ANSYS Workbench 現代機械設計實用教程有限元分析·優化設計·可靠性設計

本書主要介紹常用的現代機械設計方法的基本原理及解題步驟，並以軟件ANSYS Workbench 2021為工具，
從有限元分析、優化設計和可靠性分析三個方面，結合典型工程應用實例著重介紹這些方法求解實際工程問題的步驟。
本書可作為高等工科院校機械類專業的高年級本科生、研究生的教材和教學參考書，
亦可供從事產品設計、仿真和優化的工程技術人員及廣大CAE愛好者閱讀與參考。

第1章緒論001
1.1 概述001
1.2 現代設計方法特點001
1.3 常用現代設計方法簡介003
1.3.1 計算機輔助設計003
1.3.2 有限元分析004
1.3.3 優化設計004
1.3.4 可靠性設計004
1.3.5 綠色設計004
1.3.6 虛擬設計006
1.3.7 並行設計007
1.3.8 智能設計009
1.3.9 創新設計009
1.3.10 模糊設計010
1.3.11 模塊化設計010
1.3.12 動態分析設計011
習題012
有限元分析篇
第2章有限元法理論簡介014
2.1 有限元方法基本思想014
2.2 有限元模型基本構成015
2.3 有限元分析基本步驟016
2.4 有限元分析解題步驟實例——梯形板017
2.4.1 提出問題017
2.4.2 預處理階段018
2.4.3 求解階段023
2.4.4 後處理階段024
2.4.5 準確解析解與有限元數值法近似解的比較026
習題027
第3章ANSYS Workbench分析流程028
3.1 ANSYS Workbench分析流程028
3.2 項目管理與文件管理029
3.2.1 項目管理029
3.2.2 操作界面029
3.2.3 文件管理031
3.3 選擇或定義材料033
3.3.1 選擇材料034
3.3.2 新建材料035
3.4 建立幾何模型036
3.4.1 DM建模036
3.4.2 導入外部CAD建模046
3.4.3 DM三維建模——支座047
3.5 網格劃分056
3.5.1 網格劃分步驟056
3.5.2 分析類型的選擇056
3.5.3 網格形狀的控制057
3.5.4 網格大小的控制060
3.6 施加邊界條件063
3.6.1 載荷類型063
3.6.2 結構支撐064
3.7 求解及結果065
3.7.1 常用結果065
3.7.2 四大強度理論066
3.7.3 應力工具067
3.8 ANSYS Workbench解題步驟——支座068
3.8.1 問題描述068
3.8.2 有限元分析過程068
習題071
第4章三維空間問題073
4.1 三維實體單元類型073
4.2 空間問題實例——汽車連桿074
4.2.1 問題描述074
4.2.2 有限元分析過程075
習題080
第5章平面問題081
5.1 平面應力與平面應變081
5.2 平面單元類型082
5.3 平面應力問題實例——帶孔矩形板084
5.3.1 問題描述084
5.3.2 有限元分析過程084
習題090
第6章對稱問題092
6.1 對稱問題092
6.1.1 對稱與反對稱092
6.1.2 對稱類型093
6.2 實例1：平面對稱問題實例——帶孔矩形板093
6.2.1 問題描述093
6.2.2 有限元分析過程093
6.3 實例2：三維對稱問題實例——汽車連桿100
6.3.1 問題描述100
6.3.2 有限元分析過程100
6.4 實例3：軸對稱問題實例——油缸106
6.4.1 問題描述106
6.4.2 有限元分析過程106
6.5 實例4：圓周循環對稱問題實例——帶孔飛輪112
6.5.1 問題描述112
6.5.2 有限元分析過程112
習題118
第7章梁單元分析問題119
7.1 梁單元類型119
7.2 實例1——懸臂梁119
7.2.1 問題描述119
7.2.2 有限元分析過程120
7.3 實例2——簡支梁129
7.3.1 問題描述129
7.3.2 有限元分析過程129
習題136
第8章薄板、殼問題138
8.1 殼單元類型138
8.2 殼模型的建立——抽中面操作139
8.3 殼單元應用實例——掛鉤139
8.3.1 問題描述139
8.3.2 有限元分析過程140
習題144
第9章裝配體接觸問題146
9.1 接觸類型146
9.2 接觸問題實例——螺栓連接147
9.2.1 問題描述147
9.2.2 有限元分析過程147
習題153
第10章動力學問題155
10.1 動力學分析概述155
10.2 模態分析156
10.2.1 模態分析理論基礎156
10.2.2 Workbench模態分析步驟156
10.3 模態分析實例——飛機機翼159
10.3.1 實例1：不帶預應力的模態分析159
10.3.2 實例2：帶預應力的模態分析163
10.4 諧響應分析166
10.4.1 諧響應分析理論基礎166
10.4.2 諧響應分析步驟167
10.5 諧響應分析實例——飛機機翼171
習題179
第11章電-熱-力耦合問題180
11.1 傳熱學基礎180
11.1.1 傳熱學經典理論180
11.1.2 熱傳遞方式180
11.1.3 溫度場181
11.1.4 傳熱學在工程領域中的應用181
11.2 熱應力耦合分析182
11.2.1 熱分析過程182
11.2.2 熱應力分析過程186
11.3 實例1：熱應力耦合分析——冷卻柵管187
11.3.1 問題描述187
11.3.2 冷卻柵管穩態熱分析188
11.3.3 冷卻柵管熱應力分析194
11.4 實例2：電熱耦合分析——平板式汽車氧傳感器197
11.4.1 問題描述197
11.4.2 氧傳感器電熱耦合分析198
習題204
優化設計篇
第12章優化設計理論簡介208
12.1 概述208
12.1.1 優化設計與傳統設計方法的比較208
12.1.2 優化設計一般過程209
12.2 優化設計的數學模型210
12.2.1 設計變量與設計空間210
12.2.2 約束211
12.2.3 目標函數212
12.2.4 數學模型212
12.2.5 應用實例213
12.3 優化設計基本方法216
習題218
第13章ANSYS Workbench拓撲優化220
13.1 拓撲優化介紹220
13.1.1 什麼是拓撲優化220
13.1.2 拓撲優化實現方法221
13.1.3 拓撲優化設計流程221
13.1.4 拓撲優化分析界面222
13.2 拓撲優化工具222
13.3 拓撲優化設置223
13.4 設計結果與驗證223
13.4.1 拓撲優化求解結果223
13.4.2 拓撲優化結果驗證分析224
13.5 拓撲優化實例——汽車輪轂225
13.5.1 問題描述225
13.5.2 汽車輪轂靜力分析225
13.5.3 汽車輪轂拓撲優化227
13.5.4 汽車輪轂優化驗證分析229
習題233
第14章ANSYS Workbench尺寸優化235
14.1 ANSYS Workbench設計探索優化介紹235
14.1.1 設計探索優化模塊及流程235
14.1.2 模型參數化236
14.1.3 相關性分析239
14.1.4 DOE實驗設計241
14.1.5 響應面擬合243
14.1.6 目標驅動優化245
14.2 基於參數敏感性的響應面尺寸優化實例——發動機曲軸248
14.2.1 問題描述248
14.2.2 發動機曲軸靜力分析248
14.2.3 發動機曲軸模態分析258
14.2.4 相關性分析260
14.2.5 發動機曲軸尺寸優化設計264
習題271
可靠性分析篇
第15章可靠性基本概念與理論274
15.1 概述274
15.1.1 可靠性發展歷程274
15.1.2 可靠性定義275
15.1.3 可靠性設計的基本內容276
15.1.4 可靠性設計的特點276
15.2 可靠性基礎概念277
15.2.1 可靠性與故障率277
15.2.2 產品失效模型279
15.2.3 產品的平均壽命282
15.3 零件機械強度可靠性設計283
15.3.1 應力-強度干涉模型283
15.3.2 用分析法進行可靠性預計283
15.3.3 受拉零件靜強度的可靠性設計285
15.3.4 樑的靜強度可靠性設計288
習題291
第16章ANSYS Workbench的六西格瑪可靠性分析292
16.1 六西格瑪可靠性分析簡介292
16.2 六西格瑪可靠性分析的基本步驟293
16.3 六西格瑪可靠性分析實例——連桿293
16.3.1 問題描述293
16.3.2 靜力學分析293
16.3.3 六西格瑪分析297
習題302
參考文獻303