第四章 建立有限元模型

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1、第四章建立有限元模型 本章主要内容 概述单元属性多种单元属性控制网格密度生成网格 改变网格映射网格划分过渡单元网格拖拉扫掠网格 网格划分是用节点 单元填充实体模型 建立有限元模型的过程 请记住 有限元求解时需要有限元模型 而不是实体模型 实体模型不参与有限元求解 概述 网格划分有三个步骤 定义单元属性指定网格控制生成网格单元属性是网格划分前必须指定的有限元模型的特性 包括 单元类型实常数材料特性 单元属性 单元类型单元类型是一个重要选项 它决定如下单元特性 自由度 DOF 设置 例如 热单元类型有一个自由度 TEMP 而一个结构单元可能有六个自由度 UX UY UZ ROTX ROTY ROT

2、Z 单元形状 六面体 四面体 四边形 三角形等 单元维数 2 D 只有X Y平面 或3 D 假设的位移函数 线性及二次函数 ANSYS有一个超过150种单元的单元库供用户选择 单元属性 二维实体单元 用于模拟实体的截面 必须在整体直角坐标系X Y平面内建立模型 所有荷载作用在X Y平面内 其响应 位移 也在X Y平面内 单元特性可能是下边的一种 平面应力平面应变广义平面应变轴对称轴对称简谐 单元属性 三维实体单元 用于几何属性 材料属性 荷载或分析要求考虑细节 而无法采用更简单的单元进行建模的结构 也用于从三维CAD系统转化而来的几何模型 而这些几何模型转化成二维模型或壳体会花费大量的时间和精

3、力 单元属性 一旦选择了单元类型 就选择了相应单元类型的形函数 所以选择单元类型之前 应查看相关单元的形函数信息 典型的 线性单元只有角节点 而二次单元还有中间节点 单元属性 定义单元类型 Preprocessor ElementType Add Edit Delete Add 添加新单元类型选择想要的类型并按OK Options 指定附加单元选项 单元属性 实常数和截面特性实常数用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何参数 例如 梁单元是由连接两个节点的线定义的 这只定义了梁长度 要指明梁的横截面属性 如面积 惯性矩就要用实常数 壳单元是由四边形和三角形来定义的 这只定义了壳的表面 要指

4、明壳的厚度 必须用实常数 多数三维实常数单元不需要实常数 因为单元几何模型已经由节点完全确定了 单元属性 定义实常数 MainMenu Preprocessor RealConstants Add 增加一种新的实常数设置 如果定义了多个单元类型 首先选择实常数的单元类型 然后输入实常数值 单元属性 材料1 混凝土材料2 钢 实常数1 3 8 厚度实常数2 梁单元特性实常数3 1 8 厚度 类型1 壳单元类型2 梁单元 材料特性每一分析都需要输入一些材料特性 结构单元所需的杨氏模量 热单元所需的热传导系数KXX等 许多FEA模型有多种单元属性 例如 下图所示的筒仓有两种单元类型 三种实常数和两种

5、材料 多种单元属性 模型中有多种单元类型 实常数和材料 必须确保给每个单元指定合适的特性 如果没有指定属性 ANSYS将MAT 1 TYPE 1 及REAL 1作为模型中所有单元的缺省设置 经验 在同一部分 将单元类型编号 实常数编号 材料编号以及截面编号设置相同的数字 多种单元属性 为实体模型指定单元属性定义全部所需的单元类型 材料和实常数 然后使用网格工具的 单元属性 菜单选项 MainMenu Preprocessor MeshTool 选择实体类型后按SET按钮 拾取要指定属性的实体 设置合适的属性 划分实体网格时 属性将自动换到单元上 多种单元属性 修改单元属性定义所有需要的单元类型

6、 材料和实常数 激活需要的TYPE REAL 及MAT设置的组合 MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes DefaultAttribs只修改使用上述设置的单元的属性 选择MainMenu Preprocessor Modeling Move Modify Elements ModifyAttrib拾取需要的单元 在后续对话框中将属性设置为 Alltocurrent 多种单元属性 请记住 可以激活属性编号 校核单元属性 UtilityMenu PlotCtrls Numbering 多种单元属性 网格密度有限单元法的基本原则是 单元数 网格密度

7、越多 所得的解越逼近真实值 然而 随单元数目增加 求解时间和所需计算机资源急剧增加 有限元分析的目标 决定下边的滑键应该如何移动 控制网格密度 ANSYS提供了多种控制网格密度的工具 既可以总体控制也可以局部控制 总体控制智能网格划分总体单元尺寸缺省尺寸局部控制关键点控制线尺寸面尺寸 控制网格密度 智能网格划分通过指定所有线上的份数决定单元尺寸 可以考虑线的曲率 孔的逼近程度和其他特征 以及单元阶次 智能网格的缺省设置是关闭 在自由网格划分时 建议采用智能网格划分 控制网格密度 使用智能网格划分 激活MeshTool MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool

8、 打开智能网格划分设置所要的等级单元尺寸 等级从1 精细 到10 粗糙 缺省为6级 对所有实体 或所有面 一次性划分网格 控制网格密度 这是使用SmartSize不同等级分别进行四面体网格划分的例子 控制网格密度 总体单元尺寸允许为整个模型指定最大单元边长 或每条线的份数 MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool选择 SizeControls Global 和 Set 输入单元平均边长或每条线的份数 控制网格密度 总体单元尺寸可单独使用或与智能网格划分联合使用 关闭SmartSizing 单独使用 将采用相同的单元尺寸对体 或面 进行网格划分 在智能网格划分

9、打开时 ESIZE充当引导 但为适应线的曲率或几何近似 指定的尺寸可能无效 缺省尺寸如果不指定任何控制 ANSYS将用缺省尺寸 它将根据单元阶次指定线的最小和最大份数 高宽比等 控制网格密度 关键点尺寸在关键点处控制单元尺寸 MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool选择 SizeControls Keypt 和 Set 对应力集中区域非常有用 智能网格划分时 为适应线的曲率或几何近似 指定的尺寸可能无效 控制网格密度 线尺寸在线上控制尺寸 MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool选择 SizeControls Lines

10、和 Set 可以指定边长比例 最后一个分割和第一个分割的比率 使网格数偏向中间或一边 控制网格密度 面尺寸在面的内部控制单元尺寸 MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool选择 SizeControls Areas 和 Set 不同的面可以有不同的AESIZE 边界线仅在未指定LESIZE或KESIZE且临近处无更小的面时 采用指定尺寸 智能网格划分打开时 为适应线的曲率或几何近似 指定的尺寸可能无效 控制网格密度 生成网格 这是网格划分的最后一步 先存储数据库 然后在MeshTool工具中按 Mesh 按钮 生成网格 如果对划分的网格不满意 可以通过以下步骤

11、重新划分网格 清除网格 Clear操作是mesh的逆操作 该操作删除节点和单元在MeshTool上按 Clear 按钮指定新的或不同的网格控制 重新划分网格 改变网格 另一个网格划分选项 是在指定的区域细化网格 对所有面单元和四面体单元有效 最简单的方法是使用先存储数据库 选择要细化的区域 节点 单元 关键点 线或面 按Refine按钮 细化网格 MeshTool 拾取要细化的实体 最后选择细化的尺寸级别 级别1最细 细化网格 原始网格 期望细划的区域 细划后网格 细化网格 有两种主要的网格划分方法 自由网格划分和映射网格划分 自由网格无单元形状限制 网格不遵循任何模式 适用于复杂形状的面和体

12、结构 映射网格划分 映射网格面单元限制为四边形 体单元限制为六面体 方块 通常有规则的形状 单元明显成行 仅适用于规则的面和体 如矩形和方块 映射网格划分 自由网格易于生成 不用将复杂形状的体分解为规则形状的体 体单元包含四面体单元 致使单元数量较多 仅高阶10节点四面体单元较好 因此自由度数目可能很多 映射网格包含较少单元数量 低阶单元也可能得到满意的结果 因此自由度数目较少 面和体必须形状规则 划分网格必须满足一定的规则 尤其对形状复杂的体 映射网格很难实现 映射网格划分 生成自由网格自由网格是面和体划分的缺省设置 生成自由网格比较容易 导出MeshTool 将划分方式设置为自由划分 推荐

13、用智能网格激活后指定一个尺寸级别进行自由网格划分 存储数据库 然后按Mesh按钮划分网格 按拾取框中的 PickAll 选择所有实体 推荐使用 映射网格划分 生成映射网格由于面和体必须满足一定的要求 生成映射网格不如生成自由网格容易 面必须包含3条或4条线 三角形或四边形 体必须包含4 5或6个面 四面体 三棱柱或六面体 对边的单元分割数必须匹配 映射网格划分 对三角形或四面体单元分割数必须为偶数 映射网格划分 保证规则的形状在许多情况下 模型的几何形状有多于4条边的面 有多于6个面的体 为了把它们转换成规则的形状 可以作如下操作 把面 或体 切割成小的简单的形状 连接两条或多条线 或面 以减

14、少总的边数 映射网格划分 切割可以通过布尔运算实现 可以用工作平面 面或线作为切割工具 有时生成一条新的线或面 比移动或旋转工作平面的方向容易得多 映射网格划分 连接建立一条新线 就是通过连接两条或多条线以减少构成面的线数 连接线使用MainMenu Preprocessor Meshing Concatenate Lines 然后拾取线 连接面使用MainMenu Preprocessor Meshing Concatenate Areas 然后拾取面 映射网格划分 连接时注意 它仅仅是一个网格划分操作 因而应该是所有实体建模之后网格划分之前的最后一步 因为连接操作得到的实体不能在后续的实体

15、建模操作中使用 可以删除产生的线或面取消连接 映射网格划分 指定尺寸和形状控制在MeshTool中 面网格划分选择Quad 体网格划分选择Hex 然后点击Map 映射网格划分 通常采用的尺寸控制和级别如下 线尺寸 LESIZE 级别较高 若指定总体单元尺寸 将用于未给定尺寸的线 缺省单元尺寸 DESIZE 仅在未指定ESIZE时用于未给定尺寸的线 智能网格划分无效 映射网格划分 如果指定线分割数 切记 对边分割数必须匹配 只需指定一边的分割数 映射网格划分自动把分割数传送到对边 如果模型中有连接线 只能在原始 输入 线上指定分割数 不能在合成线上指定分割数 在原始线上指定6份分割 此线自动按1

16、2份分割 合成线的对边 映射网格划分 生成映射网格只要保证规则形状并指定了合适的份数 生成网格将非常简单 只需按MeshTool中的Mesh按钮 然后按拾取器中的 PickAll 或选择所需的实体即可 映射网格划分 对体划分网格 有两种选择 自由网格划分在某些情况下并不令人满意 映射网格划分通常很难实现 过渡单元提供了第三种选择 它集 两家之长 将四面体和六面体网格很好的结合起来 并保持了网格的完整性 过渡单元 把一个面拖拉成一个体时 可以连同面上网格一起拖拉得到网格化的体 称为网格拖拉 优点 易于生成块体单元 六面体 或块体单元与棱柱体单元组合的单元 必要条件 体的形状必须允许拖拉 Extrude 网格拖拉 过程定义两种单元类型 一种面单元 一种体单元面单元 面单元只用来划分网格 不进行求解 没有与之相关的自由度或材料特性的单元 体单元 应与面单元匹配 用MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete 网格拖拉 使用面单元对要拖拉的面划分网格 使用需要的映射划分或自由划分的网格密度 MainMenu Preprocessor Mes