本書在介紹有限元理論基礎(chǔ)及基本分析方法的基礎(chǔ)上,基于國產(chǎn)CAE仿真軟件ZWSim,對結(jié)構(gòu)力學、熱傳導、動力學及非線性問題的有限元分析過程進行具體的介紹。讀者通過對有限元方法理論和具體軟件分析過程的同步學習,可以真正理解有限元方法的本質(zhì),更好地應(yīng)用國產(chǎn)CAE仿真軟件解決實際的工程問題。
當今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局。國家綜合實力由工業(yè)保障,工業(yè)發(fā)展由工業(yè)軟件驅(qū)動。工業(yè)軟件正在重塑工業(yè)巨人之魂。
習近平總書記在2021年5月28日召開的兩院院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上發(fā)表了重要講話:科技攻關(guān)要堅持問題導向,奔著緊急、緊迫的問題去。要從國家急迫需要和長遠需求出發(fā),在石油天然氣、基礎(chǔ)原材料、高端芯片、工業(yè)軟件、農(nóng)作物種子、科學試驗用儀器設(shè)備、化學制劑等方面關(guān)鍵核心技術(shù)上全力攻堅,加快突破一批藥品、醫(yī)療器械、醫(yī)用設(shè)備、疫苗等領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)。
國家領(lǐng)導人將工業(yè)軟件定位于緊急、緊迫的問題,是國家急迫需要和長遠需求的關(guān)鍵核心技術(shù),史無前例,開國首次,彰顯了國家對工業(yè)軟件的高度重視。機械工業(yè)出版社此次領(lǐng)銜組織出版這套工業(yè)軟件叢書,秉持系統(tǒng)性、專業(yè)性、全局性、先進性的原則,開展工業(yè)軟件生態(tài)研究,探索工業(yè)軟件發(fā)展規(guī)律,反映工業(yè)軟件全面信息,匯總工業(yè)軟件應(yīng)用成果,助力產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。這套叢書是以實際行動落實國家意志的重要舉措,意義深遠,作用重大,正當其時。
本叢書分為產(chǎn)業(yè)研究與生態(tài)建設(shè)、技術(shù)產(chǎn)品、支撐環(huán)境三大類。
在工業(yè)軟件的產(chǎn)業(yè)研究與生態(tài)建設(shè)大類中,列入了工業(yè)技術(shù)軟件化專項研究、工業(yè)軟件發(fā)展生態(tài)環(huán)境研究、工業(yè)軟件分類研究、工業(yè)軟件質(zhì)量與可靠性測試、工業(yè)軟件的標準和規(guī)范研究等內(nèi)容,希望從頂層設(shè)計的角度讓讀者清晰地知曉,在工業(yè)軟件的技術(shù)與產(chǎn)品之外,還有很多制約工業(yè)軟件發(fā)展的生態(tài)因素。例如工業(yè)軟件的可靠性、安全性測試,還沒有引起業(yè)界足夠的重視,但是當工業(yè)軟件越來越多地進入各種工業(yè)品中,成為軟零件軟裝備之后,工業(yè)軟件的可靠性、安全性對各種工業(yè)品的影響將越來越重要,甚至就是一票否決式的重要。至于制約工業(yè)軟件發(fā)展的政策、制度、環(huán)境,以及工業(yè)技術(shù)的積累等基礎(chǔ)性的問題,就更值得予以認真研究。
工業(yè)軟件的技術(shù)與產(chǎn)品大類是一個生機勃勃、不斷發(fā)展演進的龐大家族。據(jù)不完全統(tǒng)計,工業(yè)軟件大約有近2萬種之多。面對如此龐大的工業(yè)軟件家族,如何用一套叢書來進行一場小樣本、大視野、深探底的表述,是一個巨大的挑戰(zhàn)。就連工業(yè)軟件術(shù)語本身,也是在初沒有定義的情況下,伴隨著工業(yè)軟件的不斷發(fā)展而逐漸產(chǎn)生的,形成了一個用于工業(yè)過程的所有軟件的基本共識。如果想準確地論述工業(yè)軟件,從范疇上說,要從國家統(tǒng)計局所定義的工業(yè)門類出發(fā),把應(yīng)用在礦業(yè)、制造業(yè)、能源業(yè)這三大門類中的所有軟件都囊括進來,而不能僅僅把目光放在制造業(yè)一個門類上;從分類上說,既要顧及現(xiàn)有分類(如CAX、MES等),也要著眼于未來可能的新分類(如工研軟件、工管軟件等);從架構(gòu)上說,既要顧及傳統(tǒng)架構(gòu)的軟件(如ISA95),也要考慮到基于云架構(gòu)的訂閱式(如SaaS)軟件;從所有權(quán)上說,既要考慮到商用軟件,也要考慮到自用軟件(in-house software);等等。本叢書力爭做到從不同的維度和視角,對各種形態(tài)的工業(yè)軟件都能有所展現(xiàn),勾勒出一幅工業(yè)軟件的中國版圖,盡管這種展現(xiàn)與勾勒,很可能是粗線條的。
工業(yè)軟件的支撐環(huán)境是一個不可缺失的重要內(nèi)容。無論是數(shù)據(jù)庫、云技術(shù)、材料屬性庫、圖形引擎、過程語言還是工業(yè)操作系統(tǒng)等,都是支撐各種形態(tài)的工業(yè)軟件實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)性的數(shù)字底座;A(chǔ)不牢,地動山搖,遑論自主,更無可控。沒有強大的工業(yè)軟件所需要的運行支撐環(huán)境,就沒有強大的工業(yè)軟件。因此,工業(yè)軟件的數(shù)字底座是一項必須涉及的重要內(nèi)容。
長期以來,缺芯少魂一直困擾著中國企業(yè)及產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。特別是從2018年以來,強加在很多中國企業(yè)頭上的貿(mào)易摩擦展現(xiàn)了令人眼花繚亂的花式斷供,僅芯片斷供或許就能導致某些企業(yè)停產(chǎn)。芯片斷供尚有應(yīng)對措施來減少損失,但是工業(yè)軟件斷供則是直接閹割企業(yè)的設(shè)計和生產(chǎn)能力。沒有工業(yè)軟件這個基礎(chǔ)性的數(shù)字化工具和軟裝備,就沒有工業(yè)品的設(shè)計和生產(chǎn),社會可能停擺,企業(yè)可能斷命,絕大多數(shù)先進設(shè)備可能變成廢銅爛鐵。工業(yè)軟件對工業(yè)的發(fā)展具有不可替代、不可或缺、不可估量的支撐、提振與杠桿放大作用,已經(jīng)日益為全社會所切身感受和深刻認知。
該叢書的面世,或?qū)⒔议_蒙在工業(yè)軟件頭上的神秘面紗,厘清工業(yè)軟件發(fā)展規(guī)律。更重要的是,該叢書將會激勵中國的工業(yè)軟件從業(yè)者,充分發(fā)揮可上九天攬月,可下五洋捉鱉的想象力、執(zhí)行力和戰(zhàn)斗力,讓每一行代碼、每一段程序,都譜寫出、硬核的時代篇章,讓中國的工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)就此整體發(fā)力,急速前行,攻堅克難,攜手創(chuàng)新,使我國盡快屹立于全球工業(yè)軟件強國之林。
叢書編委會
2021年8月
叢書前言
前言
第1章 概述
1.1 有限元方法的歷史和發(fā)展過程 / 1
1.2 CAE工業(yè)軟件的產(chǎn)生及發(fā)展 / 6
1.3 中望仿真軟件 / 8
第2章 有限元方法的理論基礎(chǔ)
2.1 有限元方法的基本思想 / 10
2.2 有限元方法的數(shù)學基礎(chǔ) / 11
2.2.1 微分方程的等效積分形式 / 11
2.2.2 加權(quán)余量法 / 13
2.2.3 里茲法 / 14
2.3 有限元方法的力學基礎(chǔ) / 16
2.3.1 彈性力學的基本方程 / 16
2.3.2 虛位移原理 / 19
第3章 桿梁結(jié)構(gòu)有限元法
3.1 桿單元 / 22
3.1.1 位移函數(shù)及形函數(shù) / 23
3.1.2 幾何關(guān)系及物理關(guān)系 / 25
3.1.3 剛度方程 / 26
3.1.4 坐標變換 / 27
3.1.5 總剛矩陣 / 30
3.2 梁單元 / 30
3.2.1 位移函數(shù)及形函數(shù) / 31
3.2.2 剛度矩陣 / 35
3.2.3 等效節(jié)點載荷 / 37
第4章 平面問題有限元法
4.1 平面問題的定義 / 39
4.1.1 平面應(yīng)力問題 / 39
4.1.2 平面應(yīng)變問題 / 41
4.2 結(jié)構(gòu)離散 / 42
4.3 三角形單元 / 43
4.3.1 位移函數(shù)及形函數(shù) / 43
4.3.2 幾何關(guān)系及物理關(guān)系 / 48
4.3.3 剛度方程 / 49
4.3.4 總剛矩陣 / 51
4.3.5 等效節(jié)點載荷 / 52
4.3.6 幾何約束處理 / 55
4.3.7 線性方程組求解 / 56
第5章 空間問題有限元法
5.1 位移函數(shù)及形函數(shù) / 58
5.2 幾何關(guān)系及物理關(guān)系 / 60
5.3 單元剛度矩陣 / 62
第6章 等參單元
6.1 等參變換 / 64
6.1.1 坐標變換 / 64
6.1.2 偏導數(shù)變換 / 65
6.1.3 單元剛度矩陣 / 67
6.2 等參變換的條件 / 68
6.3 數(shù)值積分 / 69
6.3.1 牛頓-科茨積分 / 70
6.3.2 高斯積分 / 71
第7章 ZWSim平臺及仿真實例
7.1 ZWSim Structural介紹 / 74
7.2 ZWSim Structural仿真分析過程 / 77
7.3 ZWSim Structural靜力學仿真實例 / 83
第8章 熱傳導問題
8.1 熱傳導問題基本方程 / 99
8.2 有限元分析過程 / 101
8.3 ZWSim仿真分析實例 / 105
8.3.1 實例一:功率器件散熱器的穩(wěn)態(tài)傳熱分析 / 105
8.3.2 實例二:熱壓板的瞬態(tài)傳熱分析 / 112
第9章 動力學問題
9.1 動力學問題基本方程 / 122
9.2 有限元分析過程 / 123
9.3 ZWSim仿真分析實例 / 129
9.3.1 實例一:發(fā)電機支架的模態(tài)分析 / 129
9.3.2 實例二:發(fā)電機支架的諧響應(yīng)分析 / 138
9.3.3 實例三:發(fā)電機支架的響應(yīng)譜分析 / 152
第10章 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題
10.1 穩(wěn)定性問題的有限元解法 / 171
10.2 ZWSim仿真分析實例 / 174