第4讲有限元二维建模单元材料

第四章几何建模一、ANSYS中的模型分类1、几何模型（也称实体模型）即根据实物研究对象绘制出的，由关键点、线、面、体组成的几何体，是实物的直接仿真模型。2、有限元模型几何模型通过定义各种属性，并进行网格划分之后得到的可用于ANSYS计算的模型二、建模方法1、直接建模：直接在ANSYS中建立有限元模型，而不必先建几何模型。先对结构进行节点和单元编号，然后输入节点坐标建立节点，再输入每个单元的节点编号，从而建立有限元模型。该方法缺点是大量输入数据令人无法忍受，且对于复杂的3D实体靠人工去划分网格极易出错。2、几何建模：在ANSYS软件中建立模型和从其它CAD软件导入模型。如建模软件如AutoCAD、Pro/E、SolidWork、UG、SolidEdge等。3、混合建模：在几何建模并网分后，再增加其它单元或特征的方法。该法基本是在有限元模型生成后，再建立少量的单元，例如接触单元、约束方程、耦合自由度等。ANSYS中几何模型等级由低向高依次为关键点、线、面和体（称为几何图素或图素）。几何模型的创建，可采用自底向上或自顶向下的方法。所谓自底向上建模就是首先创建最低级的图素---关键点，再通过关键点生成较高级的图素（如线、面、体）。而自顶向下建模就是首先创建较高级的图素（体或面），而自动生成较低级的图素，通过体或面的组合得到较复杂的模型。在实际建模时，不必区分自底向上建模或是自顶向下建模，也不必按其顺序建模，可以混合使用自底向上建模和自顶向下建模。例如某些情况下，通过创建关键点再创建面或体方便，而有些情况下可能直接建立体或面更方便，均视模型情况而定。2.1创建关键点2.1创建线倒角（LineFillet）倒角前输入半径倒角后2.1创建面2.1创建体三、模型操作对已经建立的模型进行拉伸、布尔运算等操作拉伸布尔运算3.1拉伸操作Preprocessor/Modeling/Operate/Extrude/Areas/AboutAxis可以得到什么图形？3.2布尔运算创建复杂的几何模型，可运用布尔运算对模型进行加工和修改。无论是自顶向下建模或是自底向上建模创建的图素都可进行布尔运算，通过简单的几何模型进行一系列布尔操作可创建复杂的模型，使得建模较为容易和快捷。对于包含退化的模型，有时布尔运算是无法完成的。对于已经划分网格的图素不能进行布尔运算，在操作前应清除网格，否则提示错误信息；同样地，如果定义了荷载和单元属性，在布尔运算后这些属性不会转换到新图素上，需重新定义。布尔运算布尔交运算布尔加运算布尔减运算布尔粘接运算布尔分割运算布尔运算：交运算(Intersection)交运算是由图素的共同部分形成一个新的图素，其运算结果只保留两个或多个图素的重叠部分。交运算分为公共相交和两两相交两种。公共相交就是仅保留所有图素的重叠部分，即只生成一个图素，当图素很多时可能不存在公共部分，这时布尔运算不能完成。两两相交是保留任意两个图素的公共部分，有可能生成很多图素。公共交运算对图素没有级别要求，即任何级别的图素都可作公共交运算，而不管其相交部分是何级别的图素。例如线、面、体的两两与相互交运算都可；再如体的交运算中，其相交部分可以是关键点、线、面或体等。两两相交运算要求为同级图素，但相交部分可为任何级别的图素。例如只能作线与线、面与面、体与体的两两相交。交运算公共交运算两两交运算例如：四个圆面两两交运算例如：圆柱体与球体交运算布尔运算：加运算(Addition)加运算是由多个几何图素生成一个几何图素，而且该图素是一整体即没有“接缝”（内部的低级图素被删除），当然带孔的面或体同样可以进行加运算。加运算仅限于同级几何图素，而且相交部分最好与母体同级，但在低于母体一级时也可作加运算。如体与体的相加，其相交部分如为体或面，则加运算后为一个体；如相交部分为线，则运算后不能生成一个体，但可公用相交的线；如相交部分为关键点，同样加运算后公用关键点，但体不是一个，不能作完全的加运算。如面与面相加，其相交部分如果面或线，则可完成加运算。如果相交部分为关键点，则可能生成的图素会有异常，当然一般情况下不会出现这种加运算。加运算操作界面例如：两个圆面与一个矩形加运算布尔运算：减运算(Subtract)减运算就是“删除”母体中一个或多个与子体重合的图素。与加运算不同的是减运算可在不同级图素间进行，但相交部分最多与母体相差一级；例如体体减运算时，其相交部分不能为线，为面或体均可完成运算。减运算结果的最高图素与母体图素相同。例如：新月形面例如：具有多边形柱空心的球体布尔运算：分割运算(Partition)分割运算是将多个同级图素分为更多的图素，其相交边界是共享的，即相互之间通过共享的相交边界连接在一起。分割运算与加运算类似，但加运算是由几个图素生成一个图素，分割运算是由几个图素生成更多的图素，并且在搭接区域生成多个共享的边界。分割运算生成多个相对简单的区域，而加运算生成的是一个复杂的区域，因此分割运算生成的图素更易划分网格。分割运算不要求相交部分与母体同级，相差级别也无限制。例如体的相交部分如果为关键点，进行分割运算后，体则通过共享关键点连接起来。面的相交部分如果为线，则共享该线并将输入面分为多个部分，分割运算容许不共面。分割前分割后布尔运算：粘接运算(Glue)把两个或多个同级图素粘在一起，在其接触面上具有共享的边界，也称“合并”。粘接运算要求参加运算的图素不能有与母体同级的相交图素。例如体体粘接时，其相交部分不能为体，但可为面、线或关键点，即相交部分的图素级别较母体低即可；面面粘接时，其相交部分只能为线或关键点，并且这些面必须共面。线线粘接时，其相交部分只能为线的端点，例如两个不在端点相交的线是不能粘接的。粘接运算与加运算不同，加运算是将输入图算合为一个母体，而粘接运算后参与运算的母体个数不变，即母体不变但公共边界是共享的。粘接运算在网格划分中是非常有用的，即各个母体可分别有不同的物理和网格属性，进而得到优良的网格。也不是分割运算的逆运算，因为分割运算后图素之间共享边界，此时无需粘接运算。练习题：1、对该图形进行几何建模，尺寸自己给定练习题：2、对该图形进行几何建模，尺寸自己给定练习题：3、对该图形进行几何建模，尺寸自己给定练习题：4、练习题：5、对该图形进行几何建模，尺寸自己给定练习题：6、建立图示轴承座几何模型，尺寸自己给定练习题：7、练习题：8、壳实体梁对该图形进行几何建模，尺寸自己给定作业：将本次课课件当中练习1、2、3进行几何建模，要求：1、模型几何尺寸根据自己的意愿来选取，但每个同学所建模型尺寸均不能相同。2、作业可在下周上机时间做，也可课下做，储存格式为：姓名学号模型名称.db。3、每人一个文件夹，课代表课下收齐电子版，下次理论课统一交上第四章几何建模一、ANSYS中的模型分类1、几何模型（也称实体模型）即根据实物研究对象绘制出的，由关键点、线、面、体组成的几何体，是实物的直接仿真模型。练习题：3、对该图形进行几何建模，尺寸自己给定练习题：6、建立图示轴承座几何模型，尺寸自己给定105建立矩形平面四个圆面：半径0.3，位置（1,1）（1,4）（9,1）（9,4）布尔减运算拉伸alongnormal建立矩形块建立关键点，并将坐标系移至该点offsetwptokeypoint建立矩形绕矩形左侧边Aboutaxis旋转刚建立的矩形布尔加运算所有实体创建关键点，并将该关键点与圆心连线将该线绕左端旋转为圆面拉伸圆面为圆柱体布尔减运算将坐标系移至原位创建关键点（3,4,1）、（3,4,5）、（3,0,1），将该三点连线、成面拉伸该面成实体筋板作业：例题6几何建模第五章单元类型选择一、结构分类及仿真单元在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板壳结构和实体结构。杆系结构：其杆件特征是一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和宽度的梁。单元类型有杆、梁和管单元（一般称为线单元）板壳结构：是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺度的结构，如平板结构和壳结构。单元为壳单元。实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构，例如挡土墙、堤坝、基础等。单元为3D实体单元和2D实体单元。杆系结构：①当构件15>L/h≥4时，采用考虑剪切变形的梁单元。②当构件L/h≥15时,采用不考虑剪切变形的梁单元。③BEAM18X系列可不必考虑的上限，但在使用时必须达到一定程度的网格密度。对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必须考虑剪切变形的影响。板壳结构：当L/h<5～8时为厚板，应采用实体单元。当5～8<L/h<80～100时为薄板，选2D体元或壳元。当L/h>80～100时,采用薄膜单元。对于壳类结构，一般R/h≥20为薄壳结构，可选择薄壳单元，否则选择中厚壳单元。对于既非梁亦非板壳结构，可选择3D实体单元。二、选择单元类型的原则★力学行为原则杆系结构、板壳结构和实体结构划分，分别采用与之力学行为相符的线单元、板壳单元和实体单元。★单元维数原则在保证一定精度的前提下，采用的单元维数越低越好。因此，建议优先选择梁杆单元，其次是板壳单元，最后是实体单元。★单元阶数原则在保证计算精度的情况下，优先选择低阶单元，但一般言，高阶单元具有较好的计算结果。当没有足够的经验时，建议采用高阶单元以获得较好的计算结果。★建模方便原则当确定了单元类型后，应选择该类单元建模方便者。例如对于梁单元，采用BEAM4、BEAM188/189均可行时，应该选择BEAM188/189单元。三、模型深度★杆系级：主要采用杆单元和梁单元建立模型，以便获得结构总体的力学行为。平面模型的计算结果可用于方案设计，空间模型的计算结果可用于技术设计。★板壳级：主要采用板壳单元或与杆梁单元结合建立模型，以便获得结构构件的力学行为。例如桥梁的主梁或主拱、主墩等可采用板壳单元模拟，其它构件可采用杆梁单元模拟，以得到结构构件较为精确的内力和变形。★实体级：主要采用实体单元或与杆梁、板壳单元结合建立模型，以便获得结构细节或局部的力学行为。例如墩梁连接处、支承处、预应力筋锚固端、斜拉索锚固区等应采用实体单元模拟，其它部分可采用杆梁单元或板壳单元模拟。在实体级模型中，一般不全部采用实体单元，而是采用多种单元的组合进行模拟。四、单元举例1、实体单元2、梁单元：构架受力分析3、壳单元：广告牌承受风载荷

五、选取单元类型界面选择单元类型添加、编辑、删除单元类型添加单元类型编辑选项删除单元类型杆单元梁单元管单元实体单元壳单元单元类型图示单元类型图示类别形状和特性单元类型杆普通LINK1,LINK8双线性LINK10梁普通BEAM3,BEAM4截面渐变BEAM54,BEAM44塑性BEAM23,BEAM24考虑剪切变形BEAM188,BEAM189结构静力学分析中用到的单元类别形状和特性单元类型管普通PIPE16，PIPE17，PIPE18浸入PIPE59塑性PIPE20，PIPE60二维实体三角形PLANE2四边形PLANE42，PLANE82，PLANE182超弹性单元HYPER84，HYPER56，HYPER74粘弹性VISCO88大应变VISO106，VISO108谐单元PLANE83，PLANE25P单元PLANE145，PLANE146类别形状和特性单元类型三维实体块SOLID45，SOLID95，SOLID73，SOLID185四面体SOLID92，SOLID72层SOLID46各向异性SOLID64，SOLID65超弹性单元HYPER86，HYPER58，HYPER158粘弹性VISO89大应变VISO107P单元SOLID147，SOLID148壳四边形SHELL93，SHELL63，SHELL41，SHELL43，SHELL181轴对称SHELL51，SHELL61层SHELL91，SHELL99剪切板SHELL28P单元SHELL150类别形状和特性单元类型接触单元