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出版者:Springer

作者:Erdogan Madenci

出品人:

页数:706

译者:

出版时间:2005-10-17

价格:USD 139.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387282893

丛书系列:

图书标签:

• sdf
• 有限元方法
• 工程应用
• ANSYS
• 数值分析
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• 热传导
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Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS® 导论 在现代工程设计与分析的广阔领域中，精确而高效的数值模拟工具扮演着至关重要的角色。随着复杂工程问题的日益增多，从宏观的结构力学到微观的热传导，再到流体动力学，传统的解析方法往往显得力不从心。Finite Element Method (FEM) 的出现，如同一场技术革命，为解决这些挑战提供了强大的理论基础和实践手段。而 ANSYS®，作为业界领先的工程仿真软件套件，则将 FEM 的强大能力具象化，赋予了工程师们前所未有的分析视野和解决问题的能力。 本书《Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS®》旨在为广大工程技术人员、研究生以及对工程仿真感兴趣的学习者提供一套系统、深入且实用的 Finite Element Method (FEM) 学习指南。我们不仅仅局限于 FEM 的理论推导，更将重点放在如何将 FEM 的强大力量通过 ANSYS® 这一先进的工程仿真平台转化为解决实际工程问题的能力。本书的内容设计，力求理论与实践相结合，从基础概念的建立，到复杂模型的构建，再到结果的深入解读，层层递进，循序渐进，确保读者能够真正掌握 FEM 在工程应用中的精髓。 理论基石：Finite Element Method (FEM) 的核心原理 在深入 ANSYS® 的操作之前，对 FEM 的基本原理进行透彻的理解是必不可少的。本书将从以下几个关键方面，详细阐述 FEM 的理论基础： 变分原理与加权余量法： FEM 的核心思想是将连续的求解域离散化为有限个相互连接的单元，并在这些单元上采用近似函数来描述物理量的分布。本书将深入探讨基于变分原理（如虚功原理、最小势能原理）和加权余量法（如伽辽金法、精细积分法）的 FEM 近似方法。我们将详细分析这些方法如何将偏微分方程转化为代数方程组，从而便于计算机求解。读者将理解不同变分原理和加权余量法在数值稳定性和精度方面的权衡。 单元的离散化与节点： 求解域的离散化是 FEM 的第一步。本书将介绍不同维度的单元类型，包括一维杆单元、梁单元，二维三角形单元、四边形单元，以及三维四面体单元、六面体单元等。我们将详细讲解单元的形状函数（Shape Functions），这些函数是描述单元内节点位移（或温度、压力等物理量）与节点值之间关系的数学表达。理解形状函数的构造及其性质，是掌握 FEM 模型构建的关键。 刚度矩阵与载荷向量的组装： FEM 的基本过程是将每个单元的贡献（单元刚度矩阵和单元载荷向量）组装成全局刚度矩阵和全局载荷向量。本书将详细推导不同类型单元的单元刚度矩阵和单元载荷向量的计算方法，并阐述如何根据节点连接关系，通过“稀疏性”和“对称性”的原理，高效地进行全局矩阵的组装。我们将重点讨论单元的拓扑结构对刚度矩阵生成的影响。 边界条件的处理： 在 FEM 分析中，正确施加边界条件至关重要，它直接影响到求解的唯一性和物理意义。本书将详细介绍不同类型的边界条件，包括强制位移边界条件（Dirichlet边界条件）、强制力/载荷边界条件（Neumann边界条件）以及混合边界条件。我们将深入讲解如何在全局刚度矩阵和载荷向量中有效地施加这些边界条件，以及不同施加方法对求解效率和精度的影响。 方程组的求解： 组装好的全局方程组通常是大型稀疏线性方程组。本书将介绍常见的求解器，包括直接求解法（如高斯消元法、LU分解法）和迭代求解法（如共轭梯度法、广义最小残差法）。我们将讨论不同求解器的适用范围、优缺点以及在 ANSYS® 中的选择与优化策略。 ANSYS® 实践：FEM 的强大实现 理论知识的积累终究需要通过实践来检验和巩固。ANSYS® 作为一款功能强大且广泛应用于工业界的工程仿真软件，为 FEM 的应用提供了完美的平台。本书将以 ANSYS® 为工具，带领读者一步步实践 FEM 的工程应用： ANSYS® 工作流程概览： 本书将从 ANSYS® 的基本操作界面和工作流程入手，为读者构建一个初步的认识。我们将介绍 Preprocessor（前处理）、Solver（求解）和 Postprocessor（后处理）三个主要阶段，以及在每个阶段中需要完成的关键任务，例如几何模型的创建、材料属性的定义、网格的划分、载荷和边界条件的施加、求解器的设置以及结果的可视化和分析。 几何建模与网格划分： 准确的几何模型是仿真分析的基础。本书将详细介绍 ANSYS® 中进行参数化几何建模、导入外部CAD模型以及对几何模型进行清理和修复的方法。同时，网格的质量和密度直接影响仿真结果的精度和计算效率。我们将深入探讨不同网格单元类型（例如，结构力学中的扫掠网格、映射网格，流体分析中的多面体网格、棱柱层网格）的优缺点，网格尺寸的确定策略，以及网格质量检查和优化技术。 材料建模与本构关系： 工程材料的力学、热学、电学等行为是影响仿真结果的关键因素。本书将详细介绍 ANSYS® 中如何定义各种材料属性，包括线弹性、非线性弹性、塑性、蠕变、各向异性材料等。我们将重点讲解不同本构关系（Constitutive Relations）在 ANSYS® 中的实现方式，以及如何根据实际工程需求选择合适的材料模型。 载荷与边界条件的施加： 准确地施加载荷和边界条件是确保仿真结果可靠性的重要环节。本书将详细介绍 ANSYS® 中各种载荷类型（例如，力、压力、温度、重力、载荷曲线）和边界条件类型（例如，固定约束、滑动约束、对称约束、热边界条件、流体边界条件）的施加方法，以及如何根据具体工程问题进行合理的选择。 求解器选择与设置： ANSYS® 提供了多种求解器，适用于不同类型的工程问题。本书将深入讲解 ANSYS® 中常用求解器的原理和适用范围，例如，结构力学中的直接求解器和迭代求解器，流体动力学中的压力基求解器和密度基求解器，以及热分析求解器等。我们将指导读者如何根据问题特点选择最合适的求解器，并进行相关的求解设置，以获得高效且准确的解。 结果后处理与工程解读： 仿真计算的最终目的是为了获得有意义的工程洞察。本书将详细介绍 ANSYS® 中强大的后处理功能，包括变形云图、应力/应变云图、温度分布图、速度矢量图、流线图等。我们将重点讲解如何对仿真结果进行定性与定量的分析，如何评估仿真结果的可靠性，如何提取关键工程参数（如最大应力、最大变形、热流密度、压降等），并如何将这些结果与工程实际相结合，为设计优化和决策提供科学依据。 关键工程应用领域 FEM 和 ANSYS® 的强大组合在众多工程领域都展现出了卓越的应用价值。本书将精选若干典型的工程应用案例，深入剖析如何运用 FEM 和 ANSYS® 来解决实际问题： 结构力学分析： 静态结构分析： 讲解如何对承受静态载荷的结构件进行应力、应变和变形分析，例如，桥梁、建筑、汽车零部件、航空航天结构等。我们将重点关注应力集中、疲劳寿命评估和结构刚度设计。 模态分析： 演示如何进行结构的固有频率和振型分析，以预测结构的共振行为，避免在工作状态下发生危险的振动，例如，机械设备的减振设计、建筑物的抗震设计。 屈曲分析： 介绍如何预测薄壁结构在受压时的失稳临界载荷，例如，罐体、管道、飞机机翼等。 动力学分析： 讲解如何进行瞬态动力学分析，模拟结构在随时间变化的载荷作用下的响应，例如，碰撞分析、冲击响应分析。 非线性结构分析： 探讨如何处理材料非线性（塑性、大变形）、接触非线性和接触面的粘附/分离等复杂情况，例如，连接件的受力分析、金属成形过程模拟。 热传导分析： 稳态热分析： 演示如何分析物体在稳定状态下的温度分布，例如，电子设备的散热设计、发动机的温度场分析、建筑物的保温性能评估。 瞬态热分析： 讲解如何模拟物体随时间变化的温度响应，例如，快速加热或冷却过程的分析、设备启动和关闭过程的温度变化。 热-结构耦合分析： 介绍如何同时考虑温度场变化对结构应力、应变的影响，例如，航空发动机涡轮叶片的温度应力分析、电子元器件的热膨胀应力分析。 流体动力学分析（CFD）： 层流与湍流模拟： 讲解如何模拟流体在管道、翼型、车辆周围的流动行为，分析速度场、压力场和流线，例如，管道流动阻力计算、翼型升力/阻力分析、汽车空气动力学设计。 传热与传质耦合分析： 介绍如何同时考虑流体流动与热量和质量传递的相互作用，例如，换热器的性能分析、空气污染扩散模拟。 多相流分析： 演示如何模拟包含两种或多种不同相（例如，气-液、液-液）的流动，例如，锅炉中的蒸汽产生、油水分离过程。 电磁场分析： 静电场分析： 讲解如何分析电容器、绝缘材料等器件的电场分布和电容。 稳态磁场分析： 演示如何分析永磁体、电磁铁的磁场分布和磁通密度。 低频电磁场分析： 介绍如何进行感应加热、电动机、变压器等器件的电磁场和损耗分析。 进阶主题与最佳实践 除了基础理论和典型应用，本书还将触及一些更深入的主题和工程仿真中的最佳实践，以帮助读者提升仿真能力： 网格收敛性研究： 强调进行网格收敛性研究的重要性，通过逐渐细化网格并观察仿真结果的变化，来确定最优的网格密度，确保结果的准确性。 模型简化与假设： 讨论在工程仿真中，如何根据实际情况进行合理的模型简化和假设，以提高计算效率，同时又不显著牺牲结果的精度。 不确定性量化与可靠性分析： 介绍如何考虑输入参数的不确定性，并进行可靠性分析，以评估工程设计的鲁棒性。 参数化研究与优化设计： 演示如何利用 ANSYS® 的参数化建模和设计优化工具，对工程设计进行系统性的参数化研究，寻找最优设计方案。 仿真结果的验证与校核： 强调仿真结果需要与实验数据或理论计算进行对比验证，以确保仿真模型的有效性。 总结 《Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS®》旨在成为一本全面、实用且易于理解的 FEM 工程应用指南。通过理论与 ANSYS® 实践的深度融合，本书将赋能读者掌握运用 FEM 进行复杂工程问题分析和解决的核心技能。无论您是初学者还是希望提升仿真水平的工程师，都能从中受益匪浅。掌握 Finite Element Method 并熟练运用 ANSYS®，将为您的工程生涯开辟更广阔的可能性，在瞬息万变的工程技术领域保持领先。

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