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1、有限元基础及ANSYS软件,郭世伟,第四章 ANSYS实体模型的建立,有限元基础及ANSYS软件 郭世伟第四章 ANSYS实,一、ANSYS有限元模型的建立方法 ANSYS使用的模型分两类：有限元模型与实体模型。有限元模型由节点和单元构成，专供有限元分析计算用的模型。实体模型表达结构的几何形状，不参与有限元分析，施加其上的载荷与约束需要传递到有限元模型（节点与单元）上才可进行有限元分析。 以前所做的为直接建立有限元模型，模型中没有实体（点、线、面）出现。该方法直接创建节点与单元，可实现对每个节点、单元的编号完全控制，适于小型或简单结构的分析，所需机时少。但对于大型复杂结构（尤其是3D实体结构）
2、需要处理大量数据，网格修改困难，不能网格自适应划分与优化设计，效率低且易出错。 实体建模：先创建由关键点、线段、面与体构成的几何模型，再由ANSYS自行进行网格划分，生成节点与单元，建立有限元模型。,一、ANSYS有限元模型的建立方法,也可直接输入在计算机辅助设计系统（CAD）中创建的实体模型与有限元模型。ANSYS软件提供有与这些软件间的导入导出接口。 ANSYS的实体建模方法又有两种：自底向上，自顶向下。前者从最低级的图元向上构造模型；后者先定义最高级图元（基元，程序自动定义了相关的面、线、关键点），再由它们直接构造几何模型，有布尔操作等可“雕塑”与“粘接”出实体模型。也可采用混合法两种方
3、法混合使用，依个人经验而定，无一定的准则。,也可直接输入在计算机辅助设计系统（CAD）中创,（一）自底向上建模先创建关键点，再创建出相关的线、面、体等高级图元。许多命令与直接建模法中对象（节点、单元）的命令相似。所以可用如下群组的方式介绍之。,1、定义关键点：K注意：关键点与节点的区别2、线定义线：L3、面定义面A,AL4、体,（一）自底向上建模1、定义关键点：K,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,（二）自顶向下建模一开始从较高级的实体图元构造模型。ANSYS在生成一种体素时会自动生成所有的从属于该体素的较低级的图元，其对应号码由系统自动生成。 1、面体素的生成 基本面体素有：矩形
4、面、圆形面、圆环面、多边形面等 2、3D体素的生成 基本的体体素有：块体、圆柱体、棱柱体、球体、圆台、环体等。（三）网格划分 实体模型必须经网格划分成为有限元模型后，才能进行有限元分析求解。网格划分过程有三个步骤：定义单元类型，定义网格生成控制，生成网格。 自由网格，对应网格,（二）自顶向下建模,实例：连杆结构示意图如下，图中长度单位为mm，壁厚50mm。采用自底向上的建模方法建立其几何模型并划分网格。单元选为SOLID185。,实例：连杆结构示意图如下，图中长度单位为mm，壁,例1,例1,/UNITS,SI/PREP7 K,1,0,0 CIRCLE,1,15 K,6,0,35CIRCLE,6
5、,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,-21,LDEL,8 LDEL,17 LDEL,11 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,21,1
6、9,22,/UNITS,SILDEL,8,例2,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,100,62.5 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
7、,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,5,15L,8,12A,2,15,20,10,9,11,4,1AL,15,5,6,14,12AL,14,23,13,17,7FINISH,/UNITS,SI L,10,17,命令说明：删除线段：LDEL,N圆弧段的生成：CIRCLE,PCENT,RAD
8、,PAXIS,PZERO,ARC,NSEGPCENT为圆心点号，RAD为半径，ARC为圆弧角度，NSEG为圆弧分段数LARC,P1,P2,PC,RAD定义两点P1,P2间的圆弧段，半径为RAD，PC表示曲率中心部分的一点。产生的点与圆弧段号码自动生成。LANG,NL1,P3,ANG产生新线段，过P3并与已知线NL1夹角为ANG。,命令说明：,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,L2ANG,NL1,NL2,ANG1,ANG2建立新线段，与已知线NL1夹角为ANG1, 与已知线NL2夹角为ANG2,LTAN,NL1,P3,产生新线段，过P3并与NL1相切。L2TAN,NL1,NL2产生新
9、线段，与两已知线NL1、NL2相切。LCOMB,NL1,NL2,KEEP把两条线NL1和NL2合并为一条线，KEEP=0,1,L2ANG,NL1,NL2,ANG1,ANG2,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,面元的生成：A,P1,P2,P3,AL,L1,L2,L3,面元的生成：,二、网格化1、网格的分类网格分为自由网格和对应网格。自由网格对实体模型限制较少，建模简单容易。单元排列无规律，且单元可能有退化，如有2-D四边形平面单元（PLANE42）退化成三角形单元完成网格化，使2-D结构以四边形和三角形的混合方式进行，3-D六面体（SOLID45）可退化为三角锥单元方式进行网格化。对
10、应网格的实体模型建模复杂，限制较多。单元排列有规律，无单元形状的退化。对于2-D弹性平面四边形结构，要求相对应边的单元数目相等，对于2-D弹性平面三角形结构，要求三边单元数相等且为偶数。,二、网格化,（a）、（c）为对应网格，（b）、（d）为自由网格,（a）、（c）为对应网格，（b）、（d）为自由网格,究竟选择哪种网格化方法无统一标准，需根据结构的受力、边界情况和分析要求而定。两种网格化方法也可混合使用，能对应网格化的部分先做对应网格化，再使不能对应网格化的部分进行自由网格化。另外，当实体模型无法进行对应网格化时，程序会自动地用自由网格化。网格可决定实体模型的建立，所以在实体建模时，需先规划网
11、格化，不违背其规则。,究竟选择哪种网格化方法无统一标准，需根据结构的受力、边界情,（a）对边单元数相同的对应网格（b）对边单元数相同的自由网格（c）对边单元数相同但单元长度不同的对应网格（d）对边单元数相同但单元长度不同的自由网格,（a）,（d）,（c）,（b）,（a）对边单元数相同的对应网格（a）（d）（c）（b）,（e）、（f）对边单元数不同，单元形状不同的自由网格,（e）,（f）,三角形面积的对应网格,（e）、（f）对边单元数不同，单元形状不同的自由网格（e,2、单元网格的生成步骤实体模型建立后，要经过网格化后才能生成为有限元模型。需经三个步骤：（1）建立、选取单元资料。所谓的资料包括：
12、单元类型（TYPE）；单元几何常数(R)；单元的材料性质(MP)；以及单元形成时所在的坐标系。在实体建模前声明。（2）设立网格建立所需的参数。这里的参数包括物体边界（即线段）单元的大小与数目，这决定着网格的大小和形状，影响着分析的正确性和经济性。可在线段建立后或实体建模完成后声明，或建模-网格化-建模-网格化逐步声明。（3）产生网格。即可建立有限元模型。如不满意网格化的结果，还可清除已网格化的内容，重新定义单元大小和数目，再做网格化，直至满意为止。,2、单元网格的生成步骤,网格生成的一般流程：,网格生成的一般流程：,3、基本命令（1）网格单元属性的定义 声明X对象网格化后的单元属性： XTAA
13、，MAT，REAL，TYPE，ESYS X代表对象名称。MAT，REAL，TYPE分别为前面定义过的单元材料、几何常数、单元类型的号码。这一条命令相当于将原来的三个命令（MAT，REAL，TYPE）合并为一个命令。 ESYS为建立单元所在坐标系号码。,3、基本命令,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,（2）单元形状大小的定义单元大小基本上在线段上定义，可用线段长度或线段数目来划分，大多用于对应网格化中，而对于自由网格化，程序可自设线段单元的数目和大小。有默认的划分尺寸大小可用。 声明网格类型 MSHKEY，KEYKEY=0（系统默认）时，自由网格化；KEY=1时，对于网格化；KEY=
14、2时，自由网格及对应网格混合，适于2-D实体模型。 声明网格单元形状 MSHAPE，KEY，Dimension Dimension=2D时，KEY=0为四边形，KEY=1全为三角形； Dimension=3D时，KEY=0为六面体，KEY=1全为三角锥； KEY=1时，即使对应网格，也强行为三角形或三角锥。,（2）单元形状大小的定义, LESIZE,NL1,SIZE,ANGSIZ,NDIV,SPACE,定义所选线段（NL1）进行单元网格化时单元的大小。可用线段长度（SIZE）或该线段要划分的单元数目（NDIV）来确定。SPACE为间距比。NL1=ALL表示目前的所有线段。 ESIZE,SIZE
15、,NDIV对目前所有线段（不含LESIZE,KESIZE所定义的线段）定义单元网格化时单元的大小，可用单元的边长（SIZE）或单元要分成的单元数目（NDIV）来确定。, LESIZE,NL1,SIZE,ANGSIZ,NDIV,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,（3）网格的生成单元属性和网格参数定义后，便可对实体模型进行网格化。线单元由线段网格生成，平面单元由面积网格生成，立体单元由体积网格生成。 对线进行网格化：LMESH,NL1,NL2,NINC对一组（NL1,NL2,NINC）线（Lines）进行网格化（MESH），并生成节点和单元
16、。NL1=ALL时，表示网格化当前所有线段，而NL2、NINC可省略掉。 对面积进行网格化：AMESH,NA1,NA2,NINC对一组（NA1,NA2,NINC）面积（Areas）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。NA1=ALL时，表示网格化当前所有面积，而NA2、NINC可省略掉。,（3）网格的生成, 对体积进行网格化：VMESH,NV1,NV2,NINC对一组（NV1,NV2,NINC）体积（Volume）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。NV1=ALL时，表示网格化当前所有体积，而NV2、NINC可省略掉。 对线段网格化后的清除：LCLEAR,NL1,NL2,NINC对网
17、格化后的一组（NL1,NL2,NINC）线（Lines）上的节点和单元清除（CLEAR），同时删除掉其号码。 对面积网格化后的清除：ACLEAR,NA1,NA2,NINC对网格化后的一组（NA1,NA2,NINC）面积（Areas）上的节点和单元清除（CLEAR），同时删除掉其号码。 对体积网格化后的清除：VCLEAR,NV1,NV2,NINC对网格化后的一组（NV1,NV2,NINC）线（Volume）上的节点和单元清除（CLEAR），同时删除掉其号码。, 对体积进行网格化：VMESH,NV1,NV2,NINC,4、例题（1）梁结构单元的划分：/PREP7 /UNITS,SI ET,1,BE
18、AM3 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,与直接建模方法做比较,4、例题与直接建模方法做比较,（2）平板结构/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,4,3,MSHKEY,1AATT,1,1,1,0AMESH,1 WPOFFS,17 PCIRC,6,10,0,90
19、LESIZE,5,5LESIZE,6,2CSYS,1 AMESH,2,（2）平板结构MSHKEY,1,（3）体结构/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,（3）体结构,（4）网格划分的实例,（4）网格划分的实例,/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,6,1
20、0,30 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,/PR
21、EP7 CSYS,0 RESUME,RESUME MSHAPE,1SMRTSIZE,6 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1SMRTSIZE,8 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1SMRTSIZE,1 AMESH,ALL RESUME LESIZE,1,6,6 LESIZE,2,6,3 LESIZE,3,5LESIZE,4,5,2,SAVEESIZE,4AMESH,ALL ACLEAR,ALL ESIZE,7AMESH,ALL RESUME LESIZE,5,5AMESH,ALL RESUME ET,1,PLANE2ET,2,PLANE82ESIZE,4AMESH,1 AATT,2AMESH,2,RESUME SAVE,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,
