有限元分析——ANSYS理论与应用(第五版)(英文版)

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2021-04
版次: 1
ISBN: 9787121409967
定价: 218.00
装帧: 其他
开本: 其他
纸张: 胶版纸
页数: 1.060页
10人买过
  • 本书详细介绍了有限元分析的基本理论和方法,以及ANSYS软件在有限元分析中的应用。全书详细介绍了一维和二维有限元公式的推导以及实例问题的分析方法,简单阐述了三维有限元分析方法;讨论了桁架、轴力构件、梁、框架、热传递、流体流动和动力学问题的有限元分析;通过实例详细介绍了利用ANSYS进行有限元分析的基本方法和步骤。每章均先介绍相关的基本概念和有限元公式的推导过程,然后基于有限元分析方法手工求解一些简单的实例问题,进而再利用ANSYS进行问题求解。本书特别强调分析结果的验证,在一些章的章末均提出了针对不同问题的分析结果的验证方法。 Saeed Moaveni(萨伊德 · 莫维尼) 博士是一位成功的作者、教师与工程专家。他于1990年加入明尼苏达州立大学机械工程部,现在是机械工程学院的院长。他是美国机械工程学会(ASME)的会员和美国工程教育学会(ASEE)的Tau Beta Pi 荣誉会员。

    Saeed Moaveni博士是一位成功的作者、教师与工程专家。他于1990年加入明尼苏达州立大学机械工程部,现在是机械工程学院的院长。他是美国机械工程学会(ASME)的会员和美国工程教育学会(ASEE)的Tau Beta Pi 荣誉会员。 Contents 

    1 Introduction 1 

    1.1 Engineering Problems 2 

    1.2 Numerical Methods 5 

    1.3 A Brief History of the Finite Element Method and ANSYS 6 

    1.4 Basic Steps in the Finite Element Method 6 

    1.5 Direct Formulation 8 

    1.6 Minimum Total Potential Energy Formulation 37 

    1.7 Weighted Residual Formulations 43 

    1.8 Verification of Results 48 

    1.9 Understanding the Problem 49 

    Summary 54 

    References 54 

    Problems 54 

    2 Matrix Algebra 66 

    2.1 Basic Definitions 66 

    2.2 Matrix Addition or Subtraction 69 

    2.3 Matrix Multiplication 69 

    2.4 Partitioning of a Matrix 73 

    2.5 Transpose of a Matrix 77 

    2.6 Determinant of a Matrix 81 

    2.7 Solutions of Simultaneous Linear Equations 86 

    2.8 Inverse of a Matrix 94 

    2.9 Eigenvalues and Eigenvectors 98 

    2.10 Using MATLAB to Manipulate Matrices 102 

    2.11 Using Excel to Manipulate Matrices 106 

    2.12 Solutions of Simultaneous Nonlinear Equations 121 

    Summary 123 

    References 124 

    Problems 124 

    3 Trusses 129 

    3.1 Definition of a Truss 129 

    3.2 Finite Element Formulation 130 

    3.3 Space Trusses 155 

    3.4 Overview of the ANSYS Program 157 

    3.5 ANSYS Workbench Environment 165 

    3.6 Examples Using ANSYS 165 

    3.7 Verification of Results 197 

    Summary 199 

    References 199 

    Problems 199 

    4 Axial Members, Beams, and Frames 209 

    4.1 Members Under Axial Loading 209 

    4.2 Beams 217 

    4.3 Finite Element Formulation of Beams 222 

    4.4 Finite Element Formulation of Frames 238 

    4.5 Three-Dimensional Beam Element 244 

    4.6 An Example Using ANSYS 246 

    4.7 Verification of Results 271 

    Summary 273 

    References 274 

    Problems 275 

    5 One-Dimensional Elements 287 

    5.1 Linear Elements 287 

    5.2 Quadratic Elements 291 

    5.3 Cubic Elements 293 

    5.4 Global, Local, and Natural Coordinates 296 

    5.5 Isoparametric Elements 298 

    5.6 Numerical Integration: Gauss?CLegendre Quadrature 300 

    5.7 Examples of One- 

    Dimensional 

    Elements in ANSYS 305 

    Summary 305 

    References 305 

    Problems 305 

    6 Analysis of One-Dimensional Problems 312 

    6.1 Heat Transfer Problems 312 

    6.2 A Fluid Mechanics Problem 331 

    6.3 An Example Using ANSYS 335 

    6.4 Verification of Results 350 

    6.5 Members Under Axial Loading with Temperature Change 351 

    Summary 353 

    References 353 

    Problems 353 

    7 Two-Dimensional Elements 357 

    7.1 Rectangular Elements 357 

    7.2 Quadratic Quadrilateral Elements 361 

    7.3 Linear Triangular Elements 366 

    7.4 Quadratic Triangular Elements 371 

    7.5 Axisymmetric Elements 375 

    7.6 Isoparametric Elements 380 

    7.7 Two-Dimensional Integrals: Gauss?CLegendre Quadrature 383 

    7.8 Examples of Two-Dimensional Elements in ANSYS 384 

    Summary 385 

    References 385 

    Problems 386 

    8 More ANSYS 393 

    8.1 ANSYS Program 393 

    8.2 ANSYS Database and Files 394 

    8.3 Creating a Finite Element Model with ANSYS: Preprocessing 396 

    8.4 h-Method Versus p-Method 410 

    8.5 Applying Boundary Conditions, Loads, and the Solution 410 

    8.6 Results of Your Finite Element Model: Postprocessing 413 

    8.7 Selection Options 418 

    8.8 Graphics Capabilities 419 

    8.9 Error-Estimation Procedures 421 

    8.10 More on ANSYS Workbench Environment 422 

    8.11 An Example Problem 428 

    Summary 441 

    References 442 

    9 Analysis of Two-Dimensional Heat Transfer Problems 443 

    9.1 General Conduction Problems 443 

    9.2 Formulation with Rectangular Elements 450 

    9.3 Formulation with Triangular Elements 461 

    9.4 Axisymmetric Formulation of Three-Dimensional Problems 480 

    9.5 Unsteady Heat Transfer 487 

    9.6 Conduction Elements Used by ANSYS 497 

    9.7 Examples Using ANSYS 498 

    9.8 Verification of Results 538 

    Summary 538 

    References 540 

    Problems 540 

    10 Analysis of Two-Dimensional Solid Mechanics Problems 552 

    10.1 Torsion of Members with Arbitrary Cross-Section Shape 552 

    10.2 Plane-Stress Formulation 568 

    10.3 Isoparametric Formulation: Using a Quadrilateral Element 576 

    10.4 Axisymmetric Formulation 583 

    10.5 Basic Failure Theories 585 

    10.6 Examples Using ANSYS 586 

    10.7 Verification of Results 608 

    Summary 608 

    References 610 

    Problems 610 

    11 Dynamic Problems 619 

    11.1 Review of Dynamics 619 

    11.2 Review of Vibration of Mechanical and Structural Systems 633 

    11.3 Lagrange’s Equations 650 

    11.4 Finite Element Formulation of Axial Members 652 

    11.5 Finite Element Formulation of Beams and Frames 661 

    11.6 Examples Using ANSYS 675 

    Summary 694 

    References 694 

    Problems 694 

    12 Analysis of Fluid Mechanics Problems 701 

    12.1 Direct Formulation of Flow Through Pipes 701 

    12.2 Ideal Fluid Flow 713 

    12.3 Groundwater Flow 719 

    12.4 Examples Using ANSYS 722 

    12.5 Verification of Results 743 

    Summary 744 

    References 745 

    Problems 746 

    13 Three-Dimensional Elements 751 

    13.1 The Four-Node Tetrahedral Element 751 

    13.2 Analysis of Three-Dimensional Solid Problems Using Four-Node Tetrahedral Elements 754 

    13.3 The Eight-Node Brick Element 759 

    13.4 The Ten-Node Tetrahedral Element 761 

    13.5 The Twenty-Node Brick Element 762 

    13.6 Examples of Three-Dimensional Elements in ANSYS 764 

    13.7 Basic Solid-Modeling Ideas 768 

    13.8 A Thermal Example Using ANSYS 779 

    13.9 A Structural Example Using ANSYS 796 

    Summary 809 

    References 809 

    Problems 809 

    14 Design and Material Selection 818 

    14.1 Engineering Design Process 819 

    14.2 Material Selection 822 

    14.3 Electrical, Mechanical, and Thermophysical Properties of Materials 823 

    14.4 Common Solid Engineering Materials 825 

    14.5 Some Common Fluid Materials 832 

    Summary 834 

    References 834 

    Problems 834 

    15 Design Optimization 836 

    15.1 Introduction to Design Optimization 836 

    15.2 The Parametric Design Language of ANSYS 840 

    15.3 Examples of Batch Files 842 

    Summary 853 

    References 854 

    Problems 854 

    Appendix A Mechanical Properties of Some Materials 855 

    Appendix B Thermophysical Properties of Some Materials 859 

    Appendix C Properties of Common Line and Area Shapes 861 

    Appendix D Geometrical Properties of Structural Steel Shapes 865 

    Appendix E Conversion Factors 869 

    Appendix F An Introduction to MATLAB 871 

    Appendix G Workbench Examples 905
  • 内容简介:
    本书详细介绍了有限元分析的基本理论和方法,以及ANSYS软件在有限元分析中的应用。全书详细介绍了一维和二维有限元公式的推导以及实例问题的分析方法,简单阐述了三维有限元分析方法;讨论了桁架、轴力构件、梁、框架、热传递、流体流动和动力学问题的有限元分析;通过实例详细介绍了利用ANSYS进行有限元分析的基本方法和步骤。每章均先介绍相关的基本概念和有限元公式的推导过程,然后基于有限元分析方法手工求解一些简单的实例问题,进而再利用ANSYS进行问题求解。本书特别强调分析结果的验证,在一些章的章末均提出了针对不同问题的分析结果的验证方法。
  • 作者简介:
    Saeed Moaveni(萨伊德 · 莫维尼) 博士是一位成功的作者、教师与工程专家。他于1990年加入明尼苏达州立大学机械工程部,现在是机械工程学院的院长。他是美国机械工程学会(ASME)的会员和美国工程教育学会(ASEE)的Tau Beta Pi 荣誉会员。

    Saeed Moaveni博士是一位成功的作者、教师与工程专家。他于1990年加入明尼苏达州立大学机械工程部,现在是机械工程学院的院长。他是美国机械工程学会(ASME)的会员和美国工程教育学会(ASEE)的Tau Beta Pi 荣誉会员。
  • 目录:
    Contents 

    1 Introduction 1 

    1.1 Engineering Problems 2 

    1.2 Numerical Methods 5 

    1.3 A Brief History of the Finite Element Method and ANSYS 6 

    1.4 Basic Steps in the Finite Element Method 6 

    1.5 Direct Formulation 8 

    1.6 Minimum Total Potential Energy Formulation 37 

    1.7 Weighted Residual Formulations 43 

    1.8 Verification of Results 48 

    1.9 Understanding the Problem 49 

    Summary 54 

    References 54 

    Problems 54 

    2 Matrix Algebra 66 

    2.1 Basic Definitions 66 

    2.2 Matrix Addition or Subtraction 69 

    2.3 Matrix Multiplication 69 

    2.4 Partitioning of a Matrix 73 

    2.5 Transpose of a Matrix 77 

    2.6 Determinant of a Matrix 81 

    2.7 Solutions of Simultaneous Linear Equations 86 

    2.8 Inverse of a Matrix 94 

    2.9 Eigenvalues and Eigenvectors 98 

    2.10 Using MATLAB to Manipulate Matrices 102 

    2.11 Using Excel to Manipulate Matrices 106 

    2.12 Solutions of Simultaneous Nonlinear Equations 121 

    Summary 123 

    References 124 

    Problems 124 

    3 Trusses 129 

    3.1 Definition of a Truss 129 

    3.2 Finite Element Formulation 130 

    3.3 Space Trusses 155 

    3.4 Overview of the ANSYS Program 157 

    3.5 ANSYS Workbench Environment 165 

    3.6 Examples Using ANSYS 165 

    3.7 Verification of Results 197 

    Summary 199 

    References 199 

    Problems 199 

    4 Axial Members, Beams, and Frames 209 

    4.1 Members Under Axial Loading 209 

    4.2 Beams 217 

    4.3 Finite Element Formulation of Beams 222 

    4.4 Finite Element Formulation of Frames 238 

    4.5 Three-Dimensional Beam Element 244 

    4.6 An Example Using ANSYS 246 

    4.7 Verification of Results 271 

    Summary 273 

    References 274 

    Problems 275 

    5 One-Dimensional Elements 287 

    5.1 Linear Elements 287 

    5.2 Quadratic Elements 291 

    5.3 Cubic Elements 293 

    5.4 Global, Local, and Natural Coordinates 296 

    5.5 Isoparametric Elements 298 

    5.6 Numerical Integration: Gauss?CLegendre Quadrature 300 

    5.7 Examples of One- 

    Dimensional 

    Elements in ANSYS 305 

    Summary 305 

    References 305 

    Problems 305 

    6 Analysis of One-Dimensional Problems 312 

    6.1 Heat Transfer Problems 312 

    6.2 A Fluid Mechanics Problem 331 

    6.3 An Example Using ANSYS 335 

    6.4 Verification of Results 350 

    6.5 Members Under Axial Loading with Temperature Change 351 

    Summary 353 

    References 353 

    Problems 353 

    7 Two-Dimensional Elements 357 

    7.1 Rectangular Elements 357 

    7.2 Quadratic Quadrilateral Elements 361 

    7.3 Linear Triangular Elements 366 

    7.4 Quadratic Triangular Elements 371 

    7.5 Axisymmetric Elements 375 

    7.6 Isoparametric Elements 380 

    7.7 Two-Dimensional Integrals: Gauss?CLegendre Quadrature 383 

    7.8 Examples of Two-Dimensional Elements in ANSYS 384 

    Summary 385 

    References 385 

    Problems 386 

    8 More ANSYS 393 

    8.1 ANSYS Program 393 

    8.2 ANSYS Database and Files 394 

    8.3 Creating a Finite Element Model with ANSYS: Preprocessing 396 

    8.4 h-Method Versus p-Method 410 

    8.5 Applying Boundary Conditions, Loads, and the Solution 410 

    8.6 Results of Your Finite Element Model: Postprocessing 413 

    8.7 Selection Options 418 

    8.8 Graphics Capabilities 419 

    8.9 Error-Estimation Procedures 421 

    8.10 More on ANSYS Workbench Environment 422 

    8.11 An Example Problem 428 

    Summary 441 

    References 442 

    9 Analysis of Two-Dimensional Heat Transfer Problems 443 

    9.1 General Conduction Problems 443 

    9.2 Formulation with Rectangular Elements 450 

    9.3 Formulation with Triangular Elements 461 

    9.4 Axisymmetric Formulation of Three-Dimensional Problems 480 

    9.5 Unsteady Heat Transfer 487 

    9.6 Conduction Elements Used by ANSYS 497 

    9.7 Examples Using ANSYS 498 

    9.8 Verification of Results 538 

    Summary 538 

    References 540 

    Problems 540 

    10 Analysis of Two-Dimensional Solid Mechanics Problems 552 

    10.1 Torsion of Members with Arbitrary Cross-Section Shape 552 

    10.2 Plane-Stress Formulation 568 

    10.3 Isoparametric Formulation: Using a Quadrilateral Element 576 

    10.4 Axisymmetric Formulation 583 

    10.5 Basic Failure Theories 585 

    10.6 Examples Using ANSYS 586 

    10.7 Verification of Results 608 

    Summary 608 

    References 610 

    Problems 610 

    11 Dynamic Problems 619 

    11.1 Review of Dynamics 619 

    11.2 Review of Vibration of Mechanical and Structural Systems 633 

    11.3 Lagrange’s Equations 650 

    11.4 Finite Element Formulation of Axial Members 652 

    11.5 Finite Element Formulation of Beams and Frames 661 

    11.6 Examples Using ANSYS 675 

    Summary 694 

    References 694 

    Problems 694 

    12 Analysis of Fluid Mechanics Problems 701 

    12.1 Direct Formulation of Flow Through Pipes 701 

    12.2 Ideal Fluid Flow 713 

    12.3 Groundwater Flow 719 

    12.4 Examples Using ANSYS 722 

    12.5 Verification of Results 743 

    Summary 744 

    References 745 

    Problems 746 

    13 Three-Dimensional Elements 751 

    13.1 The Four-Node Tetrahedral Element 751 

    13.2 Analysis of Three-Dimensional Solid Problems Using Four-Node Tetrahedral Elements 754 

    13.3 The Eight-Node Brick Element 759 

    13.4 The Ten-Node Tetrahedral Element 761 

    13.5 The Twenty-Node Brick Element 762 

    13.6 Examples of Three-Dimensional Elements in ANSYS 764 

    13.7 Basic Solid-Modeling Ideas 768 

    13.8 A Thermal Example Using ANSYS 779 

    13.9 A Structural Example Using ANSYS 796 

    Summary 809 

    References 809 

    Problems 809 

    14 Design and Material Selection 818 

    14.1 Engineering Design Process 819 

    14.2 Material Selection 822 

    14.3 Electrical, Mechanical, and Thermophysical Properties of Materials 823 

    14.4 Common Solid Engineering Materials 825 

    14.5 Some Common Fluid Materials 832 

    Summary 834 

    References 834 

    Problems 834 

    15 Design Optimization 836 

    15.1 Introduction to Design Optimization 836 

    15.2 The Parametric Design Language of ANSYS 840 

    15.3 Examples of Batch Files 842 

    Summary 853 

    References 854 

    Problems 854 

    Appendix A Mechanical Properties of Some Materials 855 

    Appendix B Thermophysical Properties of Some Materials 859 

    Appendix C Properties of Common Line and Area Shapes 861 

    Appendix D Geometrical Properties of Structural Steel Shapes 865 

    Appendix E Conversion Factors 869 

    Appendix F An Introduction to MATLAB 871 

    Appendix G Workbench Examples 905
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