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第1章 CAE总体概貌1

1.1 概述1

1.2 工程中的若干数值模拟与解析解问题2

1.3 现代CAE技术的发展3

1.3.1 CAE的发展历史3

1.3.2 CAE发展方向6

1.4 现代CAE技术在工程中的应用8

1.4.1 在油气勘探开发中的应用10

1.4.2 在石油钻井工程中的应用10

1.4.3 在采油工程中的应用11

1.4.4 在油田地面工程建设中的应用11

1.5 著名的CAE软件介绍12

1.5.1 ANSYS软件12

1.5.2 ADINA软件16

1.5.3 ABAQUS软件21

1.5.4 MSC.NASTRAN软件26

1.5.5 MSC.MARC软件28

1.5.6 其他CAE软件33

第2章 CAE技术基本求解过程36

2.1 有限元法基本知识36

2.1.1 有限元法的基本概念36

2.1.2 有限元法的基本思路37

2.2 线性分析有限元法的计算步骤40

2.2.1 网格划分40

2.2.2 单元分析41

2.2.3 整体分析42

2.3.1 非线性结构43

2.3 非线性分类及有限元法基本流程43

2.3.2 结构非线性有限元法44

2.4 CAE软件应用案例分析基本过程46

2.4.1 ADINA孔板应力分析46

2.4.2 ANSYS孔板应力分析50

2.4.3 MARC孔板应力分析52

2.4.4 ABAQUS孔板应力分析54

第3章 ANSYS结构分析基本过程58

3.1 ANSYS环境和基本分析过程58

3.1.1 ANSYS环境简介58

3.1.2 有限元法的基本构架59

3.1.3 ANSYS构架及命令60

3.1.5 ANSYS文件及工作文件名62

3.1.4 典型的分析过程62

3.1.6 图形控制63

3.2 有限元模型的建立64

3.2.1 建模方法64

3.2.2 坐标系统及工作平面64

3.2.3 节点定义65

3.2.4 单元定义66

3.2.5 载荷定义68

3.2.6 求解71

3.2.7 用POST1进行结果后处理72

3.3 实体模型的建立74

3.3.1 实体模型74

3.3.2 实体模型的建立方法74

3.3.3 群组命令74

3.3.5 线段定义75

3.3.4 点定义75

3.3.6 面定义77

3.3.7 体定义77

3.3.8 用体素创建ANSYS对象79

3.3.9 布尔操作80

3.4 实体模型网格划分80

3.4.1 区分实体模型和有限元模型80

3.4.2 网格化的步骤81

3.4.3 单元形状定义81

3.4.4 网格划分工具82

3.5 实体模型边界约束82

4.1 材料非线性有限元法84

4.1.1 弹塑性有限元分析84

第4章 材料非线性理论84

4.1.2 塑性本构关系88

4.1.3 弹塑性问题的有限元解法90

4.1.4 蠕变的有限元分析92

4.2 弹塑性分析在CAE中的实践94

4.2.1 弹塑性模型94

4.2.2 各向异性塑性模型99

4.2.3 蠕变模型103

4.3 CAE在材料非线性中的应用107

4.3.1 土壤中Drucke-Prager材料分析（ANSYS）107

4.3.2 受拉力的矩形板蠕变分析（ANSYS）110

4.3.3 管道弯曲的极限载荷分析（ADINA）111

4.3.4 内压作用下厚壁圆筒的蠕变（ABAQUS）116

5.1 几何非线性问题基本理论120

5.1.1 有限应变与应力120

第5章 几何非线性与屈曲分析120

5.1.2 变形率和本构关系122

5.2 几何非线性有限元方程的建立124

5.2.1 全拉格朗日列式法（T.L）124

5.2.2 结构稳定性和屈曲问题126

5.3 CAE中几何非线性分析描述130

5.3.1 几何非线性130

5.3.2 屈曲分析133

5.4 几何非线性和屈曲分析应用实例138

5.4.1 两块钢板压一个圆盘的大应变非线性分析（ANSYS）138

5.4.2 圆柱壳非线性屈曲分析实例（ANSYS）140

第6章 接触问题分析144

6.1 概述144

6.1.1 接触问题的描述方法145

6.1.2 接触算法146

6.1.3 接触算法的基本流程147

6.2 接触体的定义和运动描述148

6.2.1 可变形接触体的定义148

6.2.2 刚性接触体的定义149

6.2.3 允许传热分析的刚性接触体的定义150

6.2.4 刚体运动描述151

6.2.5 描述刚体运动的初始条件151

6.3 接触探测152

6.3.1 接触容限152

6.3.2 偏斜系数153

6.3.3 接触检查顺序154

6.4 施加接触约束以及修改接触约束154

6.4.1 刚体与变形体之间的接触约束154

6.4.2 变形体与变形体的接触约束154

6.4.3 接触约束的满足与接触体定义顺序的关系155

6.5.1 滑动库仑摩擦模型156

6.5 接触摩擦问题156

6.5.2 剪切摩擦158

6.5.3 粘—滑摩擦模型158

6.5.4 其他摩擦模型159

6.5.5 关于摩擦的其他说明159

6.6 模拟分离159

6.6.1 设置分离力159

6.6.2 分离后释放接触反力160

6.6.3 控制节点分离的发生160

6.7 其他接触功能160

6.7.1 粘合160

6.7.3 对称平面161

6.7.2 过盈检查（过盈闭合）量设置161

6.8 CAE接触问题实例应用162

6.8.1 钢圆柱和铝板之间的接触问题实例（MARC）162

6.8.2 弹簧卡子接触分析实例（ANSYS）164

6.8.3 两块板间受压的O形橡胶密封圈的接触分析实例（ADINA）167

6.8.4 法兰盘连接接触分析（ABAQUS）172

第7章 断裂力学问题的有限元分析177

7.1 综述177

7.2 断裂力学理论简介177

7.2.1 断裂力学的形成和发展177

7.2.2 断裂力学基本理论179

7.3 有限元分析方法182

7.3.1 K提取方法184

7.3.2 J积分计算185

7.3.3 奇异单元法186

7.3.4 ANSYS中断裂力学的求解186

7.4 CAE断裂力学应用实例192

7.4.1 平板裂纹应力分析（ANSYS）192

7.4.2 用J积分进行断裂力学分析（MARC）197

第8章 流—固耦合问题204

8.1 引言204

8.2 流—固耦合问题有限元基本理论204

8.2.1 流—固耦合系统有限元分析的（ui,p）格式204

8.2.2 用伽辽金法建立流—固耦合的有限元方程206

8.3 CAE耦合问题应用实例207

8.3.1 橡胶垫阻碍水的流—固耦合分析（ANSYS）208

8.3.2 双金属梁热—固直接耦合分析（ANSYS）213

8.3.3 隧道内具有柔性结构的流—固耦合分析（ADINA）217

第9章 温度场和热应力场分析223

9.1 稳态热传导问题的有限元法223

9.1.1 热传导方程与换热边界223

9.1.2 稳态温度场分析的一般有限元列式224

9.1.3 三角形单元的有限元列式227

9.2 热弹性应力问题的有限元分析229

9.3 热分析中CAE基础知识232

9.3.1 传热学经典理论回顾232

9.3.2 热传递的方式233

9.3.3 稳态传热分析233

9.3.4 瞬态传热分析234

9.3.5 线性与非线性234

9.3.7 热分析误差估计235

9.3.8 热应力分析235

9.3.6 边界条件、初始条件235

9.4 CAE热分析应用实例236

9.4.1 油气储运罐与接管内温度场分析实例（ANSYS）236

9.4.2 间接法热应力分析实例（ANSYS）240

9.4.3 直接法热应力分析实例（ANSYS）243

第10章 计算流体动力学分析245

10.1 流体流动有限元法245

10.1.1 不可压缩流体流动的有限元法245

10.1.2 不可压缩粘性流体流动249

10.2 FLOTRAN计算流体动力学（CFD）分析250

10.2.1 FLOTRAN CFD分析的概念250

10.2.2 FLOTRAN分析基础251

10.2.3 FLOTRAN分析的主要步骤253

10.3.1 问题描述259

10.3 FLOTRAN层流和湍流分析算例259

10.3.2 分析方法及假定260

10.3.3 几何尺寸及流体性质260

10.3.4 分析过程261

第11章 动力学分析268

11.1 动力学分析基本原理268

11.2 动力方程和质量矩阵269

11.2.1 动力方程269

11.2.2 质量矩阵270

11.3 特征值问题和结构模态分析270

11.3.1 特征值问题概述271

11.3.2 标准特征值问题272

11.3.3 特征对的性质273

11.3.4 结构模态分析274

11.4.1 结构的动力学方程275

11.4 结构动力学问题的有限元法275

11.4.2 系统的动力响应277

11.5 CAE动力学分析实例应用278

11.5.1 模态分析实例（ANSYS）278

11.5.2 谐响应分析实例（ANSYS）279

11.5.3 瞬态分析实例（ANSYS）280

11.5.4 固支方板的特征频率分析（MARC）282

第12章 CAE软件的二次开发285

12.1 ANSYS软件的二次开发285

12.1.1 解析UIDL语言285

12.1.2 UIDL实例解析288

12.2 UIDL实例解析290

12.2.1 环境准备及构建对话框290

12.2.2 参数提取291

12.2.3 附录292

12.3 ANSYS二次开发应用293

12.3.1 UIDL开发293

12.3.2 APDL开发294

12.3.3 UPF开发295

12.3.4 CAE软件接口304

12.3.5 ANSYS用户过程和非标准用法306

12.4 MARC二次开发与Fortran程序接口309

12.4.1 概述309

12.4.2 用户子程序分类及常用用户子程序310

12.4.3 利用公共块进行数据传递312

12.4.4 利用内部子程序进行矩阵运算313

12.4.5 用户子程序例题——受移动载荷作用的方板分析（MARC）314

参考文献318