汽车CAE技术及Optistruct工程实践
第1章 绪论 1
1.1 有限元法的由来 2
1.2 有限元法的发展及其应用 3
1.3 有限元法的基本思路及特点 5
1.4 Altair有限元软件简介 7
1.4.1 Altair解决方案总体介绍 7
1.4.2 OptiStruct简介 8
1.4.3 HyperMesh/HyperView简介 11
1.5 学习资料介绍 17
第2章 弹性力学的基础知识 19
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1.1 有限元法的由来 2
1.2 有限元法的发展及其应用 3
1.3 有限元法的基本思路及特点 5
1.4 Altair有限元软件简介 7
1.4.1 Altair解决方案总体介绍 7
1.4.2 OptiStruct简介 8
1.4.3 HyperMesh/HyperView简介 11
1.5 学习资料介绍 17
第2章 弹性力学的基础知识 19
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王青春，车辆工程学科博士学位，副教授，硕士生导师。主要从事结构力学性能分析、电机节能控制技术以及智能装备研发方面的教学和研究工作。主讲汽车结构CAE技术、汽车底盘构造、测试技术以及振动模态分析等课程。主持或承担省部级及以上科研项目3项；在国内外学术期刊上发表论文30余篇，其中SCI/Ei收录10余篇，授权发明专利3项，出版专著1本，译著2本。
《汽车CAE技术及Optistruct工程实践》主要介绍有限元方法的基本理论，以及如何利用OptiStruct软件进行相应的有限元分析，并结合汽车行业的应用实例由浅入深地进行讲解。全书包括绪论、有限元理论以及OptiStruct软件应用等几个部分，共分为15章。有限元理论部分主要涵盖了传统的弹性力学理论基础、平面问题的有限元方法、空间问题和薄壳问题的静力学分析、动力学问题以及非线性问题的有限元方法等，对于经常用到的有限元理论知识进行细致的讲解。在讲解理论知识的同时，结合多年的有限元分析工程经验，总结了有限元分析的方法和策略，同时为静力学、动力学以及非线性问题配备了一定量的操作例题，在例题中给出了很多的探究训练内容，便于读者进一步加深对有限元方法及理论的理解。 《汽车CAE技术及Optistruct工程实践》第1～8章可以作为车辆工程或者机制专业本科生的有限元课程的教材，全书可以作为机械工程学科或者其他学科有限元方法教学的教材，同时还可以为车辆工程、航…
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第1章 绪论 1
1.1 有限元法的由来 2
1.2 有限元法的发展及其应用 3
1.3 有限元法的基本思路及特点 5
1.4 Altair有限元软件简介 7
1.4.1 Altair解决方案总体介绍 7
1.4.2 OptiStruct简介 8
1.4.3 HyperMesh/HyperView简介 11
1.5 学习资料介绍 17
第2章 弹性力学的基础知识 19
2.1 弹性力学的基本假设 19
2.1.1 连续性假设 19
2.1.2 均匀性假设 19
2.1.3 各向同性假设 20
2.1.4 完全弹性假设 20
2.1.5 小变形假设 20
2.1.6 无初始应力的假设 21
2.2 弹性力学的关键概念 21
2.2.1 外力 21
2.2.2 应力 22
2.2.3 位移 23
2.2.4 应变 23
2.3 平衡方程(应力关系) 23
2.4 几何方程(应变与位移关系) 24
2.5 物理方程(应力与应变关系) 25
2.6 弹性力学求解方法简介 26
2.7 弹性力学平面问题(二维问题) 28
2.7.1 平面应力问题 28
2.7.2 平面应变问题 30
2.7.3 平面应力问题和平面应变问题之间的联系 31
第3章 平面问题的有限元分析 33
3.1 有限元模型 33
3.1.1 有限元网格划分 34
3.1.2 载荷处理——等效结点载荷 34
3.1.3 边界约束条件处理 35
3.2 单元分析 35
3.2.1 单元位移模式 36
3.2.2 单元位移模式应该满足的条件(收敛性条件) 37
3.2.3 单元内的应变和应力 38
3.2.4 单元刚度方程 38
3.3 整体分析 39
3.4 边界约束条件的处理 45
3.4.1 零位移约束 45
3.4.2 非零位移约束 46
3.5 刚度方程的求解 46
3.6 非结点载荷的移置 47
3.7 计算结果的整理 48
3.8 四结点矩形单元 49
3.8.1 单元位移模式 50
3.8.2 单元应变和应力 50
3.8.3 单元刚度方程 51
3.9 六结点三角形单元 51
3.10 八结点矩形单元 52
第4章 轴对称问题的有限元分析 53
4.1 基本概念 53
4.1.1 轴对称问题 53
4.1.2 基本方程 54
4.1.3 有限元离散 55
4.2 三结点三角形轴对称单元 55
4.2.1 单元描述 55
4.2.2 单元位移模式 56
4.2.3 单元的应变和应力 57
4.2.4 单元的刚度方程 58
4.2.5 等效结点载荷矩阵 58
4.3 四结点矩形轴对称单元 59
4.3.1 单元描述 59
4.3.2 单元位移模式 59
4.3.3 单元刚度方程 60
第5章 三维固体的有限元分析 61
5.1 四结点四面体单元 61
5.1.1 单元位移模式 61
5.1.2 单元应变与应力 62
5.1.3 单元刚度方程 62
5.2 八结点六面体单元 62
5.2.1 单元位移模式 63
5.2.2 单元应变与应力 63
5.2.3 单元刚度方程 63
5.3 其他种类的结构体单元 63
第6章 薄板弯曲问题的有限元分析 65
6.1 薄板弯曲问题 65
6.1.1 基本概念 65
6.1.2 薄板的位移分量 66
6.1.3 薄板内的应力及应变 66
6.2 薄板弯曲的有限元分析 67
6.2.1 离散化 67
6.2.2 矩形薄板单元分析 67
6.2.3 单元刚度方程与刚度矩阵 70
6.3 薄壳结构的有限元简化计算 70
第7章 有限元分析软件的应用 72
7.1 有限元分析的流程简介 72
7.2 有限元分析的规划 73
7.2.1 有限元分析的战略规划 73
7.2.2 有限元分析的战术规划 74
7.3 本章小结 85
第8章 静力学分析实例 86
8.1 梁中心受力分析 88
8.1.1 问题分析 88
8.1.2 基于梁单元的分析 88
8.1.3 基于solid单元的分析 96
8.1.4 探究训练 101
8.2 悬臂梁承受均布载荷 101
8.2.1 问题分析 102
8.2.2 基于梁单元的问题求解 102
8.2.3 探究训练 105
8.3 悬臂梁承受集中载荷 105
8.3.1 问题分析 105
8.3.2 基于梁单元的分析 106
8.3.3 基于壳单元的分析 108
8.3.4 探究训练 112
8.4 变截面梁承受轴向力——ROD单元 113
8.4.1 问题分析 113
8.4.2 分析过程 113
8.4.3 探究训练 115
8.5 发动机活塞的有限元分析 116
8.5.1 问题分析 116
8.5.2 分析过程 116
8.5.3 探究训练 119
8.6 薄板中心受力分析 119
8.6.1 问题分析 119
8.6.2 分析过程 120
8.6.3 探究训练 122
8.7 钢支架均布载荷 122
8.7.1 问题分析 123
8.7.2 分析过程 123
8.7.3 探究训练 127
8.8 椅子静力学分析 127
8.8.1 问题分析 127
8.8.2 分析过程 127
8.8.3 探究训练 134
8.9 方管与薄板的焊接受力 134
8.9.1 问题分析 134
8.9.2 分析过程 134
8.9.3 探究训练 138
8.10 车架刚度分析 138
8.10.1 问题分析 138
8.10.2 分析过程 139
8.10.3 探究训练 144
第9章 动力学问题的有限元分析 145
9.1 引言 146
9.2 动力学有限元基本方程 146
9.2.1 单元分析(建立单元的动力学方程) 146
9.2.2 整体结构动力学有限元方程 148
9.3 质量矩阵和阻尼矩阵 149
9.3.1 质量矩阵 149
9.3.2 阻尼矩阵 150
9.4 结构的固有频率和固有振型 151
9.5 结构动力响应 153
9.5.1 振型叠加法(模态变换法) 154
9.5.2 直接积分法 156
9.6 动力响应算例 158
第10章 动力学分析实例 160
10.1 焊接板模态分析 165
10.1.1 问题分析 165
10.1.2 有限元分析过程 165
10.1.3 探究训练 168
10.2 加筋板振动分析 168
10.2.1 问题分析 168
10.2.2 有限元分析过程 168
10.2.3 探究训练 170
10.3 动力学——频响分析(直接法 模态法) 170
10.3.1 问题分析 171
10.3.2 有限元分析过程 171
10.3.3 探究训练 173
10.4 弹簧-质量系统瞬态动力学分析 173
10.4.1 问题分析 173
10.4.2 有限元分析过程 173
10.4.3 探究训练 175
10.5 平板随机响应分析 175
10.5.1 问题分析 175
10.5.2 有限元分析过程 175
10.5.3 探究训练 179
10.6 板受力后的疲劳寿命分析 179
10.6.1 问题分析 179
10.6.2 有限元分析过程 179
10.6.3 探究训练 181
10.7 钢支架疲劳寿命分析 181
10.7.1 问题分析 181
10.7.2 有限元分析过程 181
10.7.3 探究训练 183
第11章 非线性有限元问题的分类与一般解法 184
11.1 引言 184
11.2 非线性问题的分类 185
11.3 非线性问题的一般解法 188
11.3.1 增量法 189
11.3.2 迭代法 190
11.3.3 混合法 193
第12章 材料非线性有限元分析 194
12.1 材料本构关系 194
12.1.1 线弹性 194
12.1.2 非线性弹性 194
12.1.3 弹塑性 195
12.2 材料非线性有限元方程 204
12.2.1 非线性弹性问题有限元方程 204
12.2.2 弹塑性问题的有限元方程 204
第13章 几何非线性有限元分析 206
13.1 大位移小应变几何非线性 206
13.2 大变形几何非线性 209
13.2.1 TL格式和UL格式 209
13.2.2 格林应变与阿尔曼西应变 210
13.2.3 欧拉应力、拉格朗日应力和基尔霍夫应力 211
第14章 接触问题的有限元分析 214
14.1 接触问题的特点 214
14.2 接触问题的分析求解 215
14.2.1 物理模型 215
14.2.2 几何运动规律 217
14.2.3 建立有限元方程 217
第15章 非线性分析实例 221
15.1 薄板中心的受力分析——材料非线性 几何非线性 222
15.1.1 问题分析 222
15.1.2 有限元分析过程 222
15.1.3 探究训练 225
15.2 块接触非线性 225
15.2.1 问题分析 225
15.2.2 有限元分析过程 225
15.2.3 探究训练 227
15.3 椅子的非线性静力学分析 227
15.3.1 问题分析 228
15.3.2 有限元分析过程 228
15.3.3 探究训练 229
15.4 硫化橡胶或热塑性橡胶的拉伸应力应变性能 229
15.4.1 问题分析 230
15.4.2 有限元分析过程 230
15.4.3 探究训练 238
15.5 石头跌落的非线性分析 238
15.5.1 问题分析 238
15.5.2 有限元分析过程 238
15.5.3 探究训练 243
15.6 三点弯曲的非线性分析 243
15.6.1 问题分析 243
15.6.2 有限元分析过程 243
15.6.3 探究训练 248
参考文献 249
^ 收 起
1.1 有限元法的由来 2
1.2 有限元法的发展及其应用 3
1.3 有限元法的基本思路及特点 5
1.4 Altair有限元软件简介 7
1.4.1 Altair解决方案总体介绍 7
1.4.2 OptiStruct简介 8
1.4.3 HyperMesh/HyperView简介 11
1.5 学习资料介绍 17
第2章 弹性力学的基础知识 19
2.1 弹性力学的基本假设 19
2.1.1 连续性假设 19
2.1.2 均匀性假设 19
2.1.3 各向同性假设 20
2.1.4 完全弹性假设 20
2.1.5 小变形假设 20
2.1.6 无初始应力的假设 21
2.2 弹性力学的关键概念 21
2.2.1 外力 21
2.2.2 应力 22
2.2.3 位移 23
2.2.4 应变 23
2.3 平衡方程(应力关系) 23
2.4 几何方程(应变与位移关系) 24
2.5 物理方程(应力与应变关系) 25
2.6 弹性力学求解方法简介 26
2.7 弹性力学平面问题(二维问题) 28
2.7.1 平面应力问题 28
2.7.2 平面应变问题 30
2.7.3 平面应力问题和平面应变问题之间的联系 31
第3章 平面问题的有限元分析 33
3.1 有限元模型 33
3.1.1 有限元网格划分 34
3.1.2 载荷处理——等效结点载荷 34
3.1.3 边界约束条件处理 35
3.2 单元分析 35
3.2.1 单元位移模式 36
3.2.2 单元位移模式应该满足的条件(收敛性条件) 37
3.2.3 单元内的应变和应力 38
3.2.4 单元刚度方程 38
3.3 整体分析 39
3.4 边界约束条件的处理 45
3.4.1 零位移约束 45
3.4.2 非零位移约束 46
3.5 刚度方程的求解 46
3.6 非结点载荷的移置 47
3.7 计算结果的整理 48
3.8 四结点矩形单元 49
3.8.1 单元位移模式 50
3.8.2 单元应变和应力 50
3.8.3 单元刚度方程 51
3.9 六结点三角形单元 51
3.10 八结点矩形单元 52
第4章 轴对称问题的有限元分析 53
4.1 基本概念 53
4.1.1 轴对称问题 53
4.1.2 基本方程 54
4.1.3 有限元离散 55
4.2 三结点三角形轴对称单元 55
4.2.1 单元描述 55
4.2.2 单元位移模式 56
4.2.3 单元的应变和应力 57
4.2.4 单元的刚度方程 58
4.2.5 等效结点载荷矩阵 58
4.3 四结点矩形轴对称单元 59
4.3.1 单元描述 59
4.3.2 单元位移模式 59
4.3.3 单元刚度方程 60
第5章 三维固体的有限元分析 61
5.1 四结点四面体单元 61
5.1.1 单元位移模式 61
5.1.2 单元应变与应力 62
5.1.3 单元刚度方程 62
5.2 八结点六面体单元 62
5.2.1 单元位移模式 63
5.2.2 单元应变与应力 63
5.2.3 单元刚度方程 63
5.3 其他种类的结构体单元 63
第6章 薄板弯曲问题的有限元分析 65
6.1 薄板弯曲问题 65
6.1.1 基本概念 65
6.1.2 薄板的位移分量 66
6.1.3 薄板内的应力及应变 66
6.2 薄板弯曲的有限元分析 67
6.2.1 离散化 67
6.2.2 矩形薄板单元分析 67
6.2.3 单元刚度方程与刚度矩阵 70
6.3 薄壳结构的有限元简化计算 70
第7章 有限元分析软件的应用 72
7.1 有限元分析的流程简介 72
7.2 有限元分析的规划 73
7.2.1 有限元分析的战略规划 73
7.2.2 有限元分析的战术规划 74
7.3 本章小结 85
第8章 静力学分析实例 86
8.1 梁中心受力分析 88
8.1.1 问题分析 88
8.1.2 基于梁单元的分析 88
8.1.3 基于solid单元的分析 96
8.1.4 探究训练 101
8.2 悬臂梁承受均布载荷 101
8.2.1 问题分析 102
8.2.2 基于梁单元的问题求解 102
8.2.3 探究训练 105
8.3 悬臂梁承受集中载荷 105
8.3.1 问题分析 105
8.3.2 基于梁单元的分析 106
8.3.3 基于壳单元的分析 108
8.3.4 探究训练 112
8.4 变截面梁承受轴向力——ROD单元 113
8.4.1 问题分析 113
8.4.2 分析过程 113
8.4.3 探究训练 115
8.5 发动机活塞的有限元分析 116
8.5.1 问题分析 116
8.5.2 分析过程 116
8.5.3 探究训练 119
8.6 薄板中心受力分析 119
8.6.1 问题分析 119
8.6.2 分析过程 120
8.6.3 探究训练 122
8.7 钢支架均布载荷 122
8.7.1 问题分析 123
8.7.2 分析过程 123
8.7.3 探究训练 127
8.8 椅子静力学分析 127
8.8.1 问题分析 127
8.8.2 分析过程 127
8.8.3 探究训练 134
8.9 方管与薄板的焊接受力 134
8.9.1 问题分析 134
8.9.2 分析过程 134
8.9.3 探究训练 138
8.10 车架刚度分析 138
8.10.1 问题分析 138
8.10.2 分析过程 139
8.10.3 探究训练 144
第9章 动力学问题的有限元分析 145
9.1 引言 146
9.2 动力学有限元基本方程 146
9.2.1 单元分析(建立单元的动力学方程) 146
9.2.2 整体结构动力学有限元方程 148
9.3 质量矩阵和阻尼矩阵 149
9.3.1 质量矩阵 149
9.3.2 阻尼矩阵 150
9.4 结构的固有频率和固有振型 151
9.5 结构动力响应 153
9.5.1 振型叠加法(模态变换法) 154
9.5.2 直接积分法 156
9.6 动力响应算例 158
第10章 动力学分析实例 160
10.1 焊接板模态分析 165
10.1.1 问题分析 165
10.1.2 有限元分析过程 165
10.1.3 探究训练 168
10.2 加筋板振动分析 168
10.2.1 问题分析 168
10.2.2 有限元分析过程 168
10.2.3 探究训练 170
10.3 动力学——频响分析(直接法 模态法) 170
10.3.1 问题分析 171
10.3.2 有限元分析过程 171
10.3.3 探究训练 173
10.4 弹簧-质量系统瞬态动力学分析 173
10.4.1 问题分析 173
10.4.2 有限元分析过程 173
10.4.3 探究训练 175
10.5 平板随机响应分析 175
10.5.1 问题分析 175
10.5.2 有限元分析过程 175
10.5.3 探究训练 179
10.6 板受力后的疲劳寿命分析 179
10.6.1 问题分析 179
10.6.2 有限元分析过程 179
10.6.3 探究训练 181
10.7 钢支架疲劳寿命分析 181
10.7.1 问题分析 181
10.7.2 有限元分析过程 181
10.7.3 探究训练 183
第11章 非线性有限元问题的分类与一般解法 184
11.1 引言 184
11.2 非线性问题的分类 185
11.3 非线性问题的一般解法 188
11.3.1 增量法 189
11.3.2 迭代法 190
11.3.3 混合法 193
第12章 材料非线性有限元分析 194
12.1 材料本构关系 194
12.1.1 线弹性 194
12.1.2 非线性弹性 194
12.1.3 弹塑性 195
12.2 材料非线性有限元方程 204
12.2.1 非线性弹性问题有限元方程 204
12.2.2 弹塑性问题的有限元方程 204
第13章 几何非线性有限元分析 206
13.1 大位移小应变几何非线性 206
13.2 大变形几何非线性 209
13.2.1 TL格式和UL格式 209
13.2.2 格林应变与阿尔曼西应变 210
13.2.3 欧拉应力、拉格朗日应力和基尔霍夫应力 211
第14章 接触问题的有限元分析 214
14.1 接触问题的特点 214
14.2 接触问题的分析求解 215
14.2.1 物理模型 215
14.2.2 几何运动规律 217
14.2.3 建立有限元方程 217
第15章 非线性分析实例 221
15.1 薄板中心的受力分析——材料非线性 几何非线性 222
15.1.1 问题分析 222
15.1.2 有限元分析过程 222
15.1.3 探究训练 225
15.2 块接触非线性 225
15.2.1 问题分析 225
15.2.2 有限元分析过程 225
15.2.3 探究训练 227
15.3 椅子的非线性静力学分析 227
15.3.1 问题分析 228
15.3.2 有限元分析过程 228
15.3.3 探究训练 229
15.4 硫化橡胶或热塑性橡胶的拉伸应力应变性能 229
15.4.1 问题分析 230
15.4.2 有限元分析过程 230
15.4.3 探究训练 238
15.5 石头跌落的非线性分析 238
15.5.1 问题分析 238
15.5.2 有限元分析过程 238
15.5.3 探究训练 243
15.6 三点弯曲的非线性分析 243
15.6.1 问题分析 243
15.6.2 有限元分析过程 243
15.6.3 探究训练 248
参考文献 249
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王青春，车辆工程学科博士学位，副教授，硕士生导师。主要从事结构力学性能分析、电机节能控制技术以及智能装备研发方面的教学和研究工作。主讲汽车结构CAE技术、汽车底盘构造、测试技术以及振动模态分析等课程。主持或承担省部级及以上科研项目3项；在国内外学术期刊上发表论文30余篇，其中SCI/Ei收录10余篇，授权发明专利3项，出版专著1本，译著2本。
《汽车CAE技术及Optistruct工程实践》主要介绍有限元方法的基本理论，以及如何利用OptiStruct软件进行相应的有限元分析，并结合汽车行业的应用实例由浅入深地进行讲解。全书包括绪论、有限元理论以及OptiStruct软件应用等几个部分，共分为15章。有限元理论部分主要涵盖了传统的弹性力学理论基础、平面问题的有限元方法、空间问题和薄壳问题的静力学分析、动力学问题以及非线性问题的有限元方法等，对于经常用到的有限元理论知识进行细致的讲解。在讲解理论知识的同时，结合多年的有限元分析工程经验，总结了有限元分析的方法和策略，同时为静力学、动力学以及非线性问题配备了一定量的操作例题，在例题中给出了很多的探究训练内容，便于读者进一步加深对有限元方法及理论的理解。 《汽车CAE技术及Optistruct工程实践》第1～8章可以作为车辆工程或者机制专业本科生的有限元课程的教材，全书可以作为机械工程学科或者其他学科有限元方法教学的教材，同时还可以为车辆工程、航空航天相关行业的工程技术人员进行有限元分析提供较好的参考。
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