最新版本

基于結構分析軟件ANSYS的最新版本15.0系統介紹ANSYS結構分析的理論背景及應用

方法。

內容全面

內容涉及ANSYS結構分析的各個方面，包括結構分析建模思想與方法、結構靜/動力計算、非線性分析、穩定性分析、熱傳導分析、流固耦合分析、子結構分析、子模型分析、結構優化設計等分析

專題。

結合典型例題或工程實例講解所有案例均給出具體分析實現過程，并對計算結果進行了必要的分析和進一步討論，幫助讀者更深入地理解有關分析方法和力學概念。

第三版前言

本書的第一版、第二版出版

以來，受到科研及工程計算領域廣大讀者的關注和好評，在推進有限元分析技術的深入應用方面發揮了積極作用。一些高校在有限元課程中將本書第二版作為ANSYS軟件應用的輔助教材。第二版出版五年來，很多讀者向

作者提出許多關于該書的有價值的改進意見和建議；在此期間，ANSYS軟件也由當初的11.0版本發展到目前的15.0版本，軟件新增了不少新的建模和分析功能，ANSYS Workbench環境的應用也日益廣泛。有鑒于此，在保持

前兩版理論實踐結合、例題及工程案例豐富等特點的基礎上，對第二版進行了系統的改編，以滿足當前ANSYS軟件教學和應用的實際需要。

本次改編工作主要體現在如下幾個方面：

（1）總體編寫思路。

工程

技術人員在應用ANSYS處理工程問題時，實際上需要經過一個“將工程問題映射為力學問題，再將力學問題映射為ANSYS模型，然后進行求解”的“二次映射”過程。第一次映射的背后是工程經驗和力學原理，第二次映射

的背后則是數值計算方法和軟件的操作應用能力。為了幫助讀者系統掌握理論基礎和實用的建模及分析方法，提高利用分析軟件處理實際問題的能力，本次改編緊緊圍繞“二次映射”過程有關的問題系統介紹軟件應用相

關的理論背景、建模方法和分析方法三方面的內容。這是本次改編的一個總體思路。

（2）案例操作環境。

ANSYS軟件結構分析目前的情況可以概括為“一個基礎、兩座大廈”，即以共同的結構力學求解器

Mechanical Solver為統一“基礎”、經典環境Mechanical APDL和Workbench中集成的Mechanical Application兩套前后處理“大廈”。經典環境的APDL腳本語言因其參數建模分析自動化程度高、可重復性強、能支持

Mechanical Solver的全部功能等優勢，擁有十分眾多的用戶；另一方面，Workbench環境中集成的工具因其工程化的前后處理和操作便捷等特點，工程應用也日益廣泛。這次改編兼顧了兩類用戶的需要，刪去原書中一些

較簡單的例題和部分講解經典界面交互操作的案例內容，部分例題改用Workbench來建模分析，另外還新增了部分Workbench環境下的典型例題。

（3）全新的內容編排。

本次改編取消原書的三篇式結構，將原書

第一篇的內容加以壓縮和改寫，對第二篇的結構分析專題作了擴充，第三篇中的精選工程范例經改編后融入前面適當的章節。

改編后的第1章為ANSYS有限元分析的理論背景，簡明扼要地介紹了結構靜力有限元計算、

溫度場及熱應力計算、結構動力學分析、流固耦合分析、非線性問題等相關理論。這些內容有助于讀者打下良好的有限元分析理論基礎。第2章為ANSYS軟件應用要點選講，是專門為沒有軟件應用經驗的讀者準備的，介紹

了Mechanical APDL（經典環境）及Workbench環境的一般操作過程和基本操作要點和APDL語言的基礎知識。第3章為ANSYS結構建模思想與方法，全面介紹了ANSYS的常用單元以及各種結構形式（桿系、板殼、實體、組合

結構）的模型構建方法和要點，包含了Workbench環境下各種建模工具的綜合應用。第4章為結構靜力計算，介紹了結構分析的載荷及邊界條件處理方法、結構對稱性的應用、多載荷步（多工況）分析方法及后處理注意事

項，并簡單介紹了強度工具箱和疲勞工具箱的應用。第5章為模態分析，結合案例介紹了一般模態、預應力模態的分析方法。第6章為諧響應分析，介紹簡諧荷載強迫振動下結構穩態響應的計算方法，討論了激振力分布形

式對分析結果的影響。第7章介紹瞬態動力分析的方法和應用，結合簡單例題討論了瞬態分析和諧響應分析的關系，結合例題介紹了結構抗震分析中的瞬態動力問題。第8章為響應譜及PSD分析，結合懸臂結構和海洋平臺

結構分析實例介紹了響應譜分析和PSD分析方法。第9章為流固耦合分析簡介，介紹ANSYS Fluent和Mechanical之間的耦合分析方法，這是本版的新增內容。第10章為溫度場及熱應力計算，這也是本版的新增內容。第11章

介紹了子結構方法及其應用。第12章介紹了子模型方法及其應用，這是本版的新增內容。第13章為結構非線性分析，介紹了各類非線性問題的處理方法和策略，并提供了一系列非線性分析實例。第14章為梁殼結構的屈曲

分析，介紹了特征值屈曲以及非線性屈曲分析的方法，在非線性屈曲分析中比較了弧長法和非線性穩定性方法的計算結果。第15章為結構優化設計，介紹了形狀優化方法和基于ANSYS Design Exploration的結構參數優化

方法。附錄中收錄了部分常用結構分析單元的形函數。

本版改編工作主要由尚曉江、邱峰等承擔，前兩版的部分作者也參與了相關章節的改寫，并為本次改編工作提供了很好的建議。此外，還要特別感謝中國水利水

電出版社楊元泓老師對本書的支持和幫助。

由于本次改編涉及多項ANSYS新技術，加之時間倉促和編者認識水平的局限，書中不當和錯誤之處在所難免，歡迎廣大讀者批評指正。作者的聯系方式：

xiaojiang.shang@139.com。

編 者

2014年11月

第1章 ANSYS結構分析的理論背景及功能概述 1
1.1 有限單元法的基本思想與解題過程 1
1.1.1 起源于桿系結構分析的
有限單元法 1
1.1.2 有限單元法處理問題的一般過程及
算法特點 6
1.2 ANSYS Mechanical的分析能力及
一般分析流程 9
1.3 ANSYS結構計算的理論基礎 11
1.3.1
ANSYS靜力分析的理論基礎 11
1.3.2 ANSYS動力分析的理論基礎 17
1.4 ANSYS熱傳導計算的理論基礎 19
1.5 ANSYS流固耦合分析的理論基礎 21
1.6 ANSYS結構非線性分析的基本概念

與算法 22
第2章 ANSYS結構分析軟件應用精要 27
2.1 ANSYS結構分析軟件架構及兩層體系 28
2.1.1 ANSYS結構分析軟件的架構：一個
基礎、兩座大廈 28
2.1.2 ANSYS Mechanical內
部工作的
兩層體系 29
2.2 Mechanical APDL應用要點選講 29
2.2.1 Mechanical APDL的界面、工作機制
及操作流程 29
2.2.2 Mechanical APDL的對象操作 36
2.2.3 APDL語言簡
介與應用入門 39
2.3 Workbench及Mechanical Application
應用要點選講 47
2.3.1 ANSYS Workbench環境簡介 48
2.3.2 Workbench結構分析系統與組件 50
2.3.3
Mechanical Application組件的
操作要點 52
第3章 ANSYS結構分析建模思想與方法 55
3.1 ANSYS結構分析建模思想與方法概述 55
3.1.1 ANSYS結構分析建模的二次
映射思想
55
3.1.2 工程結構分類與ANSYS單元選擇 56
3.1.3 結構分析建模的直接法與間接法 59
3.2 Mechanical APDL結構分析的建模方法 60
3.2.1 Mechanical APDL建模過程概述
60
3.2.2 Mechanical APDL連續體結構
建模要點 63
3.2.3 Mechanical APDL桿系及板殼結構
建模要點 69
3.3 Workbench結構分析的建模方法 77
3.3.1 Workbench建模過程及相關組件
簡介 77
3.3.2 Workbench連續體結構建模要點 84
3.3.3 Workbench梁殼結構建模要點 85
第4章 結構靜力計算 88
4.1 Mechanical APDL靜力分析 88
4.1.1 載荷及約束
的施加 88
4.1.2 單/多載荷步靜力分析 93
4.1.3 靜力分析結果后處理 94
4.2 Mechanical Application（WB）靜力分析 98
4.3 靜力計算工程案例 102
4.3.1 網架結構溫差作用分
析 102
4.3.2 獨立重力壩的靜力分析 106
4.3.3 施工防護結構的靜力計算 120
第5章 模態分析 128
5.1 ANSYS模態分析方法及注意事項 128
5.1.1 一般模態分析方法 128
5.1.2 ANSYS預應力模態分析 131
5.2 模態分析例題：球面網殼結構 132
5.3 預應力模態例題：拉桿橫向振動模態 136
第6章 諧響應分析 140
6.1 諧響應分析的實現過程及注意事
項 140
6.2 諧響應例題：不同激振力分布形式的
諧響應分析 146
第7章 瞬態動力分析 157
7.1 瞬態分析的實現過程及注意事項 157
7.2 瞬態結構分析案例 160
7.2.1 案例一：簡諧載荷作用的單自由度
系統 160
7.2.2 案例二：多自由度結構地震波
時程分析 162
第8章 響應譜及PSD分析 166
8.1 響應譜分析的實現過程與案例 166
8.1.1 響應譜分析的具體實現過程 166
8.1.2 響應譜分析案例：懸臂結構地震
響應譜分析 168
8.2 PSD分析的實現過程與案例 174
8.2.1 ANSYS的PSD分析方法 174
8.2.2 PSD分析案例：海洋平臺波浪力作用
下的PSD分析 177
第9章 流固耦合分析簡介 199
9.1 ANSYS流固耦合分析方法與過程 199
9.2 流固耦合例題：雙立板在水中的
擺動模
擬 200
9.2.1 搭建分析項目流程 200
9.2.2 瞬態結構分析前處理 201
9.2.3 流體域分析前處理 206
9.2.4 系統耦合設置及求解 208
9.2.5 結果后處理 209
第10章 熱傳導分析及熱應力計算 215
10.1 Workbench中的熱傳導及熱應力
分析方法 215
10.2 熱傳導及熱應力分析例題 218
第11章 子結構分析 223
11.1 子結構分析
的基本概念 223
11.2 子結構分析的一般過程 225
11.2.1 生成部分 225
11.2.2 使用部分 227
11.2.3 擴展部分 229
11.3 子結構分析例題：空腹梁 229
第12章 子模型方
法的應用 238
12.1 子模型分析方法的概念和實現過程 238
12.2 子模型分析案例：開孔的拱殼局部
應力分析 239
12.2.1 問題描述 239
12.2.2 建立幾何模型 240
12.2.3 創建分析流程及項目文件 242
12.2.4 全模型分析 243
12.2.5 子模型分析 244
第13章 結構非線性分析 248
13.1 ANSYS非線性分析的求解設置與
實施要
點 248
13.1.1 ANSYS非線性分析的求解設置 248
13.1.2 非線性分析的實施要點及
注意事項 253
13.2 ANSYS接觸問題的建模與分析 254
13.2.1 接觸分析概述 254
13.2.2 Mechanical接觸分析方法 255
13.3 非線性分析例題 258
13.3.1 油罐底效應的簡化分析 258
13.3.2 網殼焊接球節點的彈塑性受力
分析 261
13.3.3 插銷裝配
及撥拉接觸分析 268
第14章 梁殼結構的屈曲分析 275
14.1 結構屈曲問題的基本概念 275
14.2 特征值屈曲及非線性屈曲分析的方法 276
14.3 穩定性分析案例：工字型截面構件

的失穩分析 277
14.3.1 特征值屈曲分析 277
14.3.2 非線性屈曲分析：弧長法 280
14.3.3 非線性屈曲分析：非線性穩定性 282
第15章 結構優化設計 284
15.1 ANSYS形狀優
化技術簡介 284
15.2 基于Design Exploration的參數
優化技術 285
15.2.1 結構參數優化的數學表述 285
15.2.2 目標驅動優化的一般過程 286
15.3 Design Exploration
優化分析案例 289
附錄 ANSYS常用單元形函數 297
參考文獻 304

1. 輸水管線工程風險管理 [張勇 黨亥生 著]
2. 民用航空飛機標準線路施工 [主編　王志敏　陳明]
3. 不息的水脈—大運河講談錄 [趙珩　著]
4. 實用運籌學 [主編　邢育紅　于晉臣]
5. 三峽梯級電站水資源決策支持系統研究與開發 [姚華明 潘紅忠 湯正]
6. 海南黎族民俗文化鑒賞 [龐國華　著]
7. 石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用 [李艷秀 莊華偉 著]
8. 電子技術（第二版） [主編 覃愛娜 李飛]
9. 辦公自動化高級應用 [陳萍 朱曉玉]
10. 信息處理技術員考試32小時通關 [薛大龍]
11. 電子產品設計案例教程（微課版）—基于嘉立創EDA（專業版） [王靜 莫志宏 陳學昌 丁紅]
12. C程序設計實踐教程 [劉衛國]
13. C程序設計（慕課版） [劉衛國]
14. Web技術開發教程（基于.NET開源MVC框架） [王合闖 韓紅玲 王青正 陳海蕊]
15. 商務英語翻譯教程（筆譯）（第四版） [主編 王軍平]
16. 智慧零售技術與應用 [洪旭 著]
17. 建設工程法規實務 [主編 余瀅]
18. 商務秘書理論與實務（第三版） [主編 張同欽]
19. 程序設計基礎實踐教程（C/C++語言版） [張桂芬 葛麗娜]
20. C++案例項目精講 [主編 楊國興]
21. 勞動爭議處理實務 [主編 王秀卿 羅靜]
22. 工程數學 [主編 郭立娟 王海]
23. 語音識別理論與實踐 [主編　莫宏偉]
24. 信息系統項目管理師章節習題與考點特訓（第二版） [主編 薛大龍]
25. 武術基礎教程 [主編 李代勇 謝志民]
26. 計算機網絡實訓教程 [主編 張浩軍 趙玉娟]
27. 畫法幾何與機械制圖習題集（多學時） [主編 趙軍]
28. HCIA-Datacom認證題庫分類精講 [主 編 韓立剛]
29. SwiftUI完全開發 [李智威 著]
30. 網絡規劃設計師備考一本通 [夏杰 編著]