ANSYS建立实体模型.ppt

第3章 建立实体模型,实体模型是分析的基础，约束和载荷加载在实体模型才能进行分析计算。实体模型的建立，可以视为前处理器中阶段性的任务。设计工程师可以通过CAD软件所提供的构建、旋转、平移、放大、缩小等功能，达到建立、查看和修改产品实体模型的目的。 ANSYS中实体模型的来源有两种，一种方法可以通过常用的中间文件格式导入；另外一种方式就是在ANSYS前处理器中直接建模。当来自CAD软件时，可以通过IGES,SAT,STEP,PARASOLID等中间文件格式进行转换，而输入ANSYS，或者经由直接转换界面，将CAD模型直接转换至ANSYS中。使用这种方式时，最好先在CAD软件中对模型进行简化，再把模型输出，这样可以节省处理模型的时间。,3.1 实体建模概述,直接在ANSYS中建立实体模型时，可以分为从上而下（Top-Down）和从下而上（Bottom-Up）两种建模方法。从上而下的方法，必须先建立一些基础几何单元，如方块、圆柱体等。然后，再将这些基础单元以堆积木的方式，通过布尔运算的技巧组合成最后的实体模型。通过这种方式建立的实体模型，形状比较规则，所以一般适用于结构形状比较简单的模型。由下而上的方法，则必须先定义一些物体上的重要参考点（Key point），然后再从点连接成线，由线组合成面，再由面合并成一个体，最后由体再组合成完整的实体模型。在上面的组合过程中，往往也需要用到布尔运算的技巧，才能完成最后的实体模型。虽然实体模型建立的方式可分为这两种方式，但是在实际应用中大部分的实体模型都是通过综合运用以上两种方式来生成的。,3.2 导入CAD软件创建的实体模型,为了提高工作效率，通常在商业CAD软件中建立复杂的产品实体模型，然后通过ANSYS和CAD软件的接口将CAD模型导入到ANSYS系统中。,3.2.1 图形交换数据格式,将CAD模型文件导入ANSYS可以通过以下3种方法实现。 中间格式：IGES、SAT、STEP等。 双向接口：即ANSYS与UG、Pro/E、ADAMS、FEMAP、PATRAN、I-DEAS、COSMOS、ALGOR等软件的有限元模型可相互转换。 直接几何接口：即ANSYS可直接调入Pro/E、UG、SAT、Parasolid、Solid Works、Solid Edge等软件生成的几何模型。,3.2.2 IGES格式实体的导入,IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是一种被广泛接受的中间标准格式，用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。使用该文件格式可以输入全部或者部分模型文件，因而用户可以通过它来输入模型的全部或者一部分从而减轻建模工作量，然后在ANSYS里对输入的模型进行修改。对于输入IGES文件，ANSYS提供如下两种选项： 1SMOOTH选项 2FACETED选项,3.2.3 SAT格式实体的导入,ACIS（Andy CharlesIans System）是在三维造型应用中做为“几何引擎”而设计的一种面向对象的几何造型套装工具软件，提供了一种开放式体系结构框架，用于从某个通用的、统一的数据结构中产生线框、表面和立体的模型。由Spatial Technology公司开发，已经成为立体造型技术的标准。*.sat是基于该3D建模引擎的文件格式。,3.2.4 Parasolid格式实体的导入,Parasolid是由Unigraphics Solutions Inc 在Cambridge， England合作开发， 用于Unigraphics和Solid Edge 产品中。Parasolid是一个严格的边界表示的实体建模模块，它支持实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面/片体建模。Parasolid被设计用于机械CAD/CAM/CAE应用，但也用于建筑工程结构和虚拟现实应用中，目前已经被广泛使用。,3.2.5 STEP格式的导入,产品模型数据交换标准STEP是国际标准化组织(ISO)所属技术委员会TC184(工业自动化系统技术委员会)下的“产品模型数据外部表示”(ExternalRepresentationofProductModelData)分委员会SC4所制订的国际统一CAD数据交换标准。 ANSYS没有提供直接导入STEP格式的模型。要把STEP格式的模型导入ANSYS，首先用其他CAD软件（如Solidworks、UG、CATIA等）保存为Parasolid、IGES、SAT的格式，然后按照上面的方法再导入ANSYS。,3.2.6 导入SolidWorks中创建的叶片模型,图 导入的叶片模型,3.2.7 导入UG绘制的轴承模型,图 在ANSYS中显示导入的轴承模型,3.2.8 导入SolidEdge中绘制的联轴器模型,图 在ANSYS中显示导入的联轴器模型,3.3 对输入模型的修改,CAD模型输入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程序可能用一种与ANSYS不完全一致，带有特殊格式的方式来定义图元。 CAD文件用一种看起来正确但对有限元分析工具却会产生问题的方法生成的。 CAD文件可能包含难以进行网格划分的物理细节。 对模型进行修改时，需要知道实体模型和有限元模型中图元的层次关系，不能删除依附于较高级图元上的低级图元。否则会引起模型错误。例如不能删除依附于面上的线，依附于体上的面等。,3.4 ANSYS环境内直接建模方法,对于一些如梁，对称轴等简单几何图形表达的产品模型，不需要使用CAD软件构建，而可以直接在ANSYS内使用建模工具快速建立模型，ANSYS中提供了两种建模方法，即自上而下创建几何模型和自下而上创建几何模型。,3.4.1 自上而下创建几何模型,所谓的自上而下的建模方法是指从较高级的实体图元构造模型的方法。ANSYS软件允许通过创建线、面和体等几何体素的方法构造几何模型。当构造一种体素时，ANSYS将自动生成所有从属于该体素的较低图元，例如构造立方体时，立方体的点，线，面等低级图元自动生成。 自上而下的产品设计最初考虑的是产品应实现的功能，最后才考虑实现这些功能的几何结构，它符合设计人员的思维过程，在产品设计的最初就将产品的功能、关键约束等重要信息确定下来，同时分配给各子系统，便于实现多个子系统的协同。,3.4.2 自下而上建模几何模型,所谓的自下而上的建模方法是指首先首先定义关键点，然后利用这些关键点定义较高级的实体图元，即线、面和体，从而完成建模过程的建模方法。关键点是实体模型中最低级的图元。在构造实体模型时，需要注意的是自下向上构造的有限元模型是在当前激活的坐标系内定义的。 用户可以根据需要自由地组合自下向上和自上向下的建模技术。注意几何体素是在工作平面内创建的，而自下向上的建模技术是在激活的坐标系上定义的。,3.5 坐标系简介,在不同的分析阶段，ANSYS使用到了多种坐标系。每种坐标系的定义和作用是不同的。主要包括以下几种。 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。 点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 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、显示节点或单元结果。,3.5.1 总体和局部坐标系,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尔坐标系。但是很多情况下，采用其它坐标表达形式往往会更加方便，比如旋转模型时需要用到柱坐标表达形式。 1总体坐标系 2局部坐标系,3.5.2 显示坐标系,显示坐标系可用于几何形状参数的列表和显示。在默认情况下，即使在其它坐标系中定义的节点和关键点，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，但一般不建议这样做。另外，通过修改显示坐标系的种类，可以从不同角度查看一个模型。 例1：先在总体笛卡尔坐标系中创建4个点，然后在一个点创建局部坐标系，给其编号为12，然后修改显示坐标系为与局部坐标系12重合，此时可以看到原来四个点在新的显示坐标系下的排布。,3.5.3 节点坐标系,节点坐标系用于定义节点自由度的方向。每个节点都有自己的节点坐标系，默认情况下，它总是平行于总体笛卡尔坐标系。但很多情况下需要改变节点坐标系。将节点坐标系旋转到激活坐标系的方向。即节点坐标系的X轴转成平行于激活坐标系的X轴或R轴，节点坐标系的Y轴旋转到平行于激活坐标系的Y轴或轴，节点坐标系的Z轴转到平行于激活坐标系的Z轴或轴。 例2：在半圆弧上建立5个节点，为其指定新的节点坐标系，使其节点坐标的x轴指向圆心。,3.5.4 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。所有的单元坐标系都是正交右手系。大多数单元坐标系的默认方向遵循以下规则： 线单元的X轴通常从该单元的I节点指向J节点。 壳单元的X轴通常也取I节点到J节点的方向，Z轴过I点且与壳面垂直，其正方向由单元I、J和K节点按右手法则确定，Y轴垂直于X轴和Z轴。 二维和三维实体的单元坐标系总是平行于总体笛卡尔坐标系。,3.5.5 结果坐标系,在求解过程中，得到的结果数据有位移、应力、应变等。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。可以将激活的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（如节点和单元坐标系）。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,尽管光标在屏幕上只表现为一个点，但它实际上代表的是空间中垂直于屏幕的一条线。为了能用光标拾取一个点，首先必须定义一个 假想的平面，当该平面与光标所代表的垂线相交时，能唯一地确定空间中的一个点，这个假想的平面就是工作平面。从另一种角度考虑光标与工作平面的关系，光标就像一个点在工作平面上来回移动，工作平面可以不平行于显示屏。工作平面是一个无限的平面，有原点、二维坐标系等，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。 进入ANSYS时，有一个默认的工作平面，即总体笛卡尔坐标系的XY平面。工作平面可以根据需要被移动和旋转。,3.6.1 定义一个新的工作平面,用户可以用下列方法定义一个新的工作平面。 （1）由三点定义一个工作平面，或通过一指定点的垂直于视向量的平面定义为工作平面。 （2）由三节点定义一个工作平面，或把通过一指定节点的垂直于视向量的平面定义为工作平面。 （3）由三个关键点定义一个工作平面，或把通过一指定关键点的垂直于视向量的平面定义为工作平面。 （4）由过一指定线上的点的垂直于该直线的平面定义为工作平面。 （5）通过现有坐标系的X和Y（或R和）平面定义工作平面。,3.6.2 控制工作平面的显示和样式,为获得工作平面的位置、方向、增量等状态，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将工作平面重置为缺省状态下的位置和样式。,3.6.3 移动工作平面,在实际操作中，用户可以将工作平面的原点移动到已知关键点、节点或任意的坐标点上。 （1）将工作平面的原点移动到关键点的中间位置。 （2）将工作平面的原点移动到节点的中间位置。 （3）将工作平面的原点移动到指定点的中间位置。 （4）偏移工作平面。,3.6.4 旋转工作平面,可用两种方式将工作平面转到一个新的方向： 在工作平面内旋转X轴和Y轴。 使整个工作平面都旋转到一个新的位置。 旋转工作平面的方法如下： 命令：WPROTA。 GUI：Utility Menu| WorkPlane| Offset WP by Increments。,3.6.5 还原一个已定义的工作平面,尽管在ANSYS中不能存储工作平面，单用户可在工作平面的原点创建一个局部坐标系，然后利用这个局部坐标系还原一个已定义的工作平面。,3.6.6 工作平面的高级用途,用WPSTYL命令或前面讨论的GUI方法可以增强工作平面的功能，使其具有捕捉增量、显示栅格、恢复容差和坐标类型的功能。然后，就可以使用户的坐标系随着工作平面的移动而移动。 1捕捉增量 2显示栅格 3恢复容差 4坐标系类型 5工作平面的轨迹,3.7 自底向上创建几何模型,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。,3.7.1 关键点,关键点是最低级的图形对象，用自底向上的方法构造模型时，首先定义的就是关键点。关键点是在当前激活的坐标系中定义的，可以直接定义关键点，也可以通过已有的关键点来生成另外的关键点（许多布尔运算可以生成关键点）。已经定义的关键点可以被修改和删除，但是这些关键点必须没有依附于其它高级图元。 1定义关键点 2查看、选择和删除关键点,3.7.2 硬点,硬点实际上是一种比较特殊的关键点。硬点和关键点最大不同处在于实体网格化时，硬点一定会化为节点，而关键点则不一定。用户可利用硬点施加载荷或从模型线和面上的任意点获得数据。硬点不改变模型的几何形状和拓扑结构。大多数关键点命令如FK、KLIST和KSEL等都适用于硬点。而且硬点有自己的命令集和GUI操作菜单。 例3：在总体笛卡尔坐标系下创建5个关键点和7个硬点，并列表显示结果。,3.7.3 几何元素-线,通过list命令或实用菜单中的List | Lines菜单列表显示已定义的线的属性（如线编号、组成线的关键点等）。可以修改和删除已经定义好的直线。 1定义直线 2定义圆弧 3定义样条曲线 4自动生成圆弧 5从已有线生成新线 6查看、选择和删除线,3.7.4 几何元素-面,通过Alist命令或实用菜单中的List | Areas列表显示已定义的面的属性，如面的编号、组成面的线的编号以及有些面的面积等。定义好的面也可以被修改和删除，但需要注意的是只有未进行网格划分且不属于任何体的面才能被重新定义和删除。 1定义任意形状的面 2定义矩形 3定义圆 4定义正多边形 5定义倒角面 6通过已有面生成面 7查看、选择和删除面,3.7.5 几何元素-体,体用于描述三维实体，仅当需要用到体单元时才必须建立体。 1创建一个任意形状的三维物体 2创建长方体 3创建圆柱体 4创建棱柱体 5创建球体 6创建圆锥体（包括圆台） 7创建圆环体 8其它创建几何体的方法 9从已有体生成体 10查看、选择和删除体,3.8 自顶向下创建几何模型,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，即通过集成线、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，因此需要清楚地知道当前工作平面的状态。可以简单的将体素分为面体素和实体体素。面体素包括矩形、圆形或环形、正多边形；实体体素包括长方体、柱体（圆柱和正棱柱）、球体、环体和锥体。,3.8.1 创建面体素,选择MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas菜单，展开如图所示的子菜单结构。 图 生成面子菜单 具体功能包括： 1生成矩形面 2生成圆或环形区域 3生成正多边形,3.8.2 创建实体体素,单击Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Volumes，展开的菜单如图所示。 图 生成体子菜单 具体功能包括： 1生成长方体 2生成柱体 3生成多棱柱体 4生成球体或部分球体 5生成锥体或截锥体 6生成环体或部分环体,3.9 使用布尔操作来构建复杂几何模型,在布尔运算中，对一组几何模型可使用交，并、差等逻辑运算处理。ANSYS程序也允许用户对实体模型进行同样的操作，这样修改实体模型就更加容易。布尔运算的目的是为了构建更复杂的模型，或者是为了修改模型存在的问题。,3.9.1 布尔运算的设置,布尔运算有多种形式，在布尔运算前可进行相关设置，方法如下。 命令：BOPYN。 GUI：Main Menu|Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Settings。,