ANSYS薄壁結(jié)構(gòu)模型處理技術(shù)

1、.ANSYS薄壁結(jié)構(gòu)模型處理技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中經(jīng)常使用三維CAD工具，如CATIA、Pro/E、SolidWorks、UG、SolidEdge等。在進行有限元分析時，可以把CAD模型直接導(dǎo)入ANSYS中進行分析。在對幾何模型劃分網(wǎng)格時，需要考慮采用哪種單元類型來進行模擬。對于幾何模型的厚度與短邊長度的比值小于0.1時，對承彎構(gòu)件需要采用殼單元。使用殼單元模擬薄的實體結(jié)構(gòu)，可以降低模型的規(guī)模，而且滿足精度要求。 把實體模型轉(zhuǎn)換成殼模型的傳統(tǒng)處理方法是通過刪除實體，保留所需要的面。對面之間的縫隙進行人工建面連接，在劃分網(wǎng)格時對殼進行偏置，使模型的幾何位置保持與原形一致。但該方法的處理工作量較大，

2、要彌補殼之間的縫隙，處理細節(jié)特征，并為變厚度殼的實常數(shù)賦值，因此需要采用新的技術(shù)來提高效率。 ANSYS提供了絕大部分的CAD接口。下面針對薄壁結(jié)構(gòu)，說明在讀入幾何模型后，如何快速地把CAD薄實體模型，處理成滿足有限元分析的殼模型。 1.抽取中面 ANSYS可以對薄實體進行抽中面，可以處理各種T型截面、變厚度、有小突臺等復(fù)雜特征的薄實體。自動抽中面的過程可以手動操作，而且可以對所有操作腳本化。在對類似結(jié)構(gòu)抽中面時可以直接讀入命令流，而避免重復(fù)操作。 對于T字形截面、凹槽，在抽取中面后會有縫隙，可以采用自動延伸功能消除縫隙。機翼工字型鋼如圖1（a）所示，抽完中面后，由于板是有厚度的，會在連接處出

3、現(xiàn)縫隙，如圖1（b）所示，可以采用自動延伸功能縫補縫隙，如圖1（c）所示。圖1 機翼工字型鋼抽中面圖 金屬模壓零件結(jié)構(gòu)的厚度是變化的，而且變化范圍通常較大，可以通過設(shè)定厚度范圍，然后抽取中面。如果各個構(gòu)件之間的厚度差別較大，可以分別抽中面。對局部的復(fù)雜特征，可以在剖面上創(chuàng)建線，使所抽面的位置在線上。抽完中面后，實體的厚度會直接賦給面作為實常數(shù)，而無需人工干預(yù)。上述做法可以大大減少給殼單元賦厚度的工作量。 2.幾何修改、編輯 自動搜索幾何拓撲關(guān)系，檢查幾何缺陷。方便地完成幾何修復(fù)，包括：拓撲重建、填充孔、清除孔、閉合縫隙、縫合裝配邊界、延伸面、劈分折疊面和面法向調(diào)整。下面舉例說明部分功能的應(yīng)用方

4、法。 實際的零件會有很多小孔、小倒角等細節(jié)特征，而且薄實體抽完中面后也存在邊沿線縫隙、層疊面等，可以通過設(shè)置容差進行幾何拓撲運算，把小的細節(jié)特征忽略掉。 對于復(fù)雜薄實體，可以通過特征探測功能，探測小的按鈕、突臺和倒角的位置，然后可以從模型中刪除這些小特征。 對于小孔，通過設(shè)置孔的直徑最大值和最小值，可以自動把在設(shè)置范圍內(nèi)的小孔補上。對于重迭面、近似面和小角面等也可以通過設(shè)置容差范圍來清除。 3.裝配連接 薄壁結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用焊點、焊縫和鉚接等連接方式。對于這幾種連接方式，在ANSYS中模擬時，需根據(jù)計算規(guī)模和計算目標(biāo)采用不同的方式。 （1）對于整體分析，如整架飛機的整體受力分析，由于計算規(guī)模非常大

5、，不考慮局部的連接方式，采用共節(jié)點自由度協(xié)調(diào)進行連接； （2）對于分段分析，如前機身的分析，如果焊點或鉚接之間的間距較大，就需要考慮連接方式對結(jié)構(gòu)受力的影響，需要采用焊縫模擬； （3）局部零件分析，此時需要把焊接和鉚接的連接方式，在模型中完整的體現(xiàn)出來。 對于分段分析和局部零件分析，ANSYS提供了多種方法建立焊點、焊縫和鉚接。 （1）焊點：通過連接兩個點直接創(chuàng)建焊點，而且焊點可以獨立于網(wǎng)格； （2）焊縫：通過選擇焊縫的邊線，直接設(shè)置焊縫上焊點的間距或焊點數(shù)生成焊縫。而且可以分別設(shè)置焊縫端部焊點與邊線端點的距離、邊沿線與焊縫的距離等來控制焊縫的位置； （3）通過讀入坐標(biāo)文件：對于大量的焊點，在

6、設(shè)計時有焊點坐標(biāo)文件。可以直接讀入焊點的坐標(biāo)文件，批量生成焊點。 4.網(wǎng)格劃分 忽略細節(jié)特征設(shè)置可以自動跨越幾何缺陷及多余的細小特征，生成滿意網(wǎng)格。一勞永逸的Replay技術(shù)可以自動對幾何尺寸改變后的幾何模型重劃分網(wǎng)格。 ANSYS提供了全四邊形、四邊形為主、只允許一個三角形和全三角形等多種網(wǎng)格控制方法、工具來提高網(wǎng)格質(zhì)量。ANSYS還具備大量的網(wǎng)格質(zhì)量診斷工具，對網(wǎng)格質(zhì)量進行評估，并采用不同的顏色表達質(zhì)量差異。此外，ANSYS還有多種光滑技術(shù)、自動網(wǎng)格修補工具、網(wǎng)格轉(zhuǎn)換和局部細化/粗化等方法。在劃分網(wǎng)格時，也可以設(shè)置容差，忽略小的結(jié)構(gòu)細節(jié)特征，如小孔、小碎面邊線等，以使單元更均勻，避免因為拓

7、撲結(jié)構(gòu)的原因局部過細。 針對薄壁構(gòu)件的特殊性，ANSYS的模型處理技術(shù)能夠快速地把CAD實體模型轉(zhuǎn)換成有限元殼模型。通過功能強大的模型處理技術(shù)，可以快速批量處理薄壁構(gòu)件。 模型簡化后進行網(wǎng)格劃分、施加載荷及約束，可以輸出到各種FEA求解器，包括ANSYS、CFX、LS-Dyna、ABAQUS和NASTRAN等。 說明：本信息在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中經(jīng)常使用三維CAD工具，如CATIA、Pro/E、SolidWorks、UG、SolidEdge等。在進行有限元分析時，可以把CAD模型直接導(dǎo)入ANSYS中進行分析。在對幾何模型劃分網(wǎng)格時，需要考慮采用哪種單元類型來進行模擬。對于幾何模型的厚度與短邊長度的比

8、值小于0.1時，對承彎構(gòu)件需要采用殼單元。使用殼單元模擬薄的實體結(jié)構(gòu)，可以降低模型的規(guī)模，而且滿足精度要求。 把實體模型轉(zhuǎn)換成殼模型的傳統(tǒng)處理方法是通過刪除實體，保留所需要的面。對面之間的縫隙進行人工建面連接，在劃分網(wǎng)格時對殼進行偏置，使模型的幾何位置保持與原形一致。但該方法的處理工作量較大，要彌補殼之間的縫隙，處理細節(jié)特征，并為變厚度殼的實常數(shù)賦值，因此需要采用新的技術(shù)來提高效率。 ANSYS提供了絕大部分的CAD接口。下面針對薄壁結(jié)構(gòu)，說明在讀入幾何模型后，如何快速地把CAD薄實體模型，處理成滿足有限元分析的殼模型。 1.抽取中面 ANSYS可以對薄實體進行抽中面，可以處理各種T型截面、變

9、厚度、有小突臺等復(fù)雜特征的薄實體。自動抽中面的過程可以手動操作，而且可以對所有操作腳本化。在對類似結(jié)構(gòu)抽中面時可以直接讀入命令流，而避免重復(fù)操作。 對于T字形截面、凹槽，在抽取中面后會有縫隙，可以采用自動延伸功能消除縫隙。機翼工字型鋼如圖1（a）所示，抽完中面后，由于板是有厚度的，會在連接處出現(xiàn)縫隙，如圖1（b）所示，可以采用自動延伸功能縫補縫隙，如圖1（c）所示。圖1 機翼工字型鋼抽中面圖 金屬模壓零件結(jié)構(gòu)的厚度是變化的，而且變化范圍通常較大，可以通過設(shè)定厚度范圍，然后抽取中面。如果各個構(gòu)件之間的厚度差別較大，可以分別抽中面。對局部的復(fù)雜特征，可以在剖面上創(chuàng)建線，使所抽面的位置在線上。抽完中

10、面后，實體的厚度會直接賦給面作為實常數(shù)，而無需人工干預(yù)。上述做法可以大大減少給殼單元賦厚度的工作量。 2.幾何修改、編輯 自動搜索幾何拓撲關(guān)系，檢查幾何缺陷。方便地完成幾何修復(fù)，包括：拓撲重建、填充孔、清除孔、閉合縫隙、縫合裝配邊界、延伸面、劈分折疊面和面法向調(diào)整。下面舉例說明部分功能的應(yīng)用方法。 實際的零件會有很多小孔、小倒角等細節(jié)特征，而且薄實體抽完中面后也存在邊沿線縫隙、層疊面等，可以通過設(shè)置容差進行幾何拓撲運算，把小的細節(jié)特征忽略掉。 對于復(fù)雜薄實體，可以通過特征探測功能，探測小的按鈕、突臺和倒角的位置，然后可以從模型中刪除這些小特征。 對于小孔，通過設(shè)置孔的直徑最大值和最小值，可以自

11、動把在設(shè)置范圍內(nèi)的小孔補上。對于重迭面、近似面和小角面等也可以通過設(shè)置容差范圍來清除。 3.裝配連接 薄壁結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用焊點、焊縫和鉚接等連接方式。對于這幾種連接方式，在ANSYS中模擬時，需根據(jù)計算規(guī)模和計算目標(biāo)采用不同的方式。 （1）對于整體分析，如整架飛機的整體受力分析，由于計算規(guī)模非常大，不考慮局部的連接方式，采用共節(jié)點自由度協(xié)調(diào)進行連接； （2）對于分段分析，如前機身的分析，如果焊點或鉚接之間的間距較大，就需要考慮連接方式對結(jié)構(gòu)受力的影響，需要采用焊縫模擬； （3）局部零件分析，此時需要把焊接和鉚接的連接方式，在模型中完整的體現(xiàn)出來。 對于分段分析和局部零件分析，ANSYS提供了多種方

12、法建立焊點、焊縫和鉚接。 （1）焊點：通過連接兩個點直接創(chuàng)建焊點，而且焊點可以獨立于網(wǎng)格； （2）焊縫：通過選擇焊縫的邊線，直接設(shè)置焊縫上焊點的間距或焊點數(shù)生成焊縫。而且可以分別設(shè)置焊縫端部焊點與邊線端點的距離、邊沿線與焊縫的距離等來控制焊縫的位置； （3）通過讀入坐標(biāo)文件：對于大量的焊點，在設(shè)計時有焊點坐標(biāo)文件?？梢灾苯幼x入焊點的坐標(biāo)文件，批量生成焊點。 4.網(wǎng)格劃分 忽略細節(jié)特征設(shè)置可以自動跨越幾何缺陷及多余的細小特征，生成滿意網(wǎng)格。一勞永逸的Replay技術(shù)可以自動對幾何尺寸改變后的幾何模型重劃分網(wǎng)格。 ANSYS提供了全四邊形、四邊形為主、只允許一個三角形和全三角形等多種網(wǎng)格控制方法、工具來提高網(wǎng)格質(zhì)量。ANSYS還具備大量的網(wǎng)格質(zhì)量診斷工具，對網(wǎng)格質(zhì)量進行評估，并采用不同的顏色表達質(zhì)量差異。此外，ANSYS還有多種光滑技術(shù)、自動網(wǎng)格修補工具、網(wǎng)格轉(zhuǎn)換和局部細化/粗化等方法。在劃分網(wǎng)格時，也可以設(shè)置容