机械结构有限元及工程应用

　　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。

　　上官林建，华北水利水电大学科技处处长，机械工程专业教授、博士生导师。从事高等教育教学工作25年，长期从事工程机械及其润滑技术研发工作，主持中央军委科技委前沿探索项目1项，省部级项目3项，厅级项目4项，主研参与国家级项目3项，河南省重大专项2项，省部级其它项目6项，厅级项目6项；发表论文68篇，其中第一作者33篇，SCI/EI收录8篇，授权发明专利12项，获省部级科技进步一等奖2项，二等奖2项，三等奖2项，市厅级科技进步一等奖８项，2020年作为负责人入选焦作市第四批创新创业领军团队，获得同行高度认可。

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