有限元仿真及在电连接技术中的应用_芦娜_9787111644811

《有限元仿真及在电连接技术中的应用》全面阐述了电连接领域产品设计、性能分析相关的力学、热学、电磁学等学科理论、有限元法，并融合仿真分析技术及软件、实际案例，针对电连接领域产品特点，从理论到应用，通过大量的工程案例分析对读者进行指导。《有限元仿真及在电连接技术中的应用》可作为机械、电工、电气设备工程设计、技术研发人员的参考书，也可作为工科院校机电工程自动化或相关专业本科生和研究生的参考用书。读者可根据自己专业方向、工程研究需求选择相应篇章，既可以进行深入的理论系统学习，也可以通过案例分析及软件操作实战中的应用技巧与难点指导，高效快速掌握仿真分析方法，提升理论水平及实际应用技能。

前言
近年来，仿真技术在机械、电子、电力、汽车、航空、航天、通信等军用和民用领域中的应用飞速发展，并不断向广度和深度拓展，在国民经济建设和国防建设中发挥了越来越重要的作用，而广泛的应用又推动促进了仿真技术本身的进步。仿真技术已成为现代企业产品设计的必备手段，特别是在新品研发过程中，以其他方法无法替代的特殊功能，透视产品特性、加工工艺、试验以及制造过程，为设计提供关键性依据。仿真延伸了设计工程师的眼睛甚至大脑，提高研发人员的判断力，降低设计和制造的成本和时间周期。仿真是推动科技进步的战略性技术。仿真技术应用正向全系统、系统全生命周期、系统全方位管理方向发展。
电连接技术是多学科理论综合应用技术，涉及机械、力学、热学、电学、电磁学、材料学等多学科理论。这些理论的综合应用，本身就对电连接领域的工程设计人员提出很高要求。而电连接仿真更是一个复杂的过程，需要工程设计人员不仅具有相关学科的专业、系统的理论知识、工程实践经验，还要具有仿真技术的基础理论知识、分析方法，掌握仿真软件。目前国内电连接行业产品研发中存在的主要问题，除了基础理论的研究不够深入，设计理念、设计方法落后以外，不能借助先进设计工具实施精细化设计也是导致高端产品研发难以突破瓶颈的主要因素。仿真技术的应用，对于大多数企业基本处于初级阶段，仅仅是设计、试验的“附属品”，多数情况下只是在研发后期进行部分性能指标的设计校核，这一现状严重制约、影响电连接行业的发展。究其原因则与电连接行业中缺乏具有高水平的专业理论知识、丰富的工程设计经验、掌握工程设计仿真技术的人员不无干系。如何使工程设计人员系统、高效、快速掌握仿真技术，并应用于实际工程实践解决工程实际问题，是电连接行业亟待解决的问题。
本人多年从事电连接理论、技术研究，与电子、电工等机电领域，特别是电连接行业内的企业进行科研项目合作，协助企业进行新品研发设计、产品性能分析、质量评估。期间，深感企业对新品开发的迫切需求与实际产品设计、工艺技术等能力不足的现状，为此曾多次对企业设计、技术人员进行相关理论、技术的培训、指导。本书即是在多次培训的教材、讲义以及与企业研发项目合作案例的基础上整理编写的。本书全面阐述了电连接领域产品设计、性能分析相关的机械、力学、热学、电学、电磁学、材料学等学科理论、有限元法，并融合仿真分析技术及软件、实际案例，针对电连接领域产品特点，从理论到应用，通过大量的工程案例分析对读者进行指导，在基础理论与工程应用中架起一座桥梁。
全书共分为8篇28章，第1章绪论，概述了仿真基本概念、要素，用实例介绍了仿真分析的基本理论——有限元法的基本思想、原理、分析方法；并通过笔者多年研究积累的工程案例介绍仿真在电力、通信特别是电连接行业中的应用。第1~4篇（第2~15章）分别为电连接结构的有限元仿真分析、电连接动态性能有限元仿真分析、电连接电—热性能有限元仿真分析、电连接电磁性能仿真分析，分别对电连接设计、性能分析时主要涉及的结构、振动冲击、电—热、电磁的有限元仿真进行系统介绍，主要包括：相关学科的基本概念、理论、原理；有限元理论、求解方法；有限元仿真分析软件模块、分析流程、基本步骤；通过典型案例，详细讲解进行连接器仿真分析的具体操作；针对连接器进行仿真时常用的建模、网格质量评估、接触设置、边界条件、收敛性等技术、技巧以及容易出现的问题进行指导，提高仿真的准确性及精度。第5篇（第16~18章）针对电连接的非线性问题进行讨论，阐述了弹塑性、非线性理论，介绍了有限元非线性分析方法、仿真分析流程，通过实例具体讲解连接器的非线性仿真步骤的具体操作。第6篇（第19~21章）针对电连接的结构疲劳仿真分析进行讨论，介绍了疲劳理论、分析方法、仿真分析流程，通过实例具体讲解连接器的结构疲劳仿真步骤的具体操作。第7篇（第22~25章）为电连接的优化设计，介绍连接器结构参数化设计、参数灵敏性分析及优化设计方法、步骤。第8篇（第26~28章）为电连接的多场协同仿真。电连接性能通常是多物理场共同作用的结果，为了获得其实际工况下的真实特性，就要进行多场协同仿真的耦合分析。第26章介绍了多场协同仿真的分析要点、方法，第27章介绍了多场协同仿真的分析流程，第28章通过实例讲解连接器多场协同仿真、耦合分析仿真的步骤和具体操作。
当前，我国电连接仿真技术方面的图书十分匮乏，尤其缺少全面、系统、深入的关于电连接仿真应用研究的专著。本书填补了这项空白。本书通俗易懂，便于自学，可作为电工、电子、电气设备科研与工程、技术人员的参考书，也可作为工科院校机电工程自动化或相关专业本科生和研究生的参考用书。读者可根据自己的专业方向、工程研究的实际需求选择相应篇章，既可以进行深入的理论系统学习，也可以通过案例分析与软件操作实战中的应用技巧、难点指导，高效快速地掌握仿真分析方法，提升理论水平及实际应用技能。
本书在写作过程中，得到北京邮电大学电连接可靠性研究室主任许良军教授和北京邮电大学自动化学院杨福兴教授的指导；科研室研究生张海刚、王涛、陈俊明协助做了许多工作；郑明星、何玉峰、杨杰、端木文乐、宗志祥、常鹏飞、钟泽南、曹怀宗、姚雷阳、丰皇、陈陆平、辛春雷、李不凡、徐振鹏、黄剑锋、隋林、陶明瑞、吕天一、陈艳、陈晗卿、景红光、王俊阳、杨智杰等提供了帮助，在此一并表示感谢。
尽管作者几经努力，进行了大量的艰苦工作，但因水平有限，书中疏漏欠妥之处在所难免，竭诚欢迎读者批评指正。

芦娜于北京邮电大学

序言
有限元起源于20世纪40年代，随着计算机的迅速发展与普及，得到了广泛应用，目前已成为产品设计不可或缺的仿真工具。有限元方法从数学的角度是一种数值计算方法，它通过结构离散化突破了理论对结构、参数的规则限制，从而可近似地无限逼近工程应用的真值，突破了传统设计理论近似加实验修正的方法，大大提高了设计的准确性和效率。
电连接器功能、结构简单，而其两大特征却给设计工程师带来无尽烦恼：种类、规格繁多，可靠性要求极高。前者是因为要匹配各种各样的设备、系统；后者是由于使用量大，单一连接器千分之一的故障率累积起来也会明显降低系统的可靠性。
上述两大特征使人们对设计规范和精确设计提出了需求：能够反映基本要求、普遍要求的连接器设计程序（不是软件）。其意义是减少重复工作、避免低级错误，即满足客户需求、提高工作效率。而精确设计亦即针对性设计，离不开强有力的计算工具，这就是有限元方法。
目前，有限元软件功能十分强大，也越来越人性化（便于使用）。但说到底它只是一种工具。再好的工具如果不能正确使用，也难以得到理想的、正确的结果，甚至会导致意料之外的损失。现今社会，中青年工程师大多具备良好的计算机基础，学习和掌握有限元软件的使用方法并非难事，然而这仅仅是有限元设计的入门基础，是远远不够的。在工程中用好有限元，需要了解有限元的基本原理，透彻分析工程需求、要解决的问题以及涉及的相关理论，在此基础上建立有限元计算模型。这个过程需要磨练和积累，也决定了使用者水平的提升空间。
电连接技术是涉及多学科的交叉或边缘科学，其有限元应用涉及结构力学、电磁场、热学、材料学及非线性等多个方面。本书内容丰富，涵盖了电连接器及相关工程问题的有限元应用，阐述了相关的理论基础，使用了大量的工程案例，反映了作者多年从事电连接科研、教学与实践的心得和成果积累。
目前，我国电连接器行业还比较年轻但发展迅速，大量的从业人员对于连接器设计还有许多需要学习和提高的地方。本书弥补了此方面书籍的匮乏，对连接器设计工程师掌握连接器有限元设计、解决工程问题和提高设计水平有很大帮助。

许良军

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