CAE分析大系 ANSYS nCode DesignLife疲劳分析基础与实例教程

本书以ANSYS nCode DesignLife 17.0版本为基础，并基于ANSYS Workbench 17.0平台进行编写，涵盖的疲劳分析内容广泛，主要内容包括基于ANSYS nCode DesignLife的有限元结果输入、载荷映射和材料定义等，基于ANSYS Mechanical的前处理、强度分析基础、动力学分析基础和热分析基础等，以及基于ANSYS nCode DesignLife的应力疲劳、应变疲劳、随机振动疲劳、标准Dang Van疲劳、热机蠕变疲劳、焊点疲劳和焊缝疲劳等。
全书以疲劳基本理论、仿真实例流程和操作过程为主线，对部分模块重点内容进行大量说明和举例，以期读者能够快速入门并掌握ANSYS nCode DesignLife软件。
本书面向ANSYS nCode DesignLife的初级和中级用户，可以作为机械、材料、汽车、航空航天、电子、土木和生物医学等专业高年级本科生、研究生的参考用书，同时也可供从事产品设计、疲劳分析与优化的工程技术人员和CAE仿真分析的爱好者参考使用。

付稣昇，目前主要从事结构强度、疲劳、复合材料、高级非线性、动力学、轻量化设计与优化设计等方面的CAE仿真计算工作，获得中国机械工程学会认证机械工程师资格，较为熟悉多种机械产品设计原理。先后出版书籍《ANSYS Workbench 17.0数值模拟与实例精解》与《ANSYS nCode DesignLife疲劳分析基础与实例教程》。

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第1章 ANSYS nCode DesignLife 基础 1
1．1 疲劳分析在工程设计中的重要性 1
1．2 ANSYS nCode DesignLife 软件简介 1
1．3 ANSYS nCode DesignLife 疲劳分析流程 4
1．3．1 nCode DesignLife（Standalone）基本功能布局 4
1．3．2 ANSYS nCode DesignLife 预定义疲劳分析基本流程 8


第2章 ANSYS nCode DesignLife 有限元结果输入与设置 14
2．1 疲劳分析与有限元求解结果 14
2．2 有限元输入设置 15
2．3 有限元输入分析组设置与定义 16
2．3．1 组的选择与类型 16
2．3．2 材料组 18
2．3．3 零值忽略 19
2．3．4 求解定位 19
2．3．5 数据类型定义 20
2．3．6 仅表面节点计算 21
2．3．7 应力梯度设置 21
2．3．8 ShellLayer 设置 22
2．3．9 IncludeSpotWeldNuggets 设置 23


第3章 ANSYS nCode DesignLife 载荷映射 24
3．1 载荷映射的启动方法 24
3．2 恒定幅值载荷映射 25
3．3 时间序列载荷映射 26
3．4 时间步长载荷映射 27
3．5 混合载荷映射 28
3．6 振动载荷映射 29
3．7 周期循环载荷映射 29
3．7．1 周期循环载荷创建方法 30
3．7．2 事件过程处理 30
3．7．3 事件输出 31
3．8 ASCII 转换 32
3．9 计划创建 33
3．10 载荷谱简单创建实例 35
3．10．1 正弦时间序列载荷生成实例 35
3．10．2 信号重复设置生成时间序列载荷实例 38
3．10．3 创建一个3 通道的载荷谱文件实例 39
3．10．4 拆分一个2 通道载荷谱文件为单通道载荷文件 42


第4章 ANSYS nCode DesignLife 材料定义 46
4．1 ANSYS Workbench 工程数据定义基础 46
4．1．1 Engineering Data 界面 46
4．1．2 定义材料参数 47
4．1．3 向材料库添加新材料 48
4．1．4 赋予材料属性 49
4．2 nCode 材料库导入 49
4．3 ANSYS nCode DesignLife 材料配置 50
4．4 自定义材料 52
4．4．1 标准SN 曲线估算方法 52
4．4．2 标准EN 曲线估算方法 54
4．4．3 Dang Van 估算方法 58
4．4．4 材料管理器定义材料 58
4．5 材料比例因子和偏移 59
4．6 表面加工影响 60


第5章 ANSYS Mechanical 前处理基础 62
5．1 几何建模和几何清理 62
5．1．1 ANSYS Workbench 几何建模 62
5．1．2 DesignModeler 启动和CAD 文件交互 63
5．1．3 DesignModeler 交互界面 64
5．1．4 DesignModeler 主菜单栏 64
5．1．5 DesignModeler 工具栏 66
5．1．6 DesignModeler 草图绘制 69
5．1．7 DesignModeler-3D 建模创建与工具 73
5．1．8 参数化建模 76
5．1．9 概念建模 79
5．2 网格划分技术简述 83
5．2．1 全局网格控制 83
5．2．2 局部网格划分控制 87
5．2．3 虚拟拓扑 93
5．2．4 预览和生成网格 94
5．3 ANSYS Mechanical 分析基本流程 96
5．3．1 ANSYS Mechanical 概述 96
5．3．2 ANSYS Mechanical 分析基本步骤 96
5．3．3 ANSYS Mechanical 交互界面 96
5．3．4 导航树默认分支与操作流程说明 99
5．3．5 其他基本前处理操作 101
5．4 几何建模实例 103
5．5 几何清理实例 110
5．5．1 涡轮机外壳结构几何清理简化实例（DM） 110
5．5．2 涡轮机外壳结构几何清理简化实例（SCDM） 114
5．6 网格划分实例 123
5．6．1 裁纸凹模三维结构网格划分 123
5．6．2 旋风分离器网格划分 125
5．6．3 简易形状结构快速网格划分实例 128


第6章 ANSYS Mechanical 强度分析基础 133
6．1 线性静力学分析基础 133
6．1．1 2D 平面问题 133
6．1．2 1D 杆与梁的问题 135
6．1．3 板壳和3D 结构分析 136
6．2 线性静力学分析流程 136
6．3 线性静力学分析载荷与支撑 137
6．3．1 惯性载荷 137
6．3．2 载荷与约束 138
6．4 结果后处理 141
6．4．1 变形 142
6．4．2 应力和应变 142
6．4．3 线性化应力 143
6．4．4 应力工具 144
6．4．5 接触工具 145
6．4．6 疲劳工具 145
6．4．7 梁工具 146
6．4．8 探测 146
6．4．9 用户自定义结果 147
6．4．10 图形显示 147
6．4．11 求解组合 148
6．4．12 收敛 148
6．4．13 应力奇异 149
6．5 瞬态动力学分析基础 149
6．5．1 瞬态动力学分析特点 149
6．5．2 瞬态动力学分析术语 150
6．6 瞬态动力学分析求解技术（完全法） 151
6．6．1 瞬态分析中的非线性 151
6．6．2 Newton-Raphson 方程 151
6．6．3 载荷步、子步与平衡迭代 152
6．6．4 自动时间步 152
6．6．5 完全法瞬态动力学的分析设置 153
6．6．6 初始条件设置（InitialConditions） 154
6．6．7 载荷与约束 155
6．6．8 运动副（Joints） 155
6．6．9 弹簧（Springs） 157
6．6．10 接触对关系 157
6．6．11 约束方程 157


第7章 应力疲劳分析基础 158
7．1 应力疲劳常用参量 158
7．2 标准应力疲劳分析流程 159
7．3 应力疲劳计算方法 159
7．3．1 标准S-N 计算方法 160
7．3．2 多平均应力曲线计算方法 161
7．3．3 多应力比应力曲线计算方法 162
7．3．4 Haigh 应力曲线计算方法 163
7．4 应力组合方法 164
7．5 平均应力修正方法 165
7．6 插值极限 169
7．7 多轴评估 169
7．8 存活率 170
7．9 小循环修正 171
7．10 事件处理 172
7．11 应力梯度修正 172
7．12 应力疲劳分析实例 173
7．12．1 变化幅值（时序）载荷应力疲劳实例 173
7．12．2 多体动力学结构应力疲劳实例 178


第8章 应变疲劳分析基础 187
8．1 应变疲劳EN 曲线 187
8．1．1 循环应力应变曲线 187
8．1．2 应变寿命关系 189
8．1．3 ANSYS nCode DesignLife 标准应变寿命曲线定义 190
8．2 应变疲劳方法 191
8．3 应变组合方法 192
8．4 平均应力修正 193
8．5 插值限制 194
8．6 多轴评估 195
8．7 弹塑性修正 195
8．8 塑性极限载荷修正 197
8．9 应变疲劳分析实例 197
8．9．1 轴对称圆柱缺口结构应变疲劳分析实例 197
8．9．2 Duty Cycle 载荷作用下的支架结构应变疲劳分析实例 204


第9章 随机振动与随机振动疲劳分析基础 212
9．1 模态分析 212
9．2 随机振动分析目的 213
9．3 功率谱密度PSD 213
9．4 随机振动分析基础 215
9．5 ANSYS Mechanical 随机振动分析流程 217
9．6 随机振动疲劳 218
9．6．1 随机振动疲劳分析搭建 218
9．6．2 随机振动载荷添加 218
9．6．3 随机振动计数方法 219
9．6．4 应力组合方法 220
9．7 随机振动与随机振动疲劳分析实例 220
9．7．1 车用杯架随机振动分析实例 220
9．7．2 某减震钢片随机振动疲劳分析实例 223


第10章 Dang Van 引擎分析基础 228
10．1 Dang Van 准则概述 228
10．2 Dang Van 材料说明 229
10．3 标准Dang Van 准则分析 231


第11章 热机疲劳分析基础 236
11．1 热分析基础 236
11．1．1 热分析的目的 236
11．1．2 热传递的3 种基本类型 236
11．1．3 热力学第一定律 237
11．1．4 热载荷与边界条件 238
11．2 稳态热分析 239
11．3 瞬态热分析与非线性 239
11．3．1 瞬态热分析定义与考虑因素 239
11．3．2 瞬态热分析控制方程 240
11．3．3 时间步长预测与时间积分 240
11．3．4 非线性热分析 242
11．3．5 初始条件 242
11．4 热-结构耦合分析 243
11．4．1 热-结构耦合分类 243
11．4．2 热-结构间接耦合分析设置 243
11．5 热机蠕变疲劳基础介绍 244
11．5．1 蠕变疲劳背景 244
11．5．2 蠕变分析方法 245
11．5．3 Larson-Miller 理论 247
11．5．4 Chaboche 方法 247
11．6 热与热机蠕变疲劳分析 250
11．6．1 轴对称管结构热疲劳分析实例 250
11．6．2 热机蠕变疲劳分析实例 260


第12章 焊点疲劳分析基础 277
12．1 焊点疲劳分析背景 277
12．1．1 CBAR 焊点 277
12．1．2 ACM 焊点 278
12．1．3 五面体单元焊点 279
12．2 力和力矩的获得 280
12．3 应力计算评估 281
12．4 焊点疲劳求解引擎属性 283
12．4．1 应力组合方法 283
12．4．2 平均应力修正 283
12．4．3 角度数量 284
12．4．4 中层薄板处理 284
12．5 焊点疲劳分析实例 285
12．5．1 焊点（CBAR）结构疲劳分析实例 285
12．5．2 焊点（ACM）结构疲劳分析实例 288


第13章 焊缝疲劳分析基础 294
13．1 焊缝疲劳分析介绍 294
13．2 焊缝类型分组和模型创建准则 295
13．2．1 角焊缝模型创建准则 295
13．2．2 搭接焊与激光搭接焊（边缘）模型创建准则 296
13．2．3 激光搭接焊（熔化）模型创建准则 297
13．3 焊缝计算要点与应力提取 297
13．3．1 计算要点和应力提取通用过程 297
13．3．2 EntityDataType 的计算要点 298
13．3．3 焊缝不同类型计算要点 299
13．3．4 基于节点力和力矩进行应力计算 302
13．3．5 基于节点位移与转角进行应力计算 304
13．4 实体焊缝计算要点 305
13．4．1 实体焊缝模型创建准则 305
13．4．2 nCodeWeldline．wbex 在实体焊缝文件创建的应用 309
13．5 焊缝疲劳分析实例 311
13．5．1 壳体焊缝疲劳分析实例 311
13．5．2 实体焊缝疲劳分析实例 318


参考文献 331