第三章 实体建模

第三章实体建模

建模的方法坐标系统直接法基本建模过程质点、二力杆、弹簧、梁

间接法基本建模过程实体建模基本造型：关键点、线、面和体布尔运算模型修改：拷贝、复制、镜像…..主要内容：1建模方法概述

有限元模型的建立方法可分为：

直接法

直接根据结构的几何外型建立节点和单元，因此直接法只适应于简单的结构系统。

间接法适用于具有复杂几何外型、节点及单元数目较多的结构系统。该方法通过点、线、面、体，先建立实体模型，再进行网格划分，以完成有限元模型的建立。2坐标系统及工作平面

总体坐标系－总体笛卡尔坐标系－总体柱坐标系－总体球坐标系

局部坐标系－局部笛卡尔坐标系－局部柱坐标系－局部球坐标系

工作平面坐标系ANSYS中的坐标系有：2坐标系统及工作平面模型的总体参考系；可以是笛卡尔(系号0),柱(1),或球(2)；2.1总体坐标系2坐标系统及工作平面在任意位置、用户自定义的坐标系，标识号码为11或更大。位置可以是:工作平面的原点[CSWP]在指定的坐标处[LOCAL]已有的关键点处[CSKP]或节点处[CS]可以是笛卡尔、柱或球坐标系可以沿X,Y,Z轴旋转XYX11Y11X12Y122.2局部坐标系2坐标系统及工作平面是一个参考平面，类似于绘图板，可按用户需要移动和旋转；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；某些布尔操作和图形操作时也可作为辅助工具。2.3工作平面坐标系2坐标系统及工作平面可以定义任意数目的坐标系，但任何时候只有一个是激活的；定义以下几种几何体素时受到激活坐标系的影响：关键点及节点的位置线的曲率面的曲率生成和填充关键点和节点等等图形窗口的标题显示激活的坐标系。2.4激活坐标系2坐标系统及工作平面缺省时激活的坐标系为总体笛卡尔坐标系；利用

CSYS

命令(或

UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto)可将激活坐标系改变为：总体笛卡尔坐标系[csys,0]总体柱坐标系[csys,1]总体球坐标系[csys,2]工作平面坐标系[csys,4]或用户定义的局部坐标系[csys,n]（n>=11)

2.4激活坐标系2.5工作平面工作平面

—是一个可以移动的二维参考平面，用于定位和确定体素的方向。缺省时，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)widthheight所有的工作平面控制在UtilityMenu>WorkPlane下。工作平面设置菜单控制如下:WP显示–

只显示栅格(default),只显示三轴或都显示捕捉–

允许拾取工作平面上的位置，将光标捕捉的最近的栅格点栅距–

栅格线之间的距离栅格尺寸–

显示的工作平面的范围2.5

工作平面2.5工作平面利用Offset及Align菜单可以将工作平面移动到任意想要的位置。OffsetWPbyIncrements…利用推动按钮（连同滑块的增量）进行平移；或键入增量；或使用动态模式(类似于pan-zoom-rotate).2.5工作平面OffsetWPto>

移动工作平面，保持它当前的方向到想要的位置，位置可以是：已有的关键点。拾取多个关键点移动工作平面到它们的平均位置。已有的节点坐标位置总体坐标原点激活坐标系的原点2.5工作平面AlignWPwith>

重新定位工作平面例如,AlignWPwithKeypoints提示你拾取三个关键点：第一个定义原点，第二个定义X轴，另一个定义X-Y平面将工作平面恢复到其缺省位置（在总体X－Y平面的原点）,点击AlignWPwith>GlobalCartesian.练习：3实体建模A.定义B.自顶向下建模体素工作平面布尔运算C.自底向上建模关键点坐标系线,面,体操作3实体建模实体建模

即为生成实体模型的过程定义:实体模型是由体、面、线及关键点定义的体由面围成、面由线组成、线由关键点定义体素从低到高的分类:

关键点线面体。

不能删除包含更高级体素的体素（例如，不能删除面上的线、体上的面）。另外，包含面和面以下体素的模型（如壳或二维平板模型），在ANSYS中也考虑为实体模型。体面线和关键点关键点线面体3实体建模生成实体模型的两种方法:－从上到下－从下到上从上到下建模：从生成高级体素（如体或面）开始，结合其它方法生成最终的形状。加提示:如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.3实体建模从下到上建模：从建立关键点开始，逐步建立高级体素（如线、面、体等）可以选择最适合于生成模型的方法，还可以自由地综合利用这两种方法。下面详细地讨论两种方法3实体建模

3.1从上到下建模从上到下建模开始定义体（或面），结合其它方法生成最终的形状开始定义的体或面称为体素体素定位和取向依赖于工作平面用于产生最终形状的合并称为布尔运算当生成二维体素时，ANSYS定义一个面及其所包含的线和关键点当生成三维体素时，ANSYS定义一个体及其所包含的面、线及关键点。3实体建模从上到下建模

3.1.1二维体素二维体素包括矩形、圆、三角形和其它多边形3实体建模从上到下建模

3.1.2三维体素三维体素包括块、圆柱、棱柱、球和锥练习：X1,X2,Y1,Y2155.5055.57.51.52.257.58.00.53.754个倒角半径0.252个圆弧半径0.43实体建模从上到下建模

3.1.3布尔运算布尔运算是几何体素之间加减或合并的操作。ANSYS布尔运算包括加、减、交、分割、粘接和搭接；布尔运算输入可以是任何几何实体,包括简单的体素到从CAD系统中生成的复杂实体。相加输入实体布尔运算输出实体3实体建模从上到下建模

3.1.3布尔运算所有的布尔运算都可以在GUI下的Preprocessor>-Modeling-Operate得到。缺省时，布尔运算的输入实体在运算之后被删除。删除的实体号码变为自由的(将会分配给新生成的实体，由最小可用的号码开始)3实体建模

从上到下建模

3.1.3布尔运算加（Add）将两个或多个实体合成一个实体。布尔加3实体建模

从上到下建模

3.1.3布尔运算相减（Subtract）将输入实体的一个或多个搭接的部分去掉对生成孔或修剪实体十分有用布尔减3实体建模

从上到下建模

3.1.3布尔运算粘接（Glue）将两个或多个实体粘接起来，在它们之间形成一个公共的边界。当希望保持两个实体的区别时很有用(例如不同的材料)粘接3实体建模

从上到下建模

3.1.3布尔运算搭接（Overlap）除输入实体相互搭接外与粘接相同。搭接3实体建模

从上到下建模

3.1.3布尔运算切分（Divide）将实体切为两个或多个，但相互间仍由公共边界联接。切分的工具可以是工作平面、面、线或体。对将复杂的体切分为简单的体以进行规则网格划分十分有用。切分3实体建模

从上到下建模

3.1.3布尔运算相交（Intersect）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，有两种选择:公共相交和两两相交公共相交找出所有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3实体建模

从上到下建模

3.1.3布尔运算互分（Partition）将两个或多个相交的实体切成多片但仍通过公共的边界相互联接十分有用，如图，找到两条线的交点并保留四条线段。（而相交操作只返回一个公共关键点并删除两条线）L1L2L3L6L5L4分割3实体建模

从下向上建模开始于定义关键点，然后建立其它实体例如建立一个L型的物体必须首先定义它的角点。然后可通过连接各个角点生成面或先由角点生成线然后由线定义面。

3.2从下至上建模3实体建模

从下到上建模

3.2.1关键点定义关键点:Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints或用K族命令:

K,KFILL,KNODE,etc.生成关键点的数据仅需关键点号和坐标位置

关键点号缺省为下一个可用的号码。坐标位置可用通过在工作平面上拾取或键入X,Y,Z值。

X,Y,Z值依赖于当前激活的坐标系。3实体建模

从下到上建模

3.2.2线有多种生成线的方法定义面或体时，ANSYS会自动生成任何未定义的线，其曲率由激活的坐标系决定。生成线必须有关键点可用。3实体建模

从下到上建模

3.2.2

面从下到上方法生成面要求已经定义了关键点或线；如果定义体，ANSYS将自动生成任何未定义的面和线，曲率由激活的坐标系决定。3实体建模

从下到上建模

3.2.3体从下到上方法生成体要求已经定义了关键点或线或面3实体建模其它操作布尔操作对由上到下和由下到上建模方法生成的实体都有效。除布尔操作外，还可用许多其它的操作:

拖拉Extrude

缩放Scale

移动Move/modify

拷贝Copy

反射Reflect

合并Merge

倒角Fillet3实体建模其它操作

拖拉（Extrude）由已有面快速生成体（或由线生成面，关键点生成线）如果面已划分了单元，可以由面单元拖拉出体单元。四种拖拉面的方法:沿着法向

—

通过法向偏移面生成体[VOFFST]通过XYZ偏移

—

通过一般的x-y-z偏移[VEXT]生成体。允许有锥度的拖拉沿着轴

—

通过沿着轴（两个关键点来定义）旋转面生成体[VROTAT]沿着线—

通过将面沿着一条或一组连续的线拖拉生成体[VDRAG]3实体建模其它操作移动（Move/modify）通过指定DX,DY,DZ将实体平移或旋转。DX,DY,DZ表达为激活的坐标系下平移实体，激活的坐标系为笛卡尔坐标系；旋转实体，激活的坐标系为柱坐标系或球坐标系另一个操作为将一个坐标系转换到另一个不同的坐标系。转换发生在将激活的坐标系转为某个指定的坐标系；在需要同时移动和旋转实体时使用。Transferfromcsys,0tocsys,11

Rotate-30°

3实体建模其它操作

拷贝（Copy）产生一个实体的多个备份；对每一次拷贝指定拷贝数目及DX,DY,DZ偏移距离。DX,DY,DZ表示为激活的坐标系下；用于生成多个孔、肋或突起。在局部柱坐标系下的拷贝通过蒙皮生成外表面3实体建模其它操作

反射（Reflect）沿一个平面镜像实体定义反射的方向:X表示沿YZ平面反射Y表示沿XZ平面反射Z表示沿XY平面反射注意：所有的方向都表达为激活坐标系下的方向，且激活的坐标系必须为笛卡尔坐标系。3实体建模

其它操作

合并（Merge）（NumberingCtrls>MergeItems>Keypoints）通过合并重合的关键点或节点等，将两个实体贴上；－合并关键点将会自动合并重合的高级实体。通常在反射、拷贝、或其它操作引起重合的实体时需要合并。需要合并或粘接反射3实体建模其它操作

倒角（Fillet）线倒角要求两条相交的线在相交处有一个公共点；如果公共关键点不存在，首先进行分割操作；ANSYS不更新产生的面，因此需要加或减去倒角区域。面倒角与此类似。由基本面剪去倒角面生成面练习：ANSYS提供了丰富的单元库，共有近200种不同类型的单元。4ANSYS单元库单元分类按单元维数分为：一维单元

如：杆单元、梁单元、弹簧单元二维单元

如：面单元、壳单元三维单元

如：实体单元点单元如：质量单元按单元功能可分为：

结构单元热单元电磁单元流体单元耦合场单元网格划分辅助单元单元简介

点单元

质量单元MASS21

线单元

梁单元

可用于模拟螺栓、管件、角钢或只需膜应力和弯曲应力的任何细长杆件

杆单元

用于模拟弹簧、螺栓、预应力螺栓及桁架

弹簧

单元用于模拟弹簧、螺栓、细长部件或通过 等效刚度替代复杂部件

壳单元

用于模拟薄板或曲面。

一般来讲，壳的定义依赖于应用，主要方向的尺寸至少为其厚度的10倍。单元简介

二维实体单元:

用于模拟实体的横截面必须在总体笛卡尔坐标系的X－Y平面内建模所有载荷都在X－Y平面上，响应（位移）也在X－Y平面单元的可以有下列特性:

平面应力平面应变轴对称YXZ单元简介

平面应力

假定在Z方向的应力为零有效的组成为Z方向比X及Y方向的尺寸小得多Z向应变非零允许任意厚度(Z向)用于诸如承受面内载荷的平板或承受压力或离心载荷的薄盘二维实体单元YXZ单元简介

二维实体单元平面应变

假定Z方向为零应变用于Z向尺寸远大于X及Y向尺寸的情况Z向应力非零用于长、诸如结构梁等截面形状不变的结构YXZ单元简介

二维实体单元轴对称

假定三维结构及其荷载可由2维截面通过沿Y轴旋转360°得到。对称轴必须与总体Y轴重合负的X坐标不允许

Y方向为轴，X方向为径向，Z方向为周向（环向）环向位移为零；环向应变和应力通常十分显著用于压力容器、直管、轴等单元简介三维实体单元:用于几何模型、材料、荷载或要求的结构细节不能用简化形式的单元模拟的情况。还用于几何模型由三维CAD系统输