剪切和體積鎖定問題 33
3.4.1 剪切鎖定 34
3.4.2 體積鎖定 34
3.5 單元公式及鎖定問題處理 36
3.5.1 選擇縮減積分（B-bar方法） 36
3.5.2 一致縮減積分 36
3.5.3 增強(qiáng)應(yīng)變積分 37
3.5.4 簡單增強(qiáng)應(yīng)變積分 38
3.5.5 混合 U-P 公式 38
3.6 非線性分析單元選擇建議 38
3.6.1 一般原則 38
3.6.2 線性分析和小應(yīng)變非線性分析 38
3.6.3 有限應(yīng)變非線性分析 39
3.7 實(shí)例：超彈性懸臂梁不同單元公式
非線性分析 39
3.7.1 問題描述 39
3.7.2 數(shù)值模擬過程（GUI方法） 39
第4章 幾何非線性與屈曲分析 47
4.1 幾何非線性分析 47
4.1.1 大應(yīng)變效應(yīng) 47
4.1.2 應(yīng)力和應(yīng)變度量 48
4.1.3 大位移/大轉(zhuǎn)動(dòng)（小應(yīng)變） 49
4.1.4 應(yīng)力剛化 49
4.1.5 旋轉(zhuǎn)軟化 50
4.2 幾何非線性分析實(shí)現(xiàn)及提示 50
4.2.1 建模策略 50
4.2.2 網(wǎng)格質(zhì)量檢查 51
4.2.3 求解選項(xiàng) 51
4.2.4 加載和邊界條件 51
4.2.5 后處理 51
4.3 屈曲分析 52
4.3.1 屈曲分析概述 52
4.3.2 特征值屈曲 52
4.3.3 特征值屈曲分析的步驟 53
4.4 非線性屈曲分析 57
4.4.1 非線性屈曲分析 57
4.4.2 非線性后屈曲分析 59
4.5 實(shí)例：超彈性材料拉伸試件的
大變形分析 60
4.5.1 問題描述 60
4.5.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作過程） 60
4.6 實(shí)例：拱結(jié)構(gòu)的線性屈曲分析 67
4.6.1 問題描述 67
4.6.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作過程） 67
4.7 實(shí)例分析：受集中載荷薄殼的失穩(wěn)分析 72
4.7.1 問題描述 72
4.7.2 數(shù)值模擬過程（GUI方法） 72
第5章 材料非線性分析 77
5.1 材料非線性分析概述 77
5.2 塑性理論介紹 77
5.2.1 屈服準(zhǔn)則 78
5.2.2 流動(dòng)準(zhǔn)則 81
5.2.3 強(qiáng)化準(zhǔn)則 81
5.2.4 常用塑性材料本構(gòu)關(guān)系 82
5.2.5 循環(huán)強(qiáng)化和循環(huán)軟化 86
5.2.6 棘輪和調(diào)整效應(yīng) 87
5.2.7 ANSYS 對(duì)塑性過程的考慮 88
5.3 蠕變分析 90
5.3.1 蠕變現(xiàn)象 90
5.3.2 一般蠕變方程 91
5.3.3 隱式蠕變過程 93
5.3.4 顯式蠕變過程 95
5.3.5 ANSYS 蠕變分析的求解過程 100
5.3.6 隱式蠕變與顯式蠕變的比較 102
5.4 DP材料模型 102
5.4.1 DP材料簡介 102
5.4.2 DP材料定義及求解 103
5.5 混凝土材料模型 104
5.5.1 混凝土材料簡介 104
5.5.2 混凝土材料定義及求解 105
5.6 超彈性材料 105
5.6.1 超彈性材料背景 105
5.6.2 超彈性材料本構(gòu)模型 107
5.6.3 求解過程 111
5.7 實(shí)例：超彈性O(shè)形密封圈變形及
應(yīng)力分析 112
5.7.1 問題的描述 112
5.7.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 113
5.7.3 命令流 118
5.8 實(shí)例：帶槽口平板的棘輪行為分析 120
5.8.1 問題的描述 120
5.8.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 121
5.9 實(shí)例：鋁合金毛坯自然時(shí)效分析 130
5.9.1 問題的描述 130
5.9.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 130
5.9.3 命令流 134
第6章 接觸非線性分析 137
6.1 接觸非線性分析概念 137
6.2 接觸類型及接觸單元 139
6.2.1 接觸分類 139
6.2.2 接觸單元 139
6.2.3 接觸對(duì)的建立 142
6.2.4 接觸向?qū)?143
6.3 接觸分析基本參數(shù)設(shè)置 145
6.3.1 接觸剛度 145
6.3.2 接觸算法 146
6.3.3 穿透容差 148
6.3.4 接觸行為 148
6.3.5 球形域 149
6.3.6 接觸探測 151
6.4 摩擦 153
6.4.1 摩擦機(jī)制 153
6.4.2 庫侖摩擦 153
6.4.3 摩擦參數(shù)定義 154
6.5 接觸分析高級(jí)選項(xiàng) 155
6.5.1 控制節(jié)點(diǎn) 155
6.5.2 初始接觸狀態(tài)調(diào)整 156
6.5.3 對(duì)稱接觸/非對(duì)稱接觸 159
6.5.4 接觸診斷工具 160
6.6 面-面接觸 161
6.6.1 應(yīng)用面-面接觸單元 161
6.6.2 接觸分析的步驟 161
6.6.3 建立幾何模型并劃分網(wǎng)格 161
6.6.4 識(shí)別接觸對(duì) 162
6.6.5 指定接觸面和目標(biāo)面 162
6.6.6 定義目標(biāo)面 163
6.6.7 定義柔體的接觸面 167
6.6.8 設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵選項(xiàng) 169
6.6.9 控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)
（剛體-柔體接觸） 180
6.6.10 熱接觸模擬 181
6.6.11 給柔體單元加必要的邊界條件 183
6.6.12 定義求解和載荷步選項(xiàng) 183
6.6.13　求解 185
6.6.14 檢查結(jié)果 185
6.7 點(diǎn)-面接觸 188
6.7.1　使用點(diǎn)-面接觸單元 188
6.7.2　點(diǎn)-面接觸分析的步驟 188
6.8 點(diǎn)-點(diǎn)接觸 199
6.8.1 建立幾何實(shí)體及分網(wǎng) 200
6.8.2 生成接觸單元 200
6.8.3 定義接觸的法線方向 201
6.8.4 定義初始過盈或間隙 202
6.8.5 選擇接觸算法 202
6.8.6 施加必要的邊界條件 203
6.8.7　定義求解選項(xiàng) 203
6.8.8　求解 204
6.8.9　檢查結(jié)果 205
6.9 裝配體接觸分析 205
6.10 接觸分析建議 206
6.10.1 接觸對(duì)的定義 206
6.10.2 接觸參數(shù)設(shè)置 206
6.10.3 收斂困難原因 206
6.11 實(shí)例：厚壁圓筒套裝的過盈分析 207
6.11.1 問題的描述 207
6.11.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 207
6.11.3 求解過程（命令流） 212
6.12 實(shí)例：兩等長圓柱體赫茲接觸分析 214
6.12.1 問題的描述 214
6.12.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 214
6.12.3 求解過程（命令流） 225
6.13 實(shí)例：管夾裝配體的接觸分析 227
6.13.1 問題的描述 227
6.13.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 227
第7章 高級(jí)接觸功能 234
7.1 MPC方法簡介 234
7.2 MPC方法應(yīng)用 235
7.2.1 連接非協(xié)調(diào)網(wǎng)格 235
7.2.2 連接不同單元類型 235
7.2.3 施加遠(yuǎn)處載荷 236
7.3 實(shí)體-板殼單元MPC連接技術(shù) 237
7.3.1 實(shí)體/實(shí)體接觸 237
7.3.2 殼體/殼體接觸基本過程 237
7.3.3 實(shí)體/殼體接觸基本過程 238
7.4 實(shí)體-梁與板殼-梁MPC連接技術(shù) 238
7.4.1 實(shí)體-梁連接 238
7.4.2 殼體-梁連接 239
7.5 施加表面約束載荷 240
7.6 實(shí)例：梁對(duì)實(shí)體的多點(diǎn)約束接觸分析 241
7.6.1 問題描述 241
7.6.2 數(shù)值模擬過程（GUI方法） 241
7.7 實(shí)例：筒體與斜接管接頭應(yīng)力分析 247
7.7.1 問題描述 247
7.7.2 數(shù)值模擬過程（GUI方法） 247
第8章 單元生死技術(shù) 259
8.1 單元生死背景 259
8.2 單元生死實(shí)現(xiàn)過程 260
8.2.1 單元生死的工作原理 260
8.2.2 單元生死的實(shí)現(xiàn)過程 260
8.2.3 使用ANSYS結(jié)果控制單元生死 262
8.2.4 進(jìn)一步說明 263
8.2.5 單元生死應(yīng)用實(shí)例1 264
8.2.6 單元生死應(yīng)用實(shí)例2—地鐵開挖
過程模擬 269
第9章 復(fù)合材料分析 277
9.1 復(fù)合材料分析技術(shù) 277
9.1.1 單元理論和技術(shù) 277
9.1.2 復(fù)合材料單元 281
9.1.3 定義材料的疊層結(jié)構(gòu) 283
9.2 失效準(zhǔn)則及分析過程中的相關(guān)建議 285
9.2.1 定義失效準(zhǔn)則 285
9.2.2 應(yīng)遵循的建模和后處理規(guī)則 288
9.3 新增Debonding模擬材料分離行為 290
9.3.1 Debonding功能概述及分析步驟 290
9.3.2 接觸單元 291
9.3.3 粘結(jié)區(qū)材料模型 291
9.4 實(shí)例：粘結(jié)材料的界面開裂分析 291
9.4.1 問題的描述 291
9.4.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 292
9.5 實(shí)例：復(fù)合材料工字梁的承載分析 297
9.5.1 問題的描述 297
9.5.2 數(shù)值模擬過程（GUI操作） 297
9.5.3 命令流 301
參考文獻(xiàn) 304

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