有限元基礎(chǔ)與ANSYS軟件第4章實(shí)體建模課件

1、有限元基礎(chǔ)及ANSYS軟件 郭世偉第四章 ANSYS實(shí)體模型的建立一、ANSYS有限元模型的建立方法 ANSYS使用的模型分兩類：有限元模型與實(shí)體模型。有限元模型由節(jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成，專供有限元分析計(jì)算用的模型。實(shí)體模型表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，不參與有限元分析，施加其上的載荷與約束需要傳遞到有限元模型（節(jié)點(diǎn)與單元）上才可進(jìn)行有限元分析。 以前所做的為直接建立有限元模型，模型中沒(méi)有實(shí)體（點(diǎn)、線、面）出現(xiàn)。該方法直接創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)與單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)、單元的編號(hào)完全控制，適于小型或簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的分析，所需機(jī)時(shí)少。但對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)（尤其是3D實(shí)體結(jié)構(gòu)）需要處理大量數(shù)據(jù)，網(wǎng)格修改困難，不能網(wǎng)格自適應(yīng)劃分與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2、，效率低且易出錯(cuò)。 實(shí)體建模：先創(chuàng)建由關(guān)鍵點(diǎn)、線段、面與體構(gòu)成的幾何模型，再由ANSYS自行進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成節(jié)點(diǎn)與單元，建立有限元模型。 也可直接輸入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAD）中創(chuàng)建的實(shí)體模型與有限元模型。ANSYS軟件提供有與這些軟件間的導(dǎo)入導(dǎo)出接口。 ANSYS的實(shí)體建模方法又有兩種：自底向上，自頂向下。前者從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型；后者先定義最高級(jí)圖元（基元，程序自動(dòng)定義了相關(guān)的面、線、關(guān)鍵點(diǎn)），再由它們直接構(gòu)造幾何模型，有布爾操作等可“雕塑”與“粘接”出實(shí)體模型。也可采用混合法兩種方法混合使用，依個(gè)人經(jīng)驗(yàn)而定，無(wú)一定的準(zhǔn)則。（一）自底向上建模先創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，再創(chuàng)建出相關(guān)的線、面、

3、體等高級(jí)圖元。許多命令與直接建模法中對(duì)象（節(jié)點(diǎn)、單元）的命令相似。所以可用如下群組的方式介紹之。1、定義關(guān)鍵點(diǎn)：K注意：關(guān)鍵點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的區(qū)別2、線定義線：L3、面定義面A,AL4、體（二）自頂向下建模一開始從較高級(jí)的實(shí)體圖元構(gòu)造模型。ANSYS在生成一種體素時(shí)會(huì)自動(dòng)生成所有的從屬于該體素的較低級(jí)的圖元，其對(duì)應(yīng)號(hào)碼由系統(tǒng)自動(dòng)生成。 1、面體素的生成 基本面體素有：矩形面、圓形面、圓環(huán)面、多邊形面等 2、3D體素的生成 基本的體體素有：塊體、圓柱體、棱柱體、球體、圓臺(tái)、環(huán)體等。（三）網(wǎng)格劃分 實(shí)體模型必須經(jīng)網(wǎng)格劃分成為有限元模型后，才能進(jìn)行有限元分析求解。網(wǎng)格劃分過(guò)程有三個(gè)步驟：定義單元類型，定義網(wǎng)

4、格生成控制，生成網(wǎng)格。 自由網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)網(wǎng)格 實(shí)例：連桿結(jié)構(gòu)示意圖如下，圖中長(zhǎng)度單位為mm，壁厚50mm。采用自底向上的建模方法建立其幾何模型并劃分網(wǎng)格。單元選為SOLID185。例1/UNITS,SI/PREP7 K,1,0,0 CIRCLE,1,15 K,6,0,35CIRCLE,6,20 CIRCLE,6,30 L2ANG,4,8,0,180 L2ANG,3,7,180,0 K,30,-35 K,-30,-5 K,0,-35K,0,-55KPLOT LTAN,-9,19 LTAN,19,22 L,22,21 L,13,20 L2TAN,22,-21LDEL,8 LDEL,17 LDEL,1

5、1 LDEL,12 LDEL,2 LDEL,1 LDEL,13 LDEL,3 LCOMB,5,14 LCOMB,7,6 A,8,12,13,18A,18,13,20,17 A,17,20,21,5A,5,21,19,15A,15,19,11,16 A,16,11,12,8A,21,19,22 例2/UNITS,SI /PREP7 K,100,13,49.5 K,101,13,49.5,1 CIRCLE,100,16,101,360,4K,100,-35,49.5 K,101,-35,49.5,1CIRCLE,100,10,101,360,4k,9,13 k,10,62.5,49.5 K,100

6、,62.5 LARC,9,10,100,49.5 k,100,-35,0 k,101,-35,0,1 CIRCLE,100,35,101,180,2K,100,0,-75 K,101,0,-75,1 CIRCLE,100,150,101,180,2 K,62.5,80 L,10,17 K,-62.5,5 K,-62.5,80 L,18,19 LCSL,12,14 LCSL,13,15 LCSL,11,20 LDEL,17,19,2,1 LSEL,S,LINE,14,15 LSEL,A,LINE,21,22 LDEL,ALL,1LSEL,S,LINE,ALLL,11,9 L,7,21L,5,15

7、L,8,12A,2,15,20,10,9,11,4,1AL,15,5,6,14,12AL,14,23,13,17,7FINISH命令說(shuō)明：刪除線段：LDEL,N圓弧段的生成：CIRCLE,PCENT,RAD,PAXIS,PZERO,ARC,NSEGPCENT為圓心點(diǎn)號(hào)，RAD為半徑，ARC為圓弧角度，NSEG為圓弧分段數(shù)LARC,P1,P2,PC,RAD定義兩點(diǎn)P1,P2間的圓弧段，半徑為RAD，PC表示曲率中心部分的一點(diǎn)。產(chǎn)生的點(diǎn)與圓弧段號(hào)碼自動(dòng)生成。LANG,NL1,P3,ANG產(chǎn)生新線段，過(guò)P3并與已知線NL1夾角為ANG。L2ANG,NL1,NL2,ANG1,ANG2建立新線段，與已知

8、線NL1夾角為ANG1, 與已知線NL2夾角為ANG2,LTAN,NL1,P3,產(chǎn)生新線段，過(guò)P3并與NL1相切。L2TAN,NL1,NL2產(chǎn)生新線段，與兩已知線NL1、NL2相切。LCOMB,NL1,NL2,KEEP把兩條線NL1和NL2合并為一條線，KEEP=0,1面元的生成：A,P1,P2,P3,AL,L1,L2,L3,二、網(wǎng)格化1、網(wǎng)格的分類網(wǎng)格分為自由網(wǎng)格和對(duì)應(yīng)網(wǎng)格。自由網(wǎng)格對(duì)實(shí)體模型限制較少，建模簡(jiǎn)單容易。單元排列無(wú)規(guī)律，且單元可能有退化，如有2-D四邊形平面單元（PLANE42）退化成三角形單元完成網(wǎng)格化，使2-D結(jié)構(gòu)以四邊形和三角形的混合方式進(jìn)行，3-D六面體（SOLID45）

9、可退化為三角錐單元方式進(jìn)行網(wǎng)格化。對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的實(shí)體模型建模復(fù)雜，限制較多。單元排列有規(guī)律，無(wú)單元形狀的退化。對(duì)于2-D彈性平面四邊形結(jié)構(gòu)，要求相對(duì)應(yīng)邊的單元數(shù)目相等，對(duì)于2-D彈性平面三角形結(jié)構(gòu)，要求三邊單元數(shù)相等且為偶數(shù)。 （a）、（c）為對(duì)應(yīng)網(wǎng)格，（b）、（d）為自由網(wǎng)格究竟選擇哪種網(wǎng)格化方法無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力、邊界情況和分析要求而定。兩種網(wǎng)格化方法也可混合使用，能對(duì)應(yīng)網(wǎng)格化的部分先做對(duì)應(yīng)網(wǎng)格化，再使不能對(duì)應(yīng)網(wǎng)格化的部分進(jìn)行自由網(wǎng)格化。另外，當(dāng)實(shí)體模型無(wú)法進(jìn)行對(duì)應(yīng)網(wǎng)格化時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)地用自由網(wǎng)格化。網(wǎng)格可決定實(shí)體模型的建立，所以在實(shí)體建模時(shí)，需先規(guī)劃網(wǎng)格化，不違背其規(guī)則。（a）對(duì)邊

10、單元數(shù)相同的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格（b）對(duì)邊單元數(shù)相同的自由網(wǎng)格（c）對(duì)邊單元數(shù)相同但單元長(zhǎng)度不同的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格（d）對(duì)邊單元數(shù)相同但單元長(zhǎng)度不同的自由網(wǎng)格（a）（d）（c）（b）（e）、（f）對(duì)邊單元數(shù)不同，單元形狀不同的自由網(wǎng)格（e）（f）三角形面積的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格2、單元網(wǎng)格的生成步驟實(shí)體模型建立后，要經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化后才能生成為有限元模型。需經(jīng)三個(gè)步驟：（1）建立、選取單元資料。所謂的資料包括：?jiǎn)卧愋停═YPE）；單元幾何常數(shù)(R)；單元的材料性質(zhì)(MP)；以及單元形成時(shí)所在的坐標(biāo)系。在實(shí)體建模前聲明。（2）設(shè)立網(wǎng)格建立所需的參數(shù)。這里的參數(shù)包括物體邊界（即線段）單元的大小與數(shù)目，這決定著網(wǎng)格的大小和形狀，影響著

11、分析的正確性和經(jīng)濟(jì)性?？稍诰€段建立后或?qū)嶓w建模完成后聲明，或建模-網(wǎng)格化-建模-網(wǎng)格化逐步聲明。（3）產(chǎn)生網(wǎng)格。即可建立有限元模型。如不滿意網(wǎng)格化的結(jié)果，還可清除已網(wǎng)格化的內(nèi)容，重新定義單元大小和數(shù)目，再做網(wǎng)格化，直至滿意為止。網(wǎng)格生成的一般流程：3、基本命令（1）網(wǎng)格單元屬性的定義 聲明X對(duì)象網(wǎng)格化后的單元屬性： XTAA，MAT，REAL，TYPE，ESYS X代表對(duì)象名稱。MAT，REAL，TYPE分別為前面定義過(guò)的單元材料、幾何常數(shù)、單元類型的號(hào)碼。這一條命令相當(dāng)于將原來(lái)的三個(gè)命令（MAT，REAL，TYPE）合并為一個(gè)命令。 ESYS為建立單元所在坐標(biāo)系號(hào)碼。（2）單元形狀大小的定義

12、單元大小基本上在線段上定義，可用線段長(zhǎng)度或線段數(shù)目來(lái)劃分，大多用于對(duì)應(yīng)網(wǎng)格化中，而對(duì)于自由網(wǎng)格化，程序可自設(shè)線段單元的數(shù)目和大小。有默認(rèn)的劃分尺寸大小可用。 聲明網(wǎng)格類型 MSHKEY，KEYKEY=0（系統(tǒng)默認(rèn)）時(shí)，自由網(wǎng)格化；KEY=1時(shí)，對(duì)于網(wǎng)格化；KEY=2時(shí)，自由網(wǎng)格及對(duì)應(yīng)網(wǎng)格混合，適于2-D實(shí)體模型。 聲明網(wǎng)格單元形狀 MSHAPE，KEY，Dimension Dimension=2D時(shí)，KEY=0為四邊形，KEY=1全為三角形； Dimension=3D時(shí)，KEY=0為六面體，KEY=1全為三角錐； KEY=1時(shí)，即使對(duì)應(yīng)網(wǎng)格，也強(qiáng)行為三角形或三角錐。 LESIZE,NL1,SI

13、ZE,ANGSIZ,NDIV,SPACE,定義所選線段（NL1）進(jìn)行單元網(wǎng)格化時(shí)單元的大小。可用線段長(zhǎng)度（SIZE）或該線段要?jiǎng)澐值膯卧獢?shù)目（NDIV）來(lái)確定。SPACE為間距比。NL1=ALL表示目前的所有線段。 ESIZE,SIZE,NDIV對(duì)目前所有線段（不含LESIZE,KESIZE所定義的線段）定義單元網(wǎng)格化時(shí)單元的大小，可用單元的邊長(zhǎng)（SIZE）或單元要分成的單元數(shù)目（NDIV）來(lái)確定。 （3）網(wǎng)格的生成單元屬性和網(wǎng)格參數(shù)定義后，便可對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格化。線單元由線段網(wǎng)格生成，平面單元由面積網(wǎng)格生成，立體單元由體積網(wǎng)格生成。 對(duì)線進(jìn)行網(wǎng)格化：LMESH,NL1,NL2,NINC對(duì)一

14、組（NL1,NL2,NINC）線（Lines）進(jìn)行網(wǎng)格化（MESH），并生成節(jié)點(diǎn)和單元。NL1=ALL時(shí)，表示網(wǎng)格化當(dāng)前所有線段，而NL2、NINC可省略掉。 對(duì)面積進(jìn)行網(wǎng)格化：AMESH,NA1,NA2,NINC對(duì)一組（NA1,NA2,NINC）面積（Areas）進(jìn)行網(wǎng)格化（MESH），并生成節(jié)點(diǎn)和單元。NA1=ALL時(shí)，表示網(wǎng)格化當(dāng)前所有面積，而NA2、NINC可省略掉。 對(duì)體積進(jìn)行網(wǎng)格化：VMESH,NV1,NV2,NINC對(duì)一組（NV1,NV2,NINC）體積（Volume）進(jìn)行網(wǎng)格化（MESH），并生成節(jié)點(diǎn)和單元。NV1=ALL時(shí)，表示網(wǎng)格化當(dāng)前所有體積，而NV2、NINC可省略掉。

15、 對(duì)線段網(wǎng)格化后的清除：LCLEAR,NL1,NL2,NINC對(duì)網(wǎng)格化后的一組（NL1,NL2,NINC）線（Lines）上的節(jié)點(diǎn)和單元清除（CLEAR），同時(shí)刪除掉其號(hào)碼。 對(duì)面積網(wǎng)格化后的清除：ACLEAR,NA1,NA2,NINC對(duì)網(wǎng)格化后的一組（NA1,NA2,NINC）面積（Areas）上的節(jié)點(diǎn)和單元清除（CLEAR），同時(shí)刪除掉其號(hào)碼。 對(duì)體積網(wǎng)格化后的清除：VCLEAR,NV1,NV2,NINC對(duì)網(wǎng)格化后的一組（NV1,NV2,NINC）線（Volume）上的節(jié)點(diǎn)和單元清除（CLEAR），同時(shí)刪除掉其號(hào)碼。4、例題（1）梁結(jié)構(gòu)單元的劃分：/PREP7 /UNITS,SI ET,1

16、,BEAM3 MP,EX,1,207E9 R,1,1E-4,2.083E-10,0.005K,1 K,2,3 L,1,2 ESIZE,10 ！或ESIZE,0.3LATT,1,1,1,0LMESH,1 與直接建模方法做比較（2）平板結(jié)構(gòu)/PREP7 /UNITS,SI ET,1,PLANE42K,1,0,0 K,2,12,0K,3,12,9K,4,0,9 A,1,2,3,4 LESIZE,1,4 LESIZE,3,4 LESIZE,2,3 LESIZE,4,3MSHKEY,1AATT,1,1,1,0AMESH,1 WPOFFS,17 PCIRC,6,10,0,90 LESIZE,5,5LESI

17、ZE,6,2CSYS,1 AMESH,2 （3）體結(jié)構(gòu)/PREP7 /UNITS,SI ET,1,SOLID45BLOCK,-0.025,0.025,0.04,0.24,-0.0025,0.0025 LESIZE,1,10 LESIZE,4,4LESIZE,9,1MSHKEY,1AATT,1,1,1,0VMESH,1 （4）網(wǎng)格劃分的實(shí)例/PREP7 ET,1,PLANE42K,1,0,-2.5 K,2,6,-2.5 K,3,2.5K,4,6,2.5 CSYS,1 K,5,10,-30 K,6,10,30 CSYS,0 SAVEL,1,2 L,4,3 CSYS,1 L,2,4 L,5,6 CSYS,0 A,1,2,4,3 A,2,5,6,4 SAVEAMESH,ALL RESUME DESIZE,5AMESH,ALL RESUME DESIZE,10,20 AMESH,ALL RESUME SMRTSIZE,6 AMESH,ALL RESUME SMRTSIZE,8 AMESH,ALL RESUME SMRTSIZE,1 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1DESIZE,5AMESH,ALLRESUME MSHAPE,1DESIZE,10,20 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1S