复杂结构的建模

专业课程设计专业课程设计报告 设计题目：复杂结构的建模专 业： 班 级： 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 老 师： 设计时间：2014 年 1 月目录1课题介绍21.1主要学习目的21.2模型图例21.3要求32研究方法和手段的介绍32.1建立模型的方法32.1.1实体建模32.1.2从CAD系统中输入实体模型32.2实体建模的一般步骤42.3工作平面42.3.1定义工作平面52.3.2控制工作平面52.3.3工作平面的增强功能52.4用自下而上的方法建模62.4.1关键点62.4.2硬点72.4.3线82.4.4面92.4.5体92.5Operate组合运算操作92.5.1拖拉操作92.6布尔运算102.6.1Itersect交运算102.6.2 Add加运算102.6.3 Subtract减运算112.6.4分类运算112.6.5 Overlap搭接运算112.6.6 Partition分割运算112.6.7 Glue粘结运算122.7移动和修改122.7.1修改122.7.2移动122.8复制与镜像122.9检查与更新122.10删除操作133建模流程133.1 创建基座模型133.1.1生成长方体133.1.2平移并旋转工作平面133.1.3创建圆柱体143.1.4拷贝生成另一个圆柱体153.1.5从长方体中减去两个圆柱体153.1.6使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致163.2 创建支撑部分163.2.1创建实体块163.2.2 偏移工作平面到轴瓦支架的前表面173.2.3创建轴瓦支架的上部173.2.4 在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备193.2.5从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔.203.2.6合并重合的关键点：213.2.7 创建一个关键点213.2.8 创建一个三角面并形成三棱柱223.2.9关闭 working plane display.233.2.10沿坐标平面镜射生成整个模型.233.3粘接所有体.234致谢245参考文献24前言 有限元法是将连续体或结构先人为地分割成许多单元，并认为单元与单元之间只通过节点联结，力也只通过节点作用。在此基础上，根据分片近似的思想，假定单元位移函数，利用力学原理推导建立每个单元的平衡方程组，再将所有单元的方程组，织集成表示整个结构力学特性的代数方程组，并引入边界条件求解。应用有限元法求解弹塑性问题的分析包括结构离散化、单元分析、整体分析和弓入边界条件、求解方程四个步骤；ANSYS软件是由美国的JohnSwanson博士和Swanson分析系统公司(SASI)开发出的，一个功能强大灵活的、集设计分析及优化功能于一体的大型通用有限元软件包，它将有限元分析计算机图学、可靠性技术和优化技术相结合，是融结构、热、流体、电磁、声学于一体，可广泛用于机械制造、航空航天、铁道、轻工，生物医学等的科学研究的大型通用商业软件。ANSYS软件具有很强的硬件平台适应性，可以在PC机到巨型机的所有硬件平台上运行。ANSYS有限元程序不仅能够分析已有结构在各种工况下的工作状况，而且还可以进行特定条件下的合理性设计。用它可以进行结构分析、热分析、模态分析，磁场分析、热-结构耦合分析以及优化分析。另外，ANSYS可以与许多先进的CAD软件共享资源，使用户在CAE过程中避免重复建模。有限元分析是对真实情况的数值近似，而有限元模型的建立则是真实反映实际工程原型行为特征的数学模型。ANSYS强大的前处理功能为用户创建有限元模型提供了方便。设计题目: 复杂结构的建模1课题介绍1.1主要学习目的（1）创建实体的方法、（2）工作平面的平移和旋转、（3）布尔运算（相减、粘结、搭接）、（4）模型体素的合并。1.2模型图例如图1：各尺寸单位为m图11.3要求掌握用ANSYS建立复杂的几何模型2研究方法和手段的介绍2.1建立模型的方法ANSYS软件为实体模型的生成提供了以下几种方法。2.1.1实体建模实体建模：包括自下而上和自上而下两种方法，其优点有：对于庞大或复杂的模型，特别是三维实体模型更适合。便于使用ANSYS程序的优化设计功能。是适合网络划分所需的。是施加载荷后进行局部细化所需要的。便于几何上的改进和单元类型的改变，不受分析模型的限制。用户可以混合采用自下向上和自上而下的两种建模方法。2.1.2从CAD系统中输入实体模型 ANSYS提供了与其他CAD软件和有限分析软件的接口程序。用户可以在自己熟悉的CAD软件中建立几何模型，然后输入ANSYS中，做适当的修改后转化为有限元模型利用CAD软件包建模具有以下优点：避免了对现有CAD模型的重复建模。工程师可利用熟悉的工具去建模，这样可以提高建模速度。242.2实体建模的一般步骤实体建模的一般步骤有以下4步：（1） 根据模型具体情况，选择合适的建模方法。（2） 建立工作平面：用户可以利用工作平面来辅助建模，以提高，模型的精确性。（3） 利用自底向上或自下而上的方法建立基本几何实体。（4） 通过Operate组合运算操作构造更复杂的实体。2.3工作平面 工作平面是一个具有原点、二维坐标系、捕捉增量和显示栅格的无限大可移动平面。默认情况下，工作平面是整体直角坐标系的X-Y平面，如图2所示。图22.3.1定义工作平面定义一个新的工作平面可以采取以下几种方法：（1） 由3个关键点或一个矢量加一个关键点定义一个新的工作平面。（2） 由3个节点或一个矢量加一个节点定义一个新的工作平面。（3） 由三个或一个矢量加一点定义一个新的工作平面。（4） 由过一指定直线上的点并垂直于矢向量的平面定义一个新的工作平面。（5） 将既有的坐标系X-Y平面定义为新的工作平面。2.3.2控制工作平面 工作平面的默认位置与总体坐标原点重合，用户也可以根据自己建模的要求，通过有关命令对工作平面的状态加以控制，包括对工作平面的平移、旋转。可以采用下列方法平移工作平面：（1） 以增量的方式进行平移（2） 将一组关键点的中间位置作为工作平面的原点（3） 将一组节点的中间位置作为平面的原点（4） 将一组特殊点的中间位置为工作平面的原点2.3.3工作平面的增强功能 为了方便用户建模，ANSYS提供了许多增强工作平面的功能，例如：捕捉增量、显示栅格、恢复容差和坐标类型功能。使用WPSTYL命令可以对各项功能进行设置，其GUI操作为： GUI:Utility Menu/WorkPlane/WP Settings使用上述命令后弹出WP Settings对话框，该对话框包括4部分：（1） 坐标系：即用户目前使用的坐标系。（2） 显示设置区：控制是否显示栅格。显示栅格可以帮助用户观察工作平面的位置和方向以及节点的位置。（3） 捕捉增量设置区：利用捕捉功能，可以在工作平面上对坐标点进行精确拾取，但被拾取点的坐标只能是捕捉增量的整数倍，即拾取点将定位在工作平面上最近的捕捉点。（4） 栅格设置区：即设置栅格点间距、栅格边界和容差。2.4用自下而上的方法建模 用自下而上的方法建模，首先要定义关键点，然后再利用关建点定义线、面、体。其中线以关键点为端点，面以线为边界，体以面为边界。2.4.1关键点用户可以通过以下方法对关键点进行操作，下面分别介绍：（1）定义关键点定义关键点有6种方式：通过指定坐标定义关键点通过已有线上的指定位置定义关键点在已有的节点位置定义关键点在两个已有关键点之间定义一个关键点在两个已有关键点之间定义一批关键点在三点定义的圆弧中心定义一个关键点（2）选择关键点（3）列表关键点（4）显示关键点2.4.2硬点 硬点是一种特殊的关键点，利用硬点，用户可以施加载荷或从模型线和面上的任意点获得数据。大多数关键点命令都适用于硬点，但硬点也有自己的命令集和GUI方式。（1）定义硬点在已有线上定义单个硬点A直接通过拾取定义硬点B通过指定比率定义硬点C通过指定坐标定义硬点在面上定义单个硬点A直接通过拾取定义硬点B通过指定坐标定义硬点（2）选择硬点直接选择硬点选择线上的硬点选择面上的硬点（3）删除硬点（4）列表硬点（5）显示硬点2.4.3线（1）定义一般的线在两关键点之间定义线在一个面上的两个关键点之间生成一条最短的线定义一条线与已有的一条线具有同一终点且相切定义一条与已有的两条线相切的线定义一条与已有的一条线成一定角度定义一条与已有的线条线成一定角度的线（2）定义弧线通过已有的关键点定义弧线定义圆或弧在两条相交线之间生成倒角弧线（3）定义样条曲线2.4.4面（1）通过关键点定义一个面（2）通过边界线定义一个面（3）复制已有面的一部分生成新面（4）通过引导线由蒙皮生成光滑曲面（5）通过偏移一个既有面生成新面（6）在两个面之间生成一个倒角面2.4.5体 体用于描述三维实体，当需要用体单元时才需建立体。使用自底向上的方法创建模型时，用户可以通过以下方法建立体：（1）通过关键点定义体（2）通过一系列面定义体2.5Operate组合运算操作2.5.1拖拉操作 拖拉操作包括对点、线、面的拖拉。（1）对关键点的拖拉将一组关键点按一定轴旋转将一组关键点按一定路径拖拉（2）对线的拖拉将一线沿某轴进行旋转将一线沿一定路径进行拖拉（3）对面的拖拉将一面沿法线方向偏移将一面沿一定路径进行拖拉将一面沿一轴旋转对面进行拉伸和缩放（4）线延伸ANSYS提供了专门将线延长的命令：LEXTND2.6布尔运算布尔运算包括加、减、交、割运算等。利用布尔运算，用户可以把简单的基础模型构造成复杂的实际模型。2.6.1Itersect交运算交运算就是求两个或多个图元的公共部分，可以是线线相交、线面相交、线体相交，也可以是线面相交。2.6.2 Add加运算 加运算也称为并运算，这种运算的结果是得到一个包含各个原始图元所有部分的新图元。包括：将两条线相加、将分开的面相加、将几个体相加。2.6.3 Subtract减运算删除母体中一块或与字体重合的部分，特别适合于建立带空的实体或有切除部分的实体。包括：线中减线、面中减面、体中减体、线中减面、线中减体、面中减体、面中减线、体中减面、用工作平面去减线、用工作平面去减面。2.6.4分类运算 分类运算与减运算类似，但它是用新图元来替代两个原始的图元。目前ANSYS程序提供了线线之间的分类运算。2.6.5 Overlap搭接运算搭接命令用于连接两个或多个图元，以生成三个或者更多个新的图元的集合。搭接命令除了在搭接域周围生成了多个边界外，与加运算非常类似。包括：线搭接、面搭接、体搭接。2.6.6 Partition分割运算 分割命令用于连接两个或多个图元，以生成三个或更多的新图元。如果搭接区与原始图元有相同的维数，分割结果与搭接结果相同。但是与搭接操作不同的是，没有参加搭接的输入图元将不被删去。包括：对线分割、对面分割、对体分割。2.6.7 Glue粘结运算 粘结命令与搭接命令类似，但图元之间仅在公共边界处相关，且图元间依然相互独立。包括：线线粘结、面面粘结、体体粘结。2.7移动和修改 在定义了几何体后，ANSYS提供了命令移动和修改图元，使模型更加完善。2.7.1修改 修改关键点的坐标位置。2.7.2移动 移动操作可以对实体模型中的点、线、面和体进行操作。2.8复制与镜像 很多模型具有对称性，用户可以通过复制和镜像得到对称部分的模型，这样既节省时间又很方便。2.9检查与更新 检查与更新主要是对实体模型中的详细信息进行列表显示及更新。2.10删除操作可以通过删除操作对实体模型中的点、线、面和体及有限元模型中的节点和单元实行删除。3建模流程3.1 创建基座模型3.1.1生成长方体 （1）Main Menu：PreprocessorCreateBlockBy Dimensions （2）输入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=33.1.2平移并旋转工作平面（1）Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increments（2）X,Y,Z Offsets 输入2.25,1,0.75 点击Apply （3）XY，YZ，ZX Angles输入0，90，0点击OK。图33.1.3创建圆柱体 （1）Main Menu：PreprocessorCreateCylinder Solid Cylinder （2）Radius输入0.75/2, Depth输入1.5,点击OK。图43.1.4拷贝生成另一个圆柱体 （1）Main Menu：PreprocessorCopyVolume拾取圆柱体,点击Apply, DZ输入1.5（2）然后点击OK 图53.1.5从长方体中减去两个圆柱体Main Menu：PreprocessorOperateSubtract Volumes 首先拾取被减的长方体，点击Apply,然后拾取减去的两个圆柱体，点击OK。图63.1.6使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致 Utility MenuWorkPlaneAlign WP with Global Cartesian3.2 创建支撑部分3.2.1创建实体块（1）Main Menu: Preprocessor - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z （2）在创建实体块的参数表中输入下列数值: WP X = 0 WP Y = 1 Width = 1.5 Height = 1.75 Depth = 0.75 （3）OK （4）Toolbar: SAVE_DB图73.2.2 偏移工作平面到轴瓦支架的前表面（1）Utility Menu: WorkPlane - Offset WP to - Keypoints + （2） 在刚刚创建的实体块的左上角拾取关键点（3）OK （4）Toolbar: SAVE_DB3.2.3创建轴瓦支架的上部（1）Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volumes-Cylinder - Partial Cylinder + （2）在创建圆柱的参数表中输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Rad-1 = 0 Theta-1 = 0 Rad-2 = 1.5 Theta-2 = 90 Depth = -0.75 或者在 by dimensions 下建立圆柱体，输入相应的参数，其余圆柱的创建方式相同。（3）OK （4）Toolbar: SAVE_DB图83.2.4 在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备（1）Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder + （2）输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Radius = 1 Depth = -0.1875 拾取 Apply 输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Radius = 0.85 Depth = -2 （3）拾取 OK 图93.2.5从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔. （1）Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Subtract - Volumes + （2）拾取构成轴瓦支架的两个体，作为布尔“减”操作的母体。单击Apply （3）拾取大圆柱作为“减”去的对象。单击Apply （4）拾取步1中的两个体，单击Apply （5）拾取小圆柱体，单击OK （6）Toolbar: SAVE_DB图103.2.6合并重合的关键点： Main Menu Preprocessor Numbering Ctrls Merge Items 将Label 设置为 “Keypoints”, 单击 OK3.2.7 创建一个关键点在底座的上部前面边缘线的中点建立一个关键点: （1）Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Keypoints KP between KPs + （2）拾取如图的两个关键点,单击OK （3）RATI = 0.5,单击OK 3.2.8 创建一个三角面并形成三棱柱 （1）Main Menu Preproc