第三章 實體建模

第三章實體建模

建模的方法坐標系統(tǒng)直接法基本建模過程質(zhì)點、二力桿、彈簧、梁

間接法基本建模過程實體建模基本造型：關(guān)鍵點、線、面和體布爾運算模型修改：拷貝、復(fù)制、鏡像…..主要內(nèi)容：1建模方法概述

有限元模型的建立方法可分為：

直接法

直接根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何外型建立節(jié)點和單元，因此直接法只適應(yīng)于簡單的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

間接法適用于具有復(fù)雜幾何外型、節(jié)點及單元數(shù)目較多的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該方法通過點、線、面、體，先建立實體模型，再進行網(wǎng)格劃分，以完成有限元模型的建立。2坐標系統(tǒng)及工作平面

總體坐標系－總體笛卡爾坐標系－總體柱坐標系－總體球坐標系

局部坐標系－局部笛卡爾坐標系－局部柱坐標系－局部球坐標系

工作平面坐標系A(chǔ)NSYS中的坐標系有：2坐標系統(tǒng)及工作平面模型的總體參考系；可以是笛卡爾(系號0),柱(1),或球(2)；2.1總體坐標系2坐標系統(tǒng)及工作平面在任意位置、用戶自定義的坐標系，標識號碼為11或更大。位置可以是:工作平面的原點[CSWP]在指定的坐標處[LOCAL]已有的關(guān)鍵點處[CSKP]或節(jié)點處[CS]可以是笛卡爾、柱或球坐標系可以沿X,Y,Z軸旋轉(zhuǎn)XYX11Y11X12Y122.2局部坐標系2坐標系統(tǒng)及工作平面是一個參考平面，類似于繪圖板，可按用戶需要移動和旋轉(zhuǎn)；主要用于實體模型體素的定位和取向；可以利用工作平面通過拾取定義關(guān)鍵點；某些布爾操作和圖形操作時也可作為輔助工具。2.3工作平面坐標系2坐標系統(tǒng)及工作平面可以定義任意數(shù)目的坐標系，但任何時候只有一個是激活的；定義以下幾種幾何體素時受到激活坐標系的影響：關(guān)鍵點及節(jié)點的位置線的曲率面的曲率生成和填充關(guān)鍵點和節(jié)點等等圖形窗口的標題顯示激活的坐標系。2.4激活坐標系2坐標系統(tǒng)及工作平面缺省時激活的坐標系為總體笛卡爾坐標系；利用

CSYS

命令(或

UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto)可將激活坐標系改變?yōu)椋嚎傮w笛卡爾坐標系[csys,0]總體柱坐標系[csys,1]總體球坐標系[csys,2]工作平面坐標系[csys,4]或用戶定義的局部坐標系[csys,n]（n>=11)

2.4激活坐標系2.5工作平面工作平面

—是一個可以移動的二維參考平面，用于定位和確定體素的方向。缺省時，工作平面的原點與總體坐標系的原點重合，但可以將它移動或旋轉(zhuǎn)到任意想要的位置通過顯示柵格，可以將工作平面作為繪圖板WXWYWXWYX2X1Y2Y1WP(X,Y)widthheight所有的工作平面控制在UtilityMenu>WorkPlane下。工作平面設(shè)置菜單控制如下:WP顯示–

只顯示柵格(default),只顯示三軸或都顯示捕捉–

允許拾取工作平面上的位置，將光標捕捉的最近的柵格點柵距–

柵格線之間的距離柵格尺寸–

顯示的工作平面的范圍2.5

工作平面2.5工作平面利用Offset及Align菜單可以將工作平面移動到任意想要的位置。OffsetWPbyIncrements…利用推動按鈕（連同滑塊的增量）進行平移；或鍵入增量；或使用動態(tài)模式(類似于pan-zoom-rotate).2.5工作平面OffsetWPto>

移動工作平面，保持它當前的方向到想要的位置，位置可以是：已有的關(guān)鍵點。拾取多個關(guān)鍵點移動工作平面到它們的平均位置。已有的節(jié)點坐標位置總體坐標原點激活坐標系的原點2.5工作平面AlignWPwith>

重新定位工作平面例如,AlignWPwithKeypoints提示你拾取三個關(guān)鍵點：第一個定義原點，第二個定義X軸，另一個定義X-Y平面將工作平面恢復(fù)到其缺省位置（在總體X－Y平面的原點）,點擊AlignWPwith>GlobalCartesian.練習(xí)：3實體建模A.定義B.自頂向下建模體素工作平面布爾運算C.自底向上建模關(guān)鍵點坐標系線,面,體操作3實體建模實體建模

即為生成實體模型的過程定義:實體模型是由體、面、線及關(guān)鍵點定義的體由面圍成、面由線組成、線由關(guān)鍵點定義體素從低到高的分類:

關(guān)鍵點線面體。

不能刪除包含更高級體素的體素（例如，不能刪除面上的線、體上的面）。另外，包含面和面以下體素的模型（如殼或二維平板模型），在ANSYS中也考慮為實體模型。體面線和關(guān)鍵點關(guān)鍵點線面體3實體建模生成實體模型的兩種方法:－從上到下－從下到上從上到下建模：從生成高級體素（如體或面）開始，結(jié)合其它方法生成最終的形狀。加提示:如果低階的圖元連在高階圖元上，則低階圖元不能刪除.3實體建模從下到上建模：從建立關(guān)鍵點開始，逐步建立高級體素（如線、面、體等）可以選擇最適合于生成模型的方法，還可以自由地綜合利用這兩種方法。下面詳細地討論兩種方法3實體建模

3.1從上到下建模從上到下建模開始定義體（或面），結(jié)合其它方法生成最終的形狀開始定義的體或面稱為體素體素定位和取向依賴于工作平面用于產(chǎn)生最終形狀的合并稱為布爾運算當生成二維體素時，ANSYS定義一個面及其所包含的線和關(guān)鍵點當生成三維體素時，ANSYS定義一個體及其所包含的面、線及關(guān)鍵點。3實體建模從上到下建模

3.1.1二維體素二維體素包括矩形、圓、三角形和其它多邊形3實體建模從上到下建模

3.1.2三維體素三維體素包括塊、圓柱、棱柱、球和錐練習(xí)：X1,X2,Y1,Y2155.5055.57.51.52.257.58.00.53.754個倒角半徑0.252個圓弧半徑0.43實體建模從上到下建模

3.1.3布爾運算布爾運算是幾何體素之間加減或合并的操作。ANSYS布爾運算包括加、減、交、分割、粘接和搭接；布爾運算輸入可以是任何幾何實體,包括簡單的體素到從CAD系統(tǒng)中生成的復(fù)雜實體。相加輸入實體布爾運算輸出實體3實體建模從上到下建模

3.1.3布爾運算所有的布爾運算都可以在GUI下的Preprocessor>-Modeling-Operate得到。缺省時，布爾運算的輸入實體在運算之后被刪除。刪除的實體號碼變?yōu)樽杂傻?將會分配給新生成的實體，由最小可用的號碼開始)3實體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運算加（Add）將兩個或多個實體合成一個實體。布爾加3實體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運算相減（Subtract）將輸入實體的一個或多個搭接的部分去掉對生成孔或修剪實體十分有用布爾減3實體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運算粘接（Glue）將兩個或多個實體粘接起來，在它們之間形成一個公共的邊界。當希望保持兩個實體的區(qū)別時很有用(例如不同的材料)粘接3實體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運算搭接（Overlap）除輸入實體相互搭接外與粘接相同。搭接3實體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運算切分（Divide）將實體切為兩個或多個，但相互間仍由公共邊界聯(lián)接。切分的工具可以是工作平面、面、線或體。對將復(fù)雜的體切分為簡單的體以進行規(guī)則網(wǎng)格劃分十分有用。切分3實體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運算相交（Intersect）只保留兩個或多個實體的重疊部分如果有兩個以上的輸入實體，有兩種選擇:公共相交和兩兩相交公共相交找出所有輸入實體的公共重疊部分兩兩相交找出每一對實體的重疊區(qū)域，可能產(chǎn)生一個以上的輸出實體公共相交兩兩相交3實體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運算互分（Partition）將兩個或多個相交的實體切成多片但仍通過公共的邊界相互聯(lián)接十分有用，如圖，找到兩條線的交點并保留四條線段。（而相交操作只返回一個公共關(guān)鍵點并刪除兩條線）L1L2L3L6L5L4分割3實體建模

從下向上建模開始于定義關(guān)鍵點，然后建立其它實體例如建立一個L型的物體必須首先定義它的角點。然后可通過連接各個角點生成面或先由角點生成線然后由線定義面。

3.2從下至上建模3實體建模

從下到上建模

3.2.1關(guān)鍵點定義關(guān)鍵點:Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints或用K族命令:

K,KFILL,KNODE,etc.生成關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)僅需關(guān)鍵點號和坐標位置

關(guān)鍵點號缺省為下一個可用的號碼。坐標位置可用通過在工作平面上拾取或鍵入X,Y,Z值。

X,Y,Z值依賴于當前激活的坐標系。3實體建模

從下到上建模

3.2.2線有多種生成線的方法定義面或體時，ANSYS會自動生成任何未定義的線，其曲率由激活的坐標系決定。生成線必須有關(guān)鍵點可用。3實體建模

從下到上建模

3.2.2

面從下到上方法生成面要求已經(jīng)定義了關(guān)鍵點或線；如果定義體，ANSYS將自動生成任何未定義的面和線，曲率由激活的坐標系決定。3實體建模

從下到上建模

3.2.3體從下到上方法生成體要求已經(jīng)定義了關(guān)鍵點或線或面3實體建模其它操作布爾操作對由上到下和由下到上建模方法生成的實體都有效。除布爾操作外，還可用許多其它的操作:

拖拉Extrude

縮放Scale

移動Move/modify

拷貝Copy

反射Reflect

合并Merge

倒角Fillet3實體建模其它操作

拖拉（Extrude）由已有面快速生成體（或由線生成面，關(guān)鍵點生成線）如果面已劃分了單元，可以由面單元拖拉出體單元。四種拖拉面的方法:沿著法向

—

通過法向偏移面生成體[VOFFST]通過XYZ偏移

—

通過一般的x-y-z偏移[VEXT]生成體。允許有錐度的拖拉沿著軸

—

通過沿著軸（兩個關(guān)鍵點來定義）旋轉(zhuǎn)面生成體[VROTAT]沿著線—

通過將面沿著一條或一組連續(xù)的線拖拉生成體[VDRAG]3實體建模其它操作移動（Move/modify）通過指定DX,DY,DZ將實體平移或旋轉(zhuǎn)。DX,DY,DZ表達為激活的坐標系下平移實體，激活的坐標系為笛卡爾坐標系；旋轉(zhuǎn)實體，激活的坐標系為柱坐標系或球坐標系另一個操作為將一個坐標系轉(zhuǎn)換到另一個不同的坐標系。轉(zhuǎn)換發(fā)生在將激活的坐標系轉(zhuǎn)為某個指定的坐標系；在需要同時移動和旋轉(zhuǎn)實體時使用。Transferfromcsys,0tocsys,11

Rotate-30°

3實體建模其它操作

拷貝（Copy）產(chǎn)生一個實體的多個備份；對每一次拷貝指定拷貝數(shù)目及DX,DY,DZ偏移距離。DX,DY,DZ表示為激活的坐標系下；用于生成多個孔、肋或突起。在局部柱坐標系下的拷貝通過蒙皮生成外表面3實體建模其它操作

反射（Reflect）沿一個平面鏡像實體定義反射的方向: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：所有的方向都表達為激活坐標系下的方向，且激活的坐標系必須為笛卡爾坐標系。3實體建模

其它操作

合并（Merge）（NumberingCtrls>MergeItems>Keypoints）通過合并重合的關(guān)鍵點或節(jié)點等，將兩個實體貼上；－合并關(guān)鍵點將會自動合并重合的高級實體。通常在反射、拷貝、或其它操作引起重合的實體時需要合并。需要合并或粘接反射3實體建模其它操作

倒角（Fillet）線倒角要求兩條相交的線在相交處有一個公共點；如果公共關(guān)鍵點不存在，首先進行分割操作；ANSYS不更新產(chǎn)生的面，因此需要加或減去倒角區(qū)域。面倒角與此類似。由基本面剪去倒角面生成面練習(xí)：ANSYS提供了豐富的單元庫，共有近200種不同類型的單元。4ANSYS單元庫單元分類按單元維數(shù)分為：一維單元

如：桿單元、梁單元、彈簧單元二維單元

如：面單元、殼單元三維單元

如：實體單元點單元如：質(zhì)量單元按單元功能可分為：

結(jié)構(gòu)單元熱單元電磁單元流體單元耦合場單元網(wǎng)格劃分輔助單元單元簡介

點單元

質(zhì)量單元MASS21

線單元

梁單元

可用于模擬螺栓、管件、角鋼或只需膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的任何細長桿件

桿單元

用于模擬彈簧、螺栓、預(yù)應(yīng)力螺栓及桁架

彈簧

單元用于模擬彈簧、螺栓、細長部件或通過 等效剛度替代復(fù)雜部件

殼單元

用于模擬薄板或曲面。

一般來講，殼的定義依賴于應(yīng)用，主要方向的尺寸至少為其厚度的10倍。單元簡介

二維實體單元:

用于模擬實體的橫截面必須在總體笛卡爾坐標系的X－Y平面內(nèi)建模所有載荷都在X－Y平面上，響應(yīng)（位移）也在X－Y平面單元的可以有下列特性:

平面應(yīng)力平面應(yīng)變軸對稱YXZ單元簡介

平面應(yīng)力

假定在Z方向的應(yīng)力為零有效的組成為Z方向比X及Y方向的尺寸小得多Z向應(yīng)變非零允許任意厚度(Z向)用于諸如承受面內(nèi)載荷的平板或承受壓力或離心載荷的薄盤二維實體單元YXZ單元簡介

二維實體單元平面應(yīng)變

假定Z方向為零應(yīng)變用于Z向尺寸遠大于X及Y向尺寸的情況Z向應(yīng)力非零用于長、諸如結(jié)構(gòu)梁等截面形狀不變的結(jié)構(gòu)YXZ單元簡介

二維實體單元軸對稱

假定三維結(jié)構(gòu)及其荷載可由2維截面通過沿Y軸旋轉(zhuǎn)360°得到。對稱軸必須與總體Y軸重合負的X坐標不允許

Y方向為軸，X方向為徑向，Z方向為周向（環(huán)向）環(huán)向位移為零；環(huán)向應(yīng)變和應(yīng)力通常十分顯著用于壓力容器、直管、軸等單元簡介三維實體單元:用于幾何模型、材料、荷載或要求的結(jié)構(gòu)細節(jié)不能用簡化形式的單元模擬的情況。還用于幾何模型由三維CAD系統(tǒng)輸