ANSYS建立實體模型.pptVIP

第3章 建立實體模型,實體模型是分析的基礎(chǔ)，約束和載荷加載在實體模型才能進(jìn)行分析計算。實體模型的建立，可以視為前處理器中階段性的任務(wù)。設(shè)計工程師可以通過CAD軟件所提供的構(gòu)建、旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小等功能，達(dá)到建立、查看和修改產(chǎn)品實體模型的目的。 ANSYS中實體模型的來源有兩種，一種方法可以通過常用的中間文件格式導(dǎo)入；另外一種方式就是在ANSYS前處理器中直接建模。當(dāng)來自CAD軟件時，可以通過IGES,SAT,STEP,PARASOLID等中間文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而輸入ANSYS，或者經(jīng)由直接轉(zhuǎn)換界面，將CAD模型直接轉(zhuǎn)換至ANSYS中。使用這種方式時，最好先在CAD軟件中對模型進(jìn)行簡化，再把模型輸出，這樣可以節(jié)省處理模型的時間。,3.1 實體建模概述,直接在ANSYS中建立實體模型時，可以分為從上而下（Top-Down）和從下而上（Bottom-Up）兩種建模方法。從上而下的方法，必須先建立一些基礎(chǔ)幾何單元，如方塊、圓柱體等。然后，再將這些基礎(chǔ)單元以堆積木的方式，通過布爾運算的技巧組合成最后的實體模型。通過這種方式建立的實體模型，形狀比較規(guī)則，所以一般適用于結(jié)構(gòu)形狀比較簡單的模型。由下而上的方法，則必須先定義一些物體上的重要參考點（Key point），然后再從點連接成線，由線組合成面，再由面合并成一個體，最后由體再組合成完整的實體模型。在上面的組合過程中，往往也需要用到布爾運算的技巧，才能完成最后的實體模型。雖然實體模型建立的方式可分為這兩種方式，但是在實際應(yīng)用中大部分的實體模型都是通過綜合運用以上兩種方式來生成的。,3.2 導(dǎo)入CAD軟件創(chuàng)建的實體模型,為了提高工作效率，通常在商業(yè)CAD軟件中建立復(fù)雜的產(chǎn)品實體模型，然后通過ANSYS和CAD軟件的接口將CAD模型導(dǎo)入到ANSYS系統(tǒng)中。,3.2.1 圖形交換數(shù)據(jù)格式,將CAD模型文件導(dǎo)入ANSYS可以通過以下3種方法實現(xiàn)。 中間格式：IGES、SAT、STEP等。 雙向接口：即ANSYS與UG、Pro/E、ADAMS、FEMAP、PATRAN、I-DEAS、COSMOS、ALGOR等軟件的有限元模型可相互轉(zhuǎn)換。 直接幾何接口：即ANSYS可直接調(diào)入Pro/E、UG、SAT、Parasolid、Solid Works、Solid Edge等軟件生成的幾何模型。,3.2.2 IGES格式實體的導(dǎo)入,IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是一種被廣泛接受的中間標(biāo)準(zhǔn)格式，用來在不同的CAD和CAE系統(tǒng)之間交換幾何模型。使用該文件格式可以輸入全部或者部分模型文件，因而用戶可以通過它來輸入模型的全部或者一部分從而減輕建模工作量，然后在ANSYS里對輸入的模型進(jìn)行修改。對于輸入IGES文件，ANSYS提供如下兩種選項： 1SMOOTH選項 2FACETED選項,3.2.3 SAT格式實體的導(dǎo)入,ACIS（Andy CharlesIans System）是在三維造型應(yīng)用中做為“幾何引擎”而設(shè)計的一種面向?qū)ο蟮膸缀卧煨吞籽b工具軟件，提供了一種開放式體系結(jié)構(gòu)框架，用于從某個通用的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生線框、表面和立體的模型。由Spatial Technology公司開發(fā)，已經(jīng)成為立體造型技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。*.sat是基于該3D建模引擎的文件格式。,3.2.4 Parasolid格式實體的導(dǎo)入,Parasolid是由Unigraphics Solutions Inc 在Cambridge， England合作開發(fā)， 用于Unigraphics和Solid Edge 產(chǎn)品中。Parasolid是一個嚴(yán)格的邊界表示的實體建模模塊，它支持實體建模，通用的單元建模和集成的自由形狀曲面/片體建模。Parasolid被設(shè)計用于機(jī)械CAD/CAM/CAE應(yīng)用，但也用于建筑工程結(jié)構(gòu)和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中，目前已經(jīng)被廣泛使用。,3.2.5 STEP格式的導(dǎo)入,產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所屬技術(shù)委員會TC184(工業(yè)自動化系統(tǒng)技術(shù)委員會)下的“產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)外部表示”(ExternalRepresentationofProductModelData)分委員會SC4所制訂的國際統(tǒng)一CAD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。 ANSYS沒有提供直接導(dǎo)入STEP格式的模型。要把STEP格式的模型導(dǎo)入ANSYS，首先用其他CAD軟件（如Solidworks、UG、CATIA等）保存為Parasolid、IGES、SAT的格式，然后按照上面的方法再導(dǎo)入ANSYS。,3.2.6 導(dǎo)入SolidWorks中創(chuàng)建的葉片模型,圖 導(dǎo)入的葉片模型,3.2.7 導(dǎo)入UG繪制的軸承模型,圖 在ANSYS中顯示導(dǎo)入的軸承模型,3.2.8 導(dǎo)入SolidEdge中繪制的聯(lián)軸器模型,圖 在ANSYS中顯示導(dǎo)入的聯(lián)軸器模型,3.3 對輸入模型的修改,CAD模型輸入ANSYS后模型并不一定可以直接在ANSYS中可以使用，主要原因包括： CAD程序可能用一種與ANSYS不完全一致，帶有特殊格式的方式來定義圖元。 CAD文件用一種看起來正確但對有限元分析工具卻會產(chǎn)生問題的方法生成的。 CAD文件可能包含難以進(jìn)行網(wǎng)格劃分的物理細(xì)節(jié)。 對模型進(jìn)行修改時，需要知道實體模型和有限元模型中圖元的層次關(guān)系，不能刪除依附于較高級圖元上的低級圖元。否則會引起模型錯誤。例如不能刪除依附于面上的線，依附于體上的面等。,3.4 ANSYS環(huán)境內(nèi)直接建模方法,對于一些如梁，對稱軸等簡單幾何圖形表達(dá)的產(chǎn)品模型，不需要使用CAD軟件構(gòu)建，而可以直接在ANSYS內(nèi)使用建模工具快速建立模型，ANSYS中提供了兩種建模方法，即自上而下創(chuàng)建幾何模型和自下而上創(chuàng)建幾何模型。,3.4.1 自上而下創(chuàng)建幾何模型,所謂的自上而下的建模方法是指從較高級的實體圖元構(gòu)造模型的方法。ANSYS軟件允許通過創(chuàng)建線、面和體等幾何體素的方法構(gòu)造幾何模型。當(dāng)構(gòu)造一種體素時，ANSYS將自動生成所有從屬于該體素的較低圖元，例如構(gòu)造立方體時，立方體的點，線，面等低級圖元自動生成。 自上而下的產(chǎn)品設(shè)計最初考慮的是產(chǎn)品應(yīng)實現(xiàn)的功能，最后才考慮實現(xiàn)這些功能的幾何結(jié)構(gòu)，它符合設(shè)計人員的思維過程，在產(chǎn)品設(shè)計的最初就將產(chǎn)品的功能、關(guān)鍵約束等重要信息確定下來，同時分配給各子系統(tǒng)，便于實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的協(xié)同。,3.4.2 自下而上建模幾何模型,所謂的自下而上的建模方法是指首先首先定義關(guān)鍵點，然后利用這些關(guān)鍵點定義較高級的實體圖元，即線、面和體，從而完成建模過程的建模方法。關(guān)鍵點是實體模型中最低級的圖元。在構(gòu)造實體模型時，需要注意的是自下向上構(gòu)造的有限元模型是在當(dāng)前激活的坐標(biāo)系內(nèi)定義的。 用戶可以根據(jù)需要自由地組合自下向上和自上向下的建模技術(shù)。注意幾何體素是在工作平面內(nèi)創(chuàng)建的，而自下向上的建模技術(shù)是在激活的坐標(biāo)系上定義的。,3.5 坐標(biāo)系簡介,在不同的分析階段，ANSYS使用到了多種坐標(biāo)系。每種坐標(biāo)系的定義和作用是不同的。主要包括以下幾種。 總體和局部坐標(biāo)系：用來定位幾何形狀參數(shù)的空間位置。 顯示坐標(biāo)系：用于幾何形狀參數(shù)的列表和顯示。 點坐標(biāo)系：定義每個節(jié)點的自由度方向和節(jié)點結(jié)果數(shù)據(jù)的方向。 單元坐標(biāo)系：確定材料特性主軸和單元結(jié)果數(shù)據(jù)的方向。 結(jié)果坐標(biāo)系：用來列表、顯示節(jié)點或單元結(jié)果。,3.5.1 總體和局部坐標(biāo)系,總體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系是用來定位幾何體。默認(rèn)情況下，建模操作時使用的坐標(biāo)系是總體笛卡爾坐標(biāo)系。但是很多情況下，采用其它坐標(biāo)表達(dá)形式往往會更加方便，比如旋轉(zhuǎn)模型時需要用到柱坐標(biāo)表達(dá)形式。 1總體坐標(biāo)系 2局部坐標(biāo)系,3.5.2 顯示坐標(biāo)系,顯示坐標(biāo)系可用于幾何形狀參數(shù)的列表和顯示。在默認(rèn)情況下，即使在其它坐標(biāo)系中定義的節(jié)點和關(guān)鍵點，其列表顯示輸出的坐標(biāo)值也是它們的總體笛卡兒坐標(biāo)值，雖然可以改變顯示坐標(biāo)系，但一般不建議這樣做。另外，通過修改顯示坐標(biāo)系的種類，可以從不同角度查看一個模型。 例1：先在總體笛卡爾坐標(biāo)系中創(chuàng)建4個點，然后在一個點創(chuàng)建局部坐標(biāo)系，給其編號為12，然后修改顯示坐標(biāo)系為與局部坐標(biāo)系12重合，此時可以看到原來四個點在新的顯示坐標(biāo)系下的排布。,3.5.3 節(jié)點坐標(biāo)系,節(jié)點坐標(biāo)系用于定義節(jié)點自由度的方向。每個節(jié)點都有自己的節(jié)點坐標(biāo)系，默認(rèn)情況下，它總是平行于總體笛卡爾坐標(biāo)系。但很多情況下需要改變節(jié)點坐標(biāo)系。將節(jié)點坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到激活坐標(biāo)系的方向。即節(jié)點坐標(biāo)系的X軸轉(zhuǎn)成平行于激活坐標(biāo)系的X軸或R軸，節(jié)點坐標(biāo)系的Y軸旋轉(zhuǎn)到平行于激活坐標(biāo)系的Y軸或軸，節(jié)點坐標(biāo)系的Z軸轉(zhuǎn)到平行于激活坐標(biāo)系的Z軸或軸。 例2：在半圓弧上建立5個節(jié)點，為其指定新的節(jié)點坐標(biāo)系，使其節(jié)點坐標(biāo)的x軸指向圓心。,3.5.4 單元坐標(biāo)系,每個單元都有自己的坐標(biāo)系，單元坐標(biāo)系用于規(guī)定正交材料特性的方向、面壓力的方向和結(jié)果（如應(yīng)力和應(yīng)變）的輸出方向。所有的單元坐標(biāo)系都是正交右手系。大多數(shù)單元坐標(biāo)系的默認(rèn)方向遵循以下規(guī)則： 線單元的X軸通常從該單元的I節(jié)點指向J節(jié)點。 殼單元的X軸通常也取I節(jié)點到J節(jié)點的方向，Z軸過I點且與殼面垂直，其正方向由單元I、J和K節(jié)點按右手法則確定，Y軸垂直于X軸和Z軸。 二維和三維實體的單元坐標(biāo)系總是平行于總體笛卡爾坐標(biāo)系。,3.5.5 結(jié)果坐標(biāo)系,在求解過程中，得到的結(jié)果數(shù)據(jù)有位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。在對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、列表和單元數(shù)據(jù)存儲時，這些數(shù)據(jù)通常先被變換到激活的結(jié)果坐標(biāo)系（默認(rèn)為總體坐標(biāo)系）下，然后再輸出?？梢詫⒓せ畹慕Y(jié)果坐標(biāo)系切換到總體坐標(biāo)系或自定義的局部坐標(biāo)系以及求解用坐標(biāo)系（如節(jié)點和單元坐標(biāo)系）。采用的方法如下： 命令：RSYS。 GUI：Main Menu|General Postproc | Options for Output。 GUI：Main Menu|List |Results |Options。,3.6 工作平面的使用,盡管光標(biāo)在屏幕上只表現(xiàn)為一個點，但它實際上代表的是空間中垂直于屏幕的一條線。為了能用光標(biāo)拾取一個點，首先必須定義一個 假想的平面，當(dāng)該平面與光標(biāo)所代表的垂線相交時，能唯一地確定空間中的一個點，這個假想的平面就是工作平面。從另一種角度考慮光標(biāo)與工作平面的關(guān)系，光標(biāo)就像一個點在工作平面上來回移動，工作平面可以不平行于顯示屏。工作平面是一個無限的平面，有原點、二維坐標(biāo)系等，它只是建模的輔助工具，在建立幾何模型時，體素一般只能在當(dāng)前工作平面內(nèi)創(chuàng)建。工作平面是與坐標(biāo)系獨立存在的，除非打開了工作平面軌跡跟蹤。 進(jìn)入ANSYS時，有一個默認(rèn)的工作平面，即總體笛卡爾坐標(biāo)系的XY平面。工作平面可以根據(jù)需要被移動和旋轉(zhuǎn)。,3.6.1 定義一個新的工作平面,用戶可以用下列方法定義一個新的工作平面。 （1）由三點定義一個工作平面，或通過一指定點的垂直于視向量的平面定義為工作平面。 （2）由三節(jié)點定義一個工作平面，或把通過一指定節(jié)點的垂直于視向量的平面定義為工作平面。 （3）由三個關(guān)鍵點定義一個工作平面，或把通過一指定關(guān)鍵點的垂直于視向量的平面定義為工作平面。 （4）由過一指定線上的點的垂直于該直線的平面定義為工作平面。 （5）通過現(xiàn)有坐標(biāo)系的X和Y（或R和）平面定義工作平面。,3.6.2 控制工作平面的顯示和樣式,為獲得工作平面的位置、方向、增量等狀態(tài)，可使用以下方法： 命令：WPSTYL，STAT。 GUI：Utility Menu| List| Status| Working Plane。 另外可以利用命令WPSTYL，DEFA將工作平面重置為缺省狀態(tài)下的位置和樣式。,3.6.3 移動工作平面,在實際操作中，用戶可以將工作平面的原點移動到已知關(guān)鍵點、節(jié)點或任意的坐標(biāo)點上。 （1）將工作平面的原點移動到關(guān)鍵點的中間位置。 （2）將工作平面的原點移動到節(jié)點的中間位置。 （3）將工作平面的原點移動到指定點的中間位置。 （4）偏移工作平面。,3.6.4 旋轉(zhuǎn)工作平面,可用兩種方式將工作平面轉(zhuǎn)到一個新的方向： 在工作平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)X軸和Y軸。 使整個工作平面都旋轉(zhuǎn)到一個新的位置。 旋轉(zhuǎn)工作平面的方法如下： 命令：WPROTA。 GUI：Utility Menu| WorkPlane| Offset WP by Increments。,3.6.5 還原一個已定義的工作平面,盡管在ANSYS中不能存儲工作平面，單用戶可在工作平面的原點創(chuàng)建一個局部坐標(biāo)系，然后利用這個局部坐標(biāo)系還原一個已定義的工作平面。,3.6.6 工作平面的高級用途,用WPSTYL命令或前面討論的GUI方法可以增強(qiáng)工作平面的功能，使其具有捕捉增量、顯示柵格、恢復(fù)容差和坐標(biāo)類型的功能。然后，就可以使用戶的坐標(biāo)系隨著工作平面的移動而移動。 1捕捉增量 2顯示柵格 3恢復(fù)容差 4坐標(biāo)系類型 5工作平面的軌跡,3.7 自底向上創(chuàng)建幾何模型,自底向上的建模方法是指在構(gòu)造幾何模型時，首先定義幾何模型中最低級的圖元，即關(guān)鍵點，然后再利用這些關(guān)鍵點定義較高級的圖元（即線、面、體）。自底向上構(gòu)造的模型是在當(dāng)前激活的坐標(biāo)系內(nèi)定義的。,3.7.1 關(guān)鍵點,關(guān)鍵點是最低級的圖形對象，用自底向上的方法構(gòu)造模型時，首先定義的就是關(guān)鍵點。關(guān)鍵點是在當(dāng)前激活的坐標(biāo)系中定義的，可以直接定義關(guān)鍵點，也可以通過已有的關(guān)鍵點來生成另外的關(guān)鍵點（許多布爾運算可以生成關(guān)鍵點）。已經(jīng)定義的關(guān)鍵點可以被修改和刪除，但是這些關(guān)鍵點必須沒有依附于其它高級圖元。 1定義關(guān)鍵點 2查看、選擇和刪除關(guān)鍵點,3.7.2 硬點,硬點實際上是一種比較特殊的關(guān)鍵點。硬點和關(guān)鍵點最大不同處在于實體網(wǎng)格化時，硬點一定會化為節(jié)點，而關(guān)鍵點則不一定。用戶可利用硬點施加載荷或從模型線和面上的任意點獲得數(shù)據(jù)。硬點不改變模型的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。大多數(shù)關(guān)鍵點命令如FK、KLIST和KSEL等都適用于硬點。而且硬點有自己的命令集和GUI操作菜單。 例3：在總體笛卡爾坐標(biāo)系下創(chuàng)建5個關(guān)鍵點和7個硬點，并列表顯示結(jié)果。,3.7.3 幾何元素-線,通過list命令或?qū)嵱貌藛沃械腖ist | Lines菜單列表顯示已定義的線的屬性（如線編號、組成線的關(guān)鍵點等）?？梢孕薷暮蛣h除已經(jīng)定義好的直線。 1定義直線 2定義圓弧 3定義樣條曲線 4自動生成圓弧 5從已有線生成新線 6查看、選擇和刪除線,3.7.4 幾何元素-面,通過Alist命令或?qū)嵱貌藛沃械腖ist | Areas列表顯示已定義的面的屬性，如面的編號、組成面的線的編號以及有些面的面積等。定義好的面也可以被修改和刪除，但需要注意的是只有未進(jìn)行網(wǎng)格劃分且不屬于任何體的面才能被重新定義和刪除。 1定義任意形狀的面 2定義矩形 3定義圓 4定義正多邊形 5定義倒角面 6通過已有面生成面 7查看、選擇和刪除面,3.7.5 幾何元素-體,體用于描述三維實體，僅當(dāng)需要用到體單元時才必須建立體。 1創(chuàng)建一個任意形狀的三維物體 2創(chuàng)建長方體 3創(chuàng)建圓柱體 4創(chuàng)建棱柱體 5創(chuàng)建球體 6創(chuàng)建圓錐體（包括圓臺） 7創(chuàng)建圓環(huán)體 8其它創(chuàng)建幾何體的方法 9從已有體生成體 10查看、選擇和刪除體,3.8 自頂向下創(chuàng)建幾何模型,自頂向下的建模方法是指一開始就通過較高級的的圖元來構(gòu)造模型，即通過集成線、面、體等幾何體素的方法來構(gòu)造模型。當(dāng)生成一種體素時，ANSYS軟件自動生成所有從屬于該體素的低級圖元。應(yīng)該注意的是幾何體素是在工作平面上創(chuàng)建的，因此需要清楚地知道當(dāng)前工作平面的狀態(tài)?？梢院唵蔚膶Ⅲw素分為面體素和實體體素。面體素包括矩形、圓形或環(huán)形、正多邊形；實體體素包括長方體、柱體（圓柱和正棱柱）、球體、環(huán)體和錐體。,3.8.1 創(chuàng)建面體素,選擇MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas菜單，展開如圖所示的子菜單結(jié)構(gòu)。 圖 生成面子菜單 具體功能包括： 1生成矩形面 2生成圓或環(huán)形區(qū)域 3生成正多邊形,3.8.2 創(chuàng)建實體體素,單擊Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Volumes，展開的菜單如圖所示。 圖 生成體子菜單 具體功能包括： 1生成長方體 2生成柱體 3生成多棱柱體 4生成球體或部分球體 5生成錐體或截錐體 6生成環(huán)體或部分環(huán)體,3.9 使用布爾操作來構(gòu)建復(fù)雜幾何模型,在布爾運算中，對一組幾何模型可使用交，并、差等邏輯運算處理。ANSYS程序也允許用戶對實體模型進(jìn)行同樣的操作，這樣修改實體模型就更加容易。布爾運算的目的是為了構(gòu)建更復(fù)雜的模型，或者是為了修改模型存在的問題。,3.9.1 布爾運算的設(shè)置,布爾運算有多種形式，在布爾運算前可進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，方法如下。 命令：BOPYN。 GUI：Main Menu|Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Settings。,