4.-ANSYS实体及有限元建模

一个典型的ANSYS分析过程可以分为3个步骤：（1）建立模型；（2）加载并求解；（3）查看分析结果。建立模型在这个分析过程中所花费的时间远远多于其它过程。第4章ANSYS实体建模3.3定义图形界面过滤参数3.4ANSYS的单位制ANSYS软件并没有为分析指定系统单位在结构分析中，可以使用任何一套自封闭的单位制（所谓自封闭是指这些单位量纲之间可以互相推导得出），只要保证输入的所有数据的单位都是正在使用的同一套单位制里的单位即可。1.建模原则:建立有限元模型时，对于结构形式复杂，而对于要分析的问题来讲又不是很关键的局部位置，在建立几何模型时可以根据情况对其进行简化，以便降低建模的难度。2.建模方法选择（1）直接建模-输入在计算机辅助设计系统创建的有限元模型（2）实体建模-输入在实体模型，划分网格，形成有限元模型3.5.1建模原则与方法选择3.5实体建模基础直接创建节点和单元，模型中没有实体优点–适用于小型或简单的模型–可实现对每个结点和单元的编号完全控缺点–需要人工处理的数据量大，效率低–不能使用自适应网格划分功能–不适合进行优化设计–容易出错直接建模3.5实体建模基础优点–适合于复杂模型，尤其适合3D实体建模–需要人工处理的数据量小，效率高–允许对节点和单元实施不同的几何操作–支持布尔操作–支持ANSYS优化设计功能–可以进行自适应网格划分–可以进行进行局部网格细化–便于修改和改进缺点–有时需要大量CPU处理时间–对小型、简单的模型有时比较繁琐–在特定条件下可能会失败实体建模3.5实体建模基础3.5.2坐标系在不同的分析阶段，ANSYS使用到了多种坐标系。•总体和局部坐标系：用来定位几何形状参数的空间位置；•显示坐标系：用于几何形状参数的列表和显示；•节点坐标系：定义每个节点的自由度方向；•单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向；•结果坐标系：用来列表、显示结点或单元结果•总体坐标系总体坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。默认情况下，建模操作时使用的坐标系是总体笛卡儿坐标系。ANSYS提供了3种坐标表达形式：笛卡儿坐标、柱坐标和球坐标。所有这3种坐标系都是右手法则，且有相同的原点，它们由其参考号识别：0－笛卡儿坐标；1－柱坐标；3－球坐标。3.5.2坐标系•笛卡儿坐标形式：X轴、Y轴、Z轴分别代表其原始意义；•柱坐标形式：X轴、Y轴、Z轴分别代表径向R、周向和周向Z；•球坐标形式：X轴、Y轴、Z轴分别代表分别代表R、和例如:总体笛卡尔坐标系下的位置(10,10,0)等同于总体柱坐标系下的位置(10,90,0)3.5.2坐标系ANSYS引用坐标值总是采用固定的方式：X轴、Y轴和Z轴，而不管实际激活的坐标形式，因此在不同的坐标系下，X轴、Y轴，Z轴代表的意义也不同：2.局部坐标系局部坐标系也有笛卡儿坐标、柱坐标和球坐标3种形式。总体坐标系和局部坐标系也是构建其它坐标系（结点坐标系、单元坐标系等）的基础。按总体笛卡儿坐标系定义局部坐标系（1）局部坐标系的创建XYX11Y11X12Y123.5.2坐标系通过已有结点定义局部坐标系通过已有关键点定义局部坐标系Command方式：/CSKP在当前工作平面定义局部坐标系Command方式：/CSWPLA这种方式建立的局部坐标系的各个坐标轴和工作平面的各个轴重合，只需指定坐标表达形式即可。3.5.2坐标系(3)局部坐标系的激活可以通过定义任意多个局部坐标系，但某一时刻只能有一个局部坐标系被激活（模型操作中，输入的坐标值是以激活坐标系为参照的）。ANSYS初始默认的激活坐标系是总体笛卡儿坐标系。每当用户定义一个新的局部坐标系时，这个新的坐标系就会被自动激活。3.显示坐标系在默认情况下，即使在其它坐标系中定义的结点和关键点，其列表显示输出的坐标值也是它们的总体笛卡儿坐标值，虽然可以改变显示坐标系，但一般不建议。4.结点坐标系结点坐标系用于定义结点自由度的方向。每个结点都有自己的结点坐标系，默认情况下，它总是平行于总体笛卡儿坐标系（结点坐标系与定义结点激活的坐标系无关）。但很多情况下需要改变结点坐标系。3.5.2坐标系5.单元坐标系每个单元都有自己的坐标系，单元坐标系用于规定正交材料特性的方向、面压力的方向和结果（如应力和应变）的输出方向。二维和三维实体的单元坐标系总是平行于总体笛卡儿坐标系。6.结果坐标系在求解过程中，得到的结果数据有位移、应力等。在对结果数据进行显示、列表和单元数据存储时，这些数据通常先被变换到激活的结果坐标系（默认为总体坐标系）下，然后再输出。可以将激活结果坐标系切换到总体坐标系或自定义的局部坐标系以及求解用坐标系（如结点和单元坐标系）。3.5.2坐标系工作平面是一个无限的平面，有原点、二维坐标系(用WX和WY轴表示，并用WZ表示工作平面的方向)等，它只是建模的辅助工具，在建立几何模型时，体素一般只能在当前工作平面内创建。工作平面是与坐标系独立存在的，除非打开了工作平面轨迹跟踪。–缺省，工作平面的原点与总体坐标系的原点重合，但可以将它移动或旋转到任意想要的位置–通过显示栅格，可以将工作平面作为绘图板WXWYWXWYX2X1Y2Y1WP(X,Y)3.5.3工作平面工作平面坐标系与工作平面相连主要用于实体模型体素的定位和取向可以利用工作平面通过拾取定义关键点3.5.3工作平面实体建模有两种思路：自底向上构造模型和自顶向下构造模型1.二者的区别与联系自底向上的建模方法是指在构造几何模型时首先定义几何模型中最低级的图元即关键点，然后再利用这些关键点定义较高级的图元（即线、面、体）。自底向上构造的模型是在当前激活的坐标系内定义的。自顶向下的建模方法是指一开始就通过较高级的的图元来构造模型，即通过汇集线、面、体等几何体素的方法来构造模型。当生成一种体素时，ANSYS软件自动生成所有从属于该体素的低级图元。应该注意的是几何体素是在工作平面上创建的，因此每一时刻都要清楚地知道当前工作平面的状态。3.6实体建模技术最高级图元：单元（包括单元载荷）节点（包括节点载荷）实体（包括实体载荷）面（包括面载荷）线（包括线载荷）最低级图元：关键点（包括点载荷）3.6实体建模技术无论是使用自底向上还是使用自顶向下的方法，构造的模型均是由关键点、线、面和体组成。两种方法可以根据需要组合使用。建模之初，必须考虑建立的模型能否生成有限元网格以及能否得到较好的有限元网格。实体建模时特别要注意的是截面有变化的地方以及各个形体的交界面。自底向上的建模方法是在当前激活的坐标系中，通过低级图元来生成高级图元，它涉及关键点、线、面和体这种从低到高的图元。1.关键点创建关键点的命令3.6.1自底向上建模技术2.线3.面4.体几何体素:可用单个ANSYS命令创建的常用的实体建模的形状（如一个圆柱体）,分为实体体素和面体素。因为几何体素是高级图元，可不用首先定义任何关键点而形成，所以称利用体素进行建模为自顶向下建模。几何体素是在工作平面上生成的。□面体素包括矩形、圆形或环形、正多边形创建两个面的倒角创建正多边形创建圆面、圆环面创建矩形面创建不规则面3.7自顶向下建模技术□实体体素包括长方体、柱体（圆柱和正棱柱）、球体、环体和锥体。3.7自顶向下建模技术应用几何体素（面体素、实体体素）需要注意的问题：由命令或GUI途径生成的几何体素位于工作面上，方向由工作面坐标系而定，面体素的面积必须大于0；在有限元模型中，两个相接触的面体素之间或实体体素间默认不是真正意义上的连接的，而是有一个不连续的“接缝”,必须用诸如相加（add）、合并（Merge）、粘接（glue）等命令处理一下以消除“接缝”；3.7自顶向下建模技术自底向上的建模还可以用来创建很多特别的形状。下面介绍几种常用的特殊建模方法。□线、面导角：□复制图元：□镜像图元：□蒙皮生成光滑曲面：通过多条空间引导线（不封闭）生成光滑面。例如机翼、螺旋桨等□扫掠：由关键点、线、面通过扫掠生成另外的线、面和体。3.8特殊建模□创建两个连接面的导角[MainMenu]Preprocessor|Modeling|Create|Areas|AreasFillet注：两个面必须有一条公共的边界线3.10.1创建导角！提示：旋转拷贝要用柱坐标对于模型中的重复部分，利用复制命令可以复制相应部分。复制对象可以是点、线、面、体等几何模型和单元、节点等网格模型。命令：KGEN/LGEN/AGEN/VGEN[MainMenu]Preprocessor|Modeling|Copy…3.10.2复制图元利用坐标轴的对称性，通过对称镜像创建关键点、线、面、体等几何模型和节点、单元等网格模型。命令：无[MainMenu]Prerocessor|Modeling|Reflect！镜像只能在笛卡儿坐标系中进行3.10.3镜像图元2.线的扫掠线的扫掠路径可以是两关键点确定的轴线或直线线沿直线扫掠3.10.4扫掠3.面的扫掠面的扫掠路径可以是两关键点确定的轴线或直线面沿8，9关键点的轴线扫掠面沿直线线扫掠3.10.4扫掠若需要指定显示图元，可以通过菜单Select|Entities命令完成。这个操作非常有利于进行复杂分析后查看局部的结果，特别是在3D建模分析时，往往会有一个体挡住另一个体的情况，此时这种只显示部分图元的操作就显得非常有用。图元类型选择图元选择方式选择集操作方式设定面板选择集操作按钮执行按钮3.11.2图元的选择□FromFull：选择集的初建。从这整个模型中选择图元新建选择集□Reselect：选择集子选。即从已建立的选择中，选定其子集图元重新建立选择集。□AlsoSelect：选择集扩充。即在已有的选择集的基础上，补选新图元，从而获得新的选择集实现选择集的扩充。□Unselect:选择集的部分删除，即从已建立的选择集中去除待输入的选择集。□SelectAll：选择集为所有区域。□SelectNone：取消选择集合。□Invert：反选当前选择集。2.11.2图元的选择大部分的ANSYS操作,包括SOLVE命令，都只在当前选择的子集上进行部件部件是命名的子集合。这个名称可以在对话框或实体号命令中使用。一组节点，单元，关键点，线，面等都可以定义为部件。只能用一种实体类型与组件关连。部件可以选择或不选择。当选择了一个部件,实际上就选择了部件中的所有实体。集合一个集合由一组部件组成。一个集合也可以由一个或更多其它的部件或集合组成。组成一个集合的其它部件可以是任何实体类型的结合。集合的嵌套不能超过五层。例如,一个名为MOTOR的集合可以由如下页所示的集合或部件组成。MOTORROTORASM(体&线)AIRGAP(单元)STATASM(体&单元)STATOR(体）PERMMAG(单元)ROTOR(体)WINDINGS(线)部件集合集合MOTOR集合由体，单元和线组成。布尔运算在建模的过程中有着极其重要的作用，只有掌握好布尔运算强大的功能才能利用ANSYS建模工具随心所欲地建立预期的模型。在默认情况下，布尔操作完成后，输入的原始图元被删除，得到的是新的并且重新编号的图元。通过设置可以改变默认方式。被删除的图元编号变成”自由“的（这些自由得编号将附给新创建的图元，从最小的自由编号开始）。2.12布尔运算相交–只保留两个或多个实体的重叠部分–如果有两个以上的输入实体，有两个选择:公共相交和两两相交公共相交找出所用输入实体的公共重叠部分两两相交找出每一对实体的重叠区域，可能产生一个以上的输出实体公共相交两两相交2.12.1交运算Intersect加运算：将具有公共部分的多个同类型的图元合并为一个新图元，不再保留公共部分的边界。形成的新图元是一个单一的整体，没有接缝（实际上，加运算形成的图元在划分网格时常不如搭接(Overlapping)。2.12.2加运算Add减运算：从一个图元中去掉另一个图元同样具有的部分。2.12.3减运算Subtract切分：顾名思义就是一刀将图元劈成两半，切分操作中所使用的”剖切工具“可以是体、面、线或工作面。其中最常用的切分方