第4講有限元二維建模單元材料

第四章幾何建模一、ANSYS中的模型分類1、幾何模型（也稱實體模型）即根據(jù)實物研究對象繪制出的，由關(guān)鍵點、線、面、體組成的幾何體，是實物的直接仿真模型。2、有限元模型幾何模型通過定義各種屬性，并進行網(wǎng)格劃分之后得到的可用于ANSYS計算的模型二、建模方法1、直接建模：直接在ANSYS中建立有限元模型，而不必先建幾何模型。先對結(jié)構(gòu)進行節(jié)點和單元編號，然后輸入節(jié)點坐標(biāo)建立節(jié)點，再輸入每個單元的節(jié)點編號，從而建立有限元模型。該方法缺點是大量輸入數(shù)據(jù)令人無法忍受，且對于復(fù)雜的3D實體靠人工去劃分網(wǎng)格極易出錯。2、幾何建模：在ANSYS軟件中建立模型和從其它CAD軟件導(dǎo)入模型。如建模軟件如AutoCAD、Pro/E、SolidWork、UG、SolidEdge等。3、混合建模：在幾何建模并網(wǎng)分后，再增加其它單元或特征的方法。該法基本是在有限元模型生成后，再建立少量的單元，例如接觸單元、約束方程、耦合自由度等。ANSYS中幾何模型等級由低向高依次為關(guān)鍵點、線、面和體（稱為幾何圖素或圖素）。幾何模型的創(chuàng)建，可采用自底向上或自頂向下的方法。所謂自底向上建模就是首先創(chuàng)建最低級的圖素---關(guān)鍵點，再通過關(guān)鍵點生成較高級的圖素（如線、面、體）。而自頂向下建模就是首先創(chuàng)建較高級的圖素（體或面），而自動生成較低級的圖素，通過體或面的組合得到較復(fù)雜的模型。在實際建模時，不必區(qū)分自底向上建模或是自頂向下建模，也不必按其順序建模，可以混合使用自底向上建模和自頂向下建模。例如某些情況下，通過創(chuàng)建關(guān)鍵點再創(chuàng)建面或體方便，而有些情況下可能直接建立體或面更方便，均視模型情況而定。2.1創(chuàng)建關(guān)鍵點2.1創(chuàng)建線倒角（LineFillet）倒角前輸入半徑倒角后2.1創(chuàng)建面2.1創(chuàng)建體三、模型操作對已經(jīng)建立的模型進行拉伸、布爾運算等操作拉伸布爾運算3.1拉伸操作Preprocessor/Modeling/Operate/Extrude/Areas/AboutAxis可以得到什么圖形？3.2布爾運算創(chuàng)建復(fù)雜的幾何模型，可運用布爾運算對模型進行加工和修改。無論是自頂向下建?；蚴亲缘紫蛏辖?chuàng)建的圖素都可進行布爾運算，通過簡單的幾何模型進行一系列布爾操作可創(chuàng)建復(fù)雜的模型，使得建模較為容易和快捷。對于包含退化的模型，有時布爾運算是無法完成的。對于已經(jīng)劃分網(wǎng)格的圖素不能進行布爾運算，在操作前應(yīng)清除網(wǎng)格，否則提示錯誤信息；同樣地，如果定義了荷載和單元屬性，在布爾運算后這些屬性不會轉(zhuǎn)換到新圖素上，需重新定義。布爾運算布爾交運算布爾加運算布爾減運算布爾粘接運算布爾分割運算布爾運算：交運算(Intersection)交運算是由圖素的共同部分形成一個新的圖素，其運算結(jié)果只保留兩個或多個圖素的重疊部分。交運算分為公共相交和兩兩相交兩種。公共相交就是僅保留所有圖素的重疊部分，即只生成一個圖素，當(dāng)圖素很多時可能不存在公共部分，這時布爾運算不能完成。兩兩相交是保留任意兩個圖素的公共部分，有可能生成很多圖素。公共交運算對圖素沒有級別要求，即任何級別的圖素都可作公共交運算，而不管其相交部分是何級別的圖素。例如線、面、體的兩兩與相互交運算都可；再如體的交運算中，其相交部分可以是關(guān)鍵點、線、面或體等。兩兩相交運算要求為同級圖素，但相交部分可為任何級別的圖素。例如只能作線與線、面與面、體與體的兩兩相交。交運算公共交運算兩兩交運算例如：四個圓面兩兩交運算例如：圓柱體與球體交運算布爾運算：加運算(Addition)加運算是由多個幾何圖素生成一個幾何圖素，而且該圖素是一整體即沒有“接縫”（內(nèi)部的低級圖素被刪除），當(dāng)然帶孔的面或體同樣可以進行加運算。加運算僅限于同級幾何圖素，而且相交部分最好與母體同級，但在低于母體一級時也可作加運算。如體與體的相加，其相交部分如為體或面，則加運算后為一個體；如相交部分為線，則運算后不能生成一個體，但可公用相交的線；如相交部分為關(guān)鍵點，同樣加運算后公用關(guān)鍵點，但體不是一個，不能作完全的加運算。如面與面相加，其相交部分如果面或線，則可完成加運算。如果相交部分為關(guān)鍵點，則可能生成的圖素會有異常，當(dāng)然一般情況下不會出現(xiàn)這種加運算。加運算操作界面例如：兩個圓面與一個矩形加運算布爾運算：減運算(Subtract)減運算就是“刪除”母體中一個或多個與子體重合的圖素。與加運算不同的是減運算可在不同級圖素間進行，但相交部分最多與母體相差一級；例如體體減運算時，其相交部分不能為線，為面或體均可完成運算。減運算結(jié)果的最高圖素與母體圖素相同。例如：新月形面例如：具有多邊形柱空心的球體布爾運算：分割運算(Partition)分割運算是將多個同級圖素分為更多的圖素，其相交邊界是共享的，即相互之間通過共享的相交邊界連接在一起。分割運算與加運算類似，但加運算是由幾個圖素生成一個圖素，分割運算是由幾個圖素生成更多的圖素，并且在搭接區(qū)域生成多個共享的邊界。分割運算生成多個相對簡單的區(qū)域，而加運算生成的是一個復(fù)雜的區(qū)域，因此分割運算生成的圖素更易劃分網(wǎng)格。分割運算不要求相交部分與母體同級，相差級別也無限制。例如體的相交部分如果為關(guān)鍵點，進行分割運算后，體則通過共享關(guān)鍵點連接起來。面的相交部分如果為線，則共享該線并將輸入面分為多個部分，分割運算容許不共面。分割前分割后布爾運算：粘接運算(Glue)把兩個或多個同級圖素粘在一起，在其接觸面上具有共享的邊界，也稱“合并”。粘接運算要求參加運算的圖素不能有與母體同級的相交圖素。例如體體粘接時，其相交部分不能為體，但可為面、線或關(guān)鍵點，即相交部分的圖素級別較母體低即可；面面粘接時，其相交部分只能為線或關(guān)鍵點，并且這些面必須共面。線線粘接時，其相交部分只能為線的端點，例如兩個不在端點相交的線是不能粘接的。粘接運算與加運算不同，加運算是將輸入圖算合為一個母體，而粘接運算后參與運算的母體個數(shù)不變，即母體不變但公共邊界是共享的。粘接運算在網(wǎng)格劃分中是非常有用的，即各個母體可分別有不同的物理和網(wǎng)格屬性，進而得到優(yōu)良的網(wǎng)格。也不是分割運算的逆運算，因為分割運算后圖素之間共享邊界，此時無需粘接運算。練習(xí)題：1、對該圖形進行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：2、對該圖形進行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：3、對該圖形進行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：4、練習(xí)題：5、對該圖形進行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：6、建立圖示軸承座幾何模型，尺寸自己給定練習(xí)題：7、練習(xí)題：8、殼實體梁對該圖形進行幾何建模，尺寸自己給定作業(yè)：將本次課課件當(dāng)中練習(xí)1、2、3進行幾何建模，要求：1、模型幾何尺寸根據(jù)自己的意愿來選取，但每個同學(xué)所建模型尺寸均不能相同。2、作業(yè)可在下周上機時間做，也可課下做，儲存格式為：姓名學(xué)號模型名稱.db。3、每人一個文件夾，課代表課下收齊電子版，下次理論課統(tǒng)一交上第四章幾何建模一、ANSYS中的模型分類1、幾何模型（也稱實體模型）即根據(jù)實物研究對象繪制出的，由關(guān)鍵點、線、面、體組成的幾何體，是實物的直接仿真模型。練習(xí)題：3、對該圖形進行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：6、建立圖示軸承座幾何模型，尺寸自己給定105建立矩形平面四個圓面：半徑0.3，位置（1,1）（1,4）（9,1）（9,4）布爾減運算拉伸alongnormal建立矩形塊建立關(guān)鍵點，并將坐標(biāo)系移至該點offsetwptokeypoint建立矩形繞矩形左側(cè)邊Aboutaxis旋轉(zhuǎn)剛建立的矩形布爾加運算所有實體創(chuàng)建關(guān)鍵點，并將該關(guān)鍵點與圓心連線將該線繞左端旋轉(zhuǎn)為圓面拉伸圓面為圓柱體布爾減運算將坐標(biāo)系移至原位創(chuàng)建關(guān)鍵點（3,4,1）、（3,4,5）、（3,0,1），將該三點連線、成面拉伸該面成實體筋板作業(yè)：例題6幾何建模第五章單元類型選擇一、結(jié)構(gòu)分類及仿真單元在結(jié)構(gòu)分析中，“結(jié)構(gòu)”一般指結(jié)構(gòu)分析的力學(xué)模型。按幾何特征和單元種類，結(jié)構(gòu)可分為桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)。桿系結(jié)構(gòu)：其桿件特征是一個方向的尺度遠大于其它兩個方向的尺度，例如長度遠大于截面高度和寬度的梁。單元類型有桿、梁和管單元（一般稱為線單元）板殼結(jié)構(gòu)：是一個方向的尺度遠小于其它兩個方向尺度的結(jié)構(gòu)，如平板結(jié)構(gòu)和殼結(jié)構(gòu)。單元為殼單元。實體結(jié)構(gòu)：則是指三個方向的尺度約為同量級的結(jié)構(gòu)，例如擋土墻、堤壩、基礎(chǔ)等。單元為3D實體單元和2D實體單元。桿系結(jié)構(gòu)：①當(dāng)構(gòu)件15>L/h≥4時，采用考慮剪切變形的梁單元。②當(dāng)構(gòu)件L/h≥15時,采用不考慮剪切變形的梁單元。③BEAM18X系列可不必考慮的上限，但在使用時必須達到一定程度的網(wǎng)格密度。對于薄壁桿件結(jié)構(gòu)，由于剪切變形影響很大，所以必須考慮剪切變形的影響。板殼結(jié)構(gòu)：當(dāng)L/h<5～8時為厚板，應(yīng)采用實體單元。當(dāng)5～8<L/h<80～100時為薄板，選2D體元或殼元。當(dāng)L/h>80～100時,采用薄膜單元。對于殼類結(jié)構(gòu)，一般R/h≥20為薄殼結(jié)構(gòu)，可選擇薄殼單元，否則選擇中厚殼單元。對于既非梁亦非板殼結(jié)構(gòu)，可選擇3D實體單元。二、選擇單元類型的原則★力學(xué)行為原則桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)劃分，分別采用與之力學(xué)行為相符的線單元、板殼單元和實體單元?！飭卧S數(shù)原則在保證一定精度的前提下，采用的單元維數(shù)越低越好。因此，建議優(yōu)先選擇梁桿單元，其次是板殼單元，最后是實體單元?！飭卧A數(shù)原則在保證計算精度的情況下，優(yōu)先選擇低階單元，但一般言，高階單元具有較好的計算結(jié)果。當(dāng)沒有足夠的經(jīng)驗時，建議采用高階單元以獲得較好的計算結(jié)果?！锝７奖阍瓌t當(dāng)確定了單元類型后，應(yīng)選擇該類單元建模方便者。例如對于梁單元，采用BEAM4、BEAM188/189均可行時，應(yīng)該選擇BEAM188/189單元。三、模型深度★桿系級：主要采用桿單元和梁單元建立模型，以便獲得結(jié)構(gòu)總體的力學(xué)行為。平面模型的計算結(jié)果可用于方案設(shè)計，空間模型的計算結(jié)果可用于技術(shù)設(shè)計?！锇鍤ぜ墸褐饕捎冒鍤卧蚺c桿梁單元結(jié)合建立模型，以便獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)行為。例如橋梁的主梁或主拱、主墩等可采用板殼單元模擬，其它構(gòu)件可采用桿梁單元模擬，以得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件較為精確的內(nèi)力和變形?！飳嶓w級：主要采用實體單元或與桿梁、板殼單元結(jié)合建立模型，以便獲得結(jié)構(gòu)細節(jié)或局部的力學(xué)行為。例如墩梁連接處、支承處、預(yù)應(yīng)力筋錨固端、斜拉索錨固區(qū)等應(yīng)采用實體單元模擬，其它部分可采用桿梁單元或板殼單元模擬。在實體級模型中，一般不全部采用實體單元，而是采用多種單元的組合進行模擬。四、單元舉例1、實體單元2、梁單元：構(gòu)架受力分析3、殼單元：廣告牌承受風(fēng)載荷

五、選取單元類型界面選擇單元類型添加、編輯、刪除單元類型添加單元類型編輯選項刪除單元類型桿單元梁單元管單元實體單元殼單元單元類型圖示單元類型圖示類別形狀和特性單元類型桿普通LINK1,LINK8雙線性LINK10梁普通BEAM3,BEAM4截面漸變BEAM54,BEAM44塑性BEAM23,BEAM24考慮剪切變形BEAM188,BEAM189結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中用到的單元類別形狀和特性單元類型管普通PIPE16，PIPE17，PIPE18浸入PIPE59塑性PIPE20，PIPE60二維實體三角形PLANE2四邊形PLANE42，PLANE82，PLANE182超彈性單元HYPER84，HYPER56，HYPER74粘彈性VISCO88大應(yīng)變VISO106，VISO108諧單元PLANE83，PLANE25P單元PLANE145，PLANE146類別形狀和特性單元類型三維實體塊SOLID45，SOLID95，SOLID73，SOLID185四面體SOLID92，SOLID72層SOLID46各向異性SOLID64，SOLID65超彈性單元HYPER86，HYPER58，HYPER158粘彈性VISO89大應(yīng)變VISO107P單元SOLID147，SOLID148殼四邊形SHELL93，SHELL63，SHELL41，SHELL43，SHELL181軸對稱SHELL51，SHELL61層SHELL91，SHELL99剪切板SHELL28P單元SHELL150類別形狀和特性單元類型接觸單元