第三章 模型建立具體步驟

1、3.1 ANSYS軟件介紹及轉向節(jié)有限元模型建立3.1.1 ANSYS的發(fā)展ANSYS公司是由美國匹茲堡大學力學系教授、有限元法權威、著名專家John Swanson 博士于1970年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于美國賓夕法尼亞匹茲堡市，目前是世界CAE行業(yè)最大的公司之一。經過30多年的發(fā)展，如今ANSYS軟件更加趨于完善，功能更加強大，使用也更加方便。3.1.2 ANSYS功能簡介軟件主要包括3個部分，前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體

2、動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。3.1.3 前處理模塊PREP7雙擊“實用”菜單中的Preprocessor，進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內容；實體建模和網絡劃分。（1）實體建模。ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為

3、基元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論實用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而雕塑出來一個實體模型。在創(chuàng)建復雜實體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾運算操作能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、延伸和復制實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動

4、、拷貝和刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。（2）網格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質量的對CAD模型進行網格劃分的功能。包括四種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸劃分可將一個二維網格延伸成一個三維網格。映像網格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。自適應網格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析

5、計算、估計網格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。3.1.4 求解模塊SOLUTION前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結果。單擊快捷工具區(qū)得SAVE_DB，將前處理模塊生成的模型存盤，推出Preprocessor，單節(jié)“使用”菜單項中的Solution，進行分析求解模塊。在該階段，用戶可以分析類型、分析選項、載荷和載荷步選項，然后開始有限元求解。ANSYS軟件提供的分析類型如下。（1）結構靜力分析。用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行

6、非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。（2）結構動力學分析。結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波分析及隨機振動響應分析。（3）結構非線性分析。結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性3種。（4）動力學分析。ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的累積影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，

7、并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。（5）熱分析。程序可處理熱傳遞的3種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的3種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和溶解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱機構耦合分析能力。（6）電磁場分析。主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分析、磁場線分布力、運動效應、電路和能量損失等，還可用于螺線管、調節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。（7）流體動力學。ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個

8、單元的流率，并且可以利用后處理功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。（8）聲場分析。程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應、研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。（9）壓電分析。用于分析二維或三維結構對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其他電子設備的結構動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分

9、析、瞬態(tài)響應分析。3.1.5 后處理模塊POST1和POST26ANSYS軟件的后處理過程包括兩個部分：通用后處理模塊POST1和時間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計算結果并對其進行顯示。這些結果可能包括位移、溫度、應力、應變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。（1）通用后處理模塊POST1。單擊“實用”菜單向項中的Gerneral Postproc選項即可進入通用后處理模塊。這個模塊對前面的分析結果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結果（如應力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色代表不同的值（如應力值）。濃淡圖則用

10、不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如應力范圍），清晰地反映了計算結果的區(qū)域分布情況。（2）時間歷程響應后處理模塊POST26。單擊“實用”菜單向項中的TimeHist Pstpro選項即可進入時間歷程響應后處理模塊。這個模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結果，如節(jié)點位移、應力或支反力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其他量變化的曲線，有助于形象化表示分析結果。另外，POST26還可以進行曲線的代數(shù)運算。3.1.6 高桿燈有限元模型的建立1定義工作文件名Utility MenuFileChang jobname,在彈出的Chang jobname對話框中輸入GGD,并選

11、擇New Log and error files 復選框，單擊OK按鈕。2定義工作標題Utility MenuFileChang Title,在彈出的Chang Title對話框中輸入static analysis of high-light，單擊OK按鈕。3創(chuàng)建圓柱體Main MenuPreprocessorModelingCreatVolumeBy Dimensions,輸入坐標值，如下圖所示： 4.調整視圖縮放工具條，點按圖中圖標，使視圖顯示便于建模的位置；如圖示：5.創(chuàng)建底部支撐桿模型。旋轉工作坐標系 Utility MenuWorkplaneOffset Wp by Increntm

12、ents,彈出對話框，輸入值.點擊OK。6.建立圓柱體橫桿：Main MenuPreprocessorModelingCreatVolumeBy Dimensions,輸入坐標值，如下圖所示：建立如圖示模型:7.旋轉工作坐標系，建立桿2使之與上部創(chuàng)建的桿1垂直：Utility MenuWorkplaneOffset Wp by Increntments，彈出對話框，輸入：點擊OK，完成工作坐標系的創(chuàng)建。8.建立另一橫桿：Main MenuPreprocessorModelingCreatVolumeBy Dimensions,輸入坐標值，如下圖所示：建立如下圖示模型：9.建立約束豎桿: Uti

13、lity MenuWorkplaneOffset Wp by Increntments，彈出對話框，輸入：點擊OK，即完成工作坐標系的移動。10.旋轉工作坐標系， Utility MenuWorkplaneOffset Wp by Increntments，彈出對話框，輸入：（0,0,90）點擊OK,完成工作坐標系的旋轉。11. 創(chuàng)建約束桿：Main MenuPreprocessorModelingCreatVolumeBy Dimensions,輸入坐標值，如下圖所示：點擊OK即可完成豎直約束桿的創(chuàng)建。如圖示：12.移動工作坐標系: Utility MenuWorkplaneOffset W

14、p by Increntments，彈出對話框，如圖示：點擊ok即可完成坐標系的移動。13. 創(chuàng)建約束桿：Main MenuPreprocessorModelingCreatVolumeBy Dimensions,輸入坐標值，如下圖所示：點擊OK即可完成豎直約束桿的創(chuàng)建。結果如圖示：14.重復1213步，完成另一橫桿兩端支撐的創(chuàng)建。結果如圖示：至此，完成了燈桿及其底部框架的模型建立。15.對實體進行布爾運算Main MenuPreprocessorOperateBooleansAddVolumes，Pick All完成實體布爾求和的操作。16. 保存幾何模型Utility MenuFileSa

15、ve as，彈出一個對話框，輸入GGD_Model, 單擊OK按鈕。3.2 前處理3.2.1 選擇解題類型1.ANSYS Main Menu > Preferences ，在彈出的ANSYS圖形交互界面對話框，選中Structural復選框（解題類型選擇為結構問題），點擊OK按鈕，如圖所示：3.2.2 定義單位在工具欄的輸入欄里輸入/units,Mpa,按確定鍵結束。3.2.3 定義單元類型Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,彈出Element Type對話框，單擊Add按鈕，又彈出 Library of Element Ty

16、pe 對話框，在選項中分別選擇 Structural Solid 和 Brick 8node 45，單擊Ok按鈕，單擊Element Type對話框上的close按鈕。 SOLID45單元說明: solid45單元用于構造三維實體結構.單元通過8個節(jié)點來定義,每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由度.單元具有塑性,蠕變,膨脹,應力強化,大變形和大應變能力。3.2.4 定義材料屬性對于分析的對象，在不同類型的分析中，需要給定材科的屬性，也就是給出材料的各種力學，電磁學等參數(shù)對于一般靜力學的分析，最基本的各向同性材料參數(shù)包括楊氏模量、泊松比、材料密度等通過材料模型屬性設置對話框進行設置通過對話框中

17、進行設置，可以建立各種線性、非線性的材料模型。選擇需要設置的材料類型后，雙擊鼠標按鍵，進一步設置材料的參數(shù)。則具體操作如下:Main MenuPreprocessorMaterial Modes,彈出 Define Material Mode Behavior 對話框，在Material Mode Available 下面的對話框中，雙擊打開 StructuralLinearElasticIsotropic，又彈出Linear Isotropic Properties for Material Number1對話框，在EX后面的輸入欄中輸入2e11，在PRXY后面的輸入欄中輸入0.3，單擊Ok

18、按鈕，然后單擊菜單欄上的MaterialExit，完成材料屬性的設置。3.2.5 劃分網格一個幾何模型僅僅表示了需要分析物體的幾何尺寸、形狀，若想實施進一步分析，還要通過劃分單元格才能進行有限元分析。劃分單元格時，不僅需要選擇劃分單元格的方法，還需要選擇劃分單元格的形狀、類型，同時還要根據(jù)分析精度，設定不同的單元格密度。劃分單元格的方法主要有映射、掃掠、混合網格劃分和自由網格劃分等方法。單元格類型主要有四面體單元格和六面體單元格。本文由于高桿燈燈桿和底部框架尺寸相差較大的緣故，忽略定義單元尺寸。在此采用了四面體自由網格劃分的方法，具體操作步驟如下：Main MenuPreprocessormeshingmeshtool，彈出meshtool對話框，選中Smart Size復選框，將最小控制尺寸調為10，其他采取默認項，單擊mesh按鈕，彈出mesh Volumes 對話框，單擊單擊Pick All按鈕。使用智能網格選項，可以方便地由程序自動分網，