第三章 實(shí)體建模

第三章實(shí)體建模

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

間接法基本建模過(guò)程實(shí)體建?；驹煨停宏P(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體布爾運(yùn)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(diǎn)和單元，因此直接法只適應(yīng)于簡(jiǎn)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(diǎn)及單元數(shù)目較多的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該方法通過(guò)點(diǎn)、線、面、體，先建立實(shí)體模型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以完成有限元模型的建立。2坐標(biāo)系統(tǒng)及工作平面

總體坐標(biāo)系－總體笛卡爾坐標(biāo)系－總體柱坐標(biāo)系－總體球坐標(biāo)系

局部坐標(biāo)系－局部笛卡爾坐標(biāo)系－局部柱坐標(biāo)系－局部球坐標(biāo)系

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

CSYS

命令(或

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

2.4激活坐標(biāo)系2.5工作平面工作平面

—是一個(gè)可以移動(dòng)的二維參考平面，用于定位和確定體素的方向。缺省時(shí)，工作平面的原點(diǎn)與總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，但可以將它移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)到任意想要的位置通過(guò)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(biāo)捕捉的最近的柵格點(diǎn)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(dòng)到任意想要的位置。OffsetWPbyIncrements…利用推動(dòng)按鈕（連同滑塊的增量）進(jìn)行平移；或鍵入增量；或使用動(dòng)態(tài)模式(類似于pan-zoom-rotate).2.5工作平面OffsetWPto>

移動(dòng)工作平面，保持它當(dāng)前的方向到想要的位置，位置可以是：已有的關(guān)鍵點(diǎn)。拾取多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)移動(dòng)工作平面到它們的平均位置。已有的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置總體坐標(biāo)原點(diǎn)激活坐標(biāo)系的原點(diǎn)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：第一個(gè)定義原點(diǎn)，第二個(gè)定義X軸，另一個(gè)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(diǎn)）,點(diǎn)擊AlignWPwith>GlobalCartesian.練習(xí)：3實(shí)體建模A.定義B.自頂向下建模體素工作平面布爾運(yùn)算C.自底向上建模關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)系線,面,體操作3實(shí)體建模實(shí)體建模

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

關(guān)鍵點(diǎn)線面體。

不能刪除包含更高級(jí)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(shí)體模型。體面線和關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)線面體3實(shí)體建模生成實(shí)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(jí)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(shí)體建模從下到上建模：從建立關(guān)鍵點(diǎn)開始，逐步建立高級(jí)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(xì)地討論兩種方法3實(shí)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(yùn)算當(dāng)生成二維體素時(shí)，ANSYS定義一個(gè)面及其所包含的線和關(guān)鍵點(diǎn)當(dāng)生成三維體素時(shí)，ANSYS定義一個(gè)體及其所包含的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。3實(shí)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(shí)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(gè)倒角半徑0.252個(gè)圓弧半徑0.43實(shí)體建模從上到下建模

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

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

從上到下建模

3.1.3布爾運(yùn)算加（Add）將兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體合成一個(gè)實(shí)體。布爾加3實(shí)體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運(yùn)算相減（Subtract）將輸入實(shí)體的一個(gè)或多個(gè)搭接的部分去掉對(duì)生成孔或修剪實(shí)體十分有用布爾減3實(shí)體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運(yùn)算粘接（Glue）將兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體粘接起來(lái)，在它們之間形成一個(gè)公共的邊界。當(dāng)希望保持兩個(gè)實(shí)體的區(qū)別時(shí)很有用(例如不同的材料)粘接3實(shí)體建模

從上到下建模

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

從上到下建模

3.1.3布爾運(yùn)算切分（Divide）將實(shí)體切為兩個(gè)或多個(gè)，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(duì)將復(fù)雜的體切分為簡(jiǎn)單的體以進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格劃分十分有用。切分3實(shí)體建模

從上到下建模

3.1.3布爾運(yùn)算相交（Intersect）只保留兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體的重疊部分如果有兩個(gè)以上的輸入實(shí)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(shí)體的公共重疊部分兩兩相交找出每一對(duì)實(shí)體的重疊區(qū)域，可能產(chǎn)生一個(gè)以上的輸出實(shí)體公共相交兩兩相交3實(shí)體建模

從上到下建模

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

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

3.2從下至上建模3實(shí)體建模

從下到上建模

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

K,KFILL,KNODE,etc.生成關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)僅需關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)和坐標(biāo)位置

關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)缺省為下一個(gè)可用的號(hào)碼。坐標(biāo)位置可用通過(guò)在工作平面上拾取或鍵入X,Y,Z值。

X,Y,Z值依賴于當(dāng)前激活的坐標(biāo)系。3實(shí)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(shí)，ANSYS會(huì)自動(dòng)生成任何未定義的線，其曲率由激活的坐標(biāo)系決定。生成線必須有關(guān)鍵點(diǎn)可用。3實(shí)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(diǎn)或線；如果定義體，ANSYS將自動(dòng)生成任何未定義的面和線，曲率由激活的坐標(biāo)系決定。3實(shí)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(diǎn)或線或面3實(shí)體建模其它操作布爾操作對(duì)由上到下和由下到上建模方法生成的實(shí)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(dòng)Move/modify

拷貝Copy

反射Reflect

合并Merge

倒角Fillet3實(shí)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(diǎn)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(guò)法向偏移面生成體[VOFFST]通過(guò)XYZ偏移

—

通過(guò)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(guò)沿著軸（兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)定義）旋轉(zhuǎn)面生成體[VROTAT]沿著線—

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

Rotate-30°

3實(shí)體建模其它操作

拷貝（Copy）產(chǎn)生一個(gè)實(shí)體的多個(gè)備份；對(duì)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(biāo)系下；用于生成多個(gè)孔、肋或突起。在局部柱坐標(biāo)系下的拷貝通過(guò)蒙皮生成外表面3實(shí)體建模其它操作

反射（Reflect）沿一個(gè)平面鏡像實(shí)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(dá)為激活坐標(biāo)系下的方向，且激活的坐標(biāo)系必須為笛卡爾坐標(biāo)系。3實(shí)體建模

其它操作

合并（Merge）（NumberingCtrls>MergeItems>Keypoints）通過(guò)合并重合的關(guān)鍵點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)等，將兩個(gè)實(shí)體貼上；－合并關(guān)鍵點(diǎn)將會(huì)自動(dòng)合并重合的高級(jí)實(shí)體。通常在反射、拷貝、或其它操作引起重合的實(shí)體時(shí)需要合并。需要合并或粘接反射3實(shí)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(gè)公共點(diǎn)；如果公共關(guān)鍵點(diǎn)不存在，首先進(jìn)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(kù)，共有近200種不同類型的單元。4ANSYS單元庫(kù)單元分類按單元維數(shù)分為：一維單元

如：桿單元、梁?jiǎn)卧?、彈簧單元二維單元

如：面單元、殼單元三維單元

如：實(shí)體單元點(diǎn)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(chǎng)單元網(wǎng)格劃分輔助單元單元簡(jiǎn)介

點(diǎn)單元

質(zhì)量單元MASS21

線單元

梁?jiǎn)卧?/p>

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(xì)長(zhǎng)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(xì)長(zhǎng)部件或通過(guò) 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(lái)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(jiǎn)介

二維實(shí)體單元:

用于模擬實(shí)體的橫截面必須在總體笛卡爾坐標(biāo)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(duì)稱YXZ單元簡(jiǎn)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(shí)體單元YXZ單元簡(jiǎn)介

二維實(shí)體單元平面應(yīng)變

假定Z方向?yàn)榱銘?yīng)變用于Z向尺寸遠(yuǎn)大于X及Y向尺寸的情況Z向應(yīng)力非零用于長(zhǎng)、諸如結(jié)構(gòu)梁等截面形狀不變的結(jié)構(gòu)YXZ單元簡(jiǎn)介

二維實(shí)體單元軸對(duì)稱

假定三維結(jié)構(gòu)及其荷載可由2維截面通過(guò)沿Y軸旋轉(zhuǎn)360°得到。對(duì)稱軸必須與總體Y軸重合負(fù)的X坐標(biāo)不允許

Y方向?yàn)檩S，X方向?yàn)閺较?，Z方向?yàn)橹芟颍ōh(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(jiǎn)介三維實(shí)體單元:用于幾何模型、材料、荷載或要求的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)不能用簡(jiǎn)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