第3章：几何实体模型生成网格模型

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1、3 1定义单元属性 本章主要介绍由几何模型的网格划分生成有限元模型 另外介绍通过创建节点和单元直接生成有限元模型 建立几何模型后 就可以按以下步骤划分有限元网格 1 定义有限元模型中的单元属性 2 目标网格选项控制 3 网格划分 4 修改与优化有限元网格对于简单的模型 往往通过创建节点和单元 直接生成有限元模型 单元属性是指在划分网格以前必须指定的所分析对象的特征 这些特征包括单元类型 实常数 材料属性 横截面类型和单元坐标系 在生成节点和单元网格之前 必须定义合适的单元属性 只有Beam188和Beam189单元才需要定义单元的截面类型 对空间梁划分单元时 还需要指定方向关键点 3 1 1单

2、元类型 3 1 1 1单元的名称及其组成为了适用不同分析问题的需要 ANSYS提供了近200种不同的单元类型 不同的单元类型适用于不同的分析类型 不同材料和不同几何类型 因此单元的正确选择至关重要 每一种单元都有固定的编号 单元名称由字符和编号数字组成 其中字符部分代表单元的组别符号 尾部的数字是单元的唯一标识号 如Beam3 Solid45通过单元名称可判断该单元适用范围及其形状 单元按维数分类 点单元 1D线单元 2D平面单元 3D立体单元 3 1 1 2典型的单元类型在结构分析中 结构的应力状态决定单元类型的选择 应当选择维数最低的单元去获得预期的结果 按单元形状分 点单元 一般用于简化

3、的质点模型 表示质量单元 或用于创建控制节点 1D线单元 线单元由两个节点连接而成 通常用来分析简化的梁 管 杆 弹簧模型等 1 梁单元 Beam 用于梁构件 薄壁管件 C型截面构件 角钢等模型 2 杆单元 Link 用于弹簧 螺杆 预应力螺杆和桁架 3 弹簧单元 Spring 用于弹簧 螺杆或细长构件 或通过刚度等效代替复杂结构等模型 壳单元 壳 Shell 单元用于薄平板或曲面模型 采用壳单元的基本原则是每块面板的表面尺寸不低于其厚度的10倍 2D平面单元平面单元有三角形或四边形单元 有3节点 4节点 6节点 8节点等 一般用来进行平面分析或轴对称的截面分析 在ANSYS中 平面问题的几何

4、模型必须建立在XY平面内 ANSYS提供平面应力 平面应变 轴对称结构等特性的单元 1 平面应力问题主要几何与力学特征是 Z向尺寸远小于X和Y方向上的尺寸 所有的载荷均作用在XY平面内 在Z轴上的应力 0 2 平面应变主要几何与力学特征是 Z向尺寸远大于X和Y方向上的尺寸且垂直于Z轴的横截面不变 所有的载荷均作用在XY平面内 Z轴上的应变 0 3 轴对称问题主要几何与力学特征是 回转体 只有回转轴上的轴向载荷 周向位移 0 在ANSYS中 轴对称假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360 形成的 管 圆锥 圆板 圆顶盖 圆盘等 对称轴必须和整体Y轴重合 不允许有负X坐标 X方向是径向

5、 Y方向是轴向 Z方向是周向 3D实体单元 三维实体单元有四面体 六面体两种 节点数从4 20不等 适用于不同的分析类型和精度 3 1 1 3确定单元类型时应考虑的因素选择合适的单元类型后 还需进一步考虑单元的插值函数 形函数 的维数 即采用线性 二次或P 单元 线性单元和高阶单元之间的差别是线性单元只有角节点 而高阶单元还有边中点 线性单元的位移按线性变化 因此线性单元上的应变 应力是常数 二次单元假定位移是二阶变化的 因此单元上的应变 应力是线性变化的 P 单元的位移可以在2 8阶间选择 而且具有求解收敛精度自动控制功能 在许多情况下 同线性单元相比 采用高阶类型的单元可以得到更好的计算结

6、果 每种单元的用法在ANSYS的帮助文档中都有详细的说明 进入帮助文档有2种方法 1 单击工具栏中的按钮 2 通过应用菜单Help进入 3 1 1 4定义单元类型 定义途径 必须在通用处理器PREP7 预处理器 中定义单元类型 命令 ET ITYPE Ename KOP1 KOP2 KOP3 KOP4 KOP5 KOP6 INOPRGUI MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete定义了单元类型后 ANSYS会自动生成一个与此单元类型对应的单元类型参考号 如果模型中定义了多种单元类型 则与这些单元类型相对应的类型参考号组成的表称为单元类型

7、表 在创建实际单元时 直接创建单元或者划分网格 需要从单元类型表中为其分配一个类型参考号以选择对应的单元类型生成有限元模型 此处列出已经定义的单元类型 单元类型参考号 单元类别 单元编号名 新添加的两个单元类型 PLANE42 4结点四边形单元PLANE2 6结点三角形单元 注 beam 梁单元 Link 线单元 Solid 实体单元 Pipe 管单元 Shell 壳单元 许多单元有一些另外的选项 KEYOPTs 这些项用于控制单元刚度矩阵的生成 单元的输出和单元坐标系的选择等 KEYOPTs可以在定义单元类型时指定 对话框中的Options选项 3 1 2定义单元实常数 在计算单元矩阵时 有

8、一些数据可能无法从节点坐标和材料特性得到 这时就需要定义单元实常数 实常数是某一单元的补称几何特征 因此 单元实常数是依赖单元类型的单元特性 并不是所有的单元类型都需要实常数 同一类型的不同单元可以有不同的实常数值 例如二维梁单元BEAM3的实常数 面积 AREA 惯性矩 IZZ 高度 HEIGHT 剪切变形常数 SHERZ 初始应变 ISTRAN 和单位长度质量 ADDMAS 等 对应于特定单元类型 每组实常数有一个参考号 与每组实常数对应的参考号组成的表称为实常数表 在创建单元 直接创建单元或者划分网格 时 可以为将要创建的单元分配实常数号 定义途径 Command R NSET R1 R

9、2 R3 R4 R5 R6 MainMenu Preprocessor RealConstants Add Edit Delete 3 1 3定义材料特性 绝大多数单元类型都需要材料特性 根据应用的不同 材料特性指如下几种特性 线性或者非线性 弹性 各向同性 正交异性 或非弹性 不随温度变化或者随温度变化 像单元类型和单元实常数一样 每一组材料特性也有一个材料特性参考号 与材料特性组对应的材料特性参考号表称为材料属性表 在一个分析中 可能有多个材料特性组 对应模型中的多种材料 在创建单元时可以使用相关命令通过材料特性参考号来分配 其采用的材料特性组 定义材料属性 Command MP Lab

10、MAT C0 C1 C2 C3 C4GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps MaterialModels 弹性模量 泊松比 在材料属性对话框窗口的左边 同样用树型结构文件夹方式显示已经定义的参数的材料 默认的时候会有材料1 要添加 删除或者拷贝相近的材料 使用材料特性窗口的菜单命令 需要修改材料特性的时候 可以双击要修改的材料文件夹 选择其中所定义的特性 双击进行修改 3 1 4定义截面类型 对于用Beam188和beam189单元对梁进行网格划分 可以定义单元横截面 ANSYS提供了11种常用的截面类型 并允许用户自定义截面 用户可以从中选择与实际结构

11、截面相近的截面类型或用截面自定义功能定义截面 3 1 4 1常用截面类型的定义命令 SECTYPE SECID Type Subtype Name REFINEKEY选择截面类型SECDATA VAL1 VAL2 VAL3 VAL9 VAL10定义截面几何数据SECOFFSET Location OFFSETY OFFSETZ CG Y CG Z SH Y SH Z指定单元节点在截面上的位置GUI MainMenu Preprocessor Sections Beam CommonSectns ANSYS会计算所定义的截面的几何特性 如截面面积 惯性矩 翘曲常数 扭转常数等 并输出到ANSYS

12、的输出窗口 单击Preview 在图形窗口中显示所定义的截面 单击Meshview 在图形窗口中显示该截面的同时 显示截面上的网格 3 1 4 2用户自定义截面类型略3 1 4 3截面类型的删除 列表显示 图形显示与截面网格细化略 3 2划分网格 网格划分是建模中非常重要的一个环节 它将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型 网格划分的好坏将直接影响到计算结果的准确性和计算速度 甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛 网格划分主要包含以下3个步骤 分配单元属性 包括单元类型 分配实常数或者截面属性 对有些单元类型 分配材料属性等 设定网格尺寸控制和网格形状 可选择的 由ANSYS确定单元

13、尺寸通常比较合理 执行网格划分 3 2 1分配单元属性 完成单元属性定义后 在划分网格之前 用户要对几何模型各部分分配相应的单元属性 手动分配单元属性 1 分配关键点的单元属性当对关键点划分单元前 需要指定关键点的单元属性 命令 KATT MAT REAL TYPE ESYSGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllKeypointsGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes PickedKPs2 分配线的单元属性当对线划分单元前 需要指定线的单元属性 定义是否指定方向关键点 命

14、令 LATT MAT REAL TYPE KB KE SECNUMGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllLinesGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes PickedLines3 分配面的单元属性当对面划分网格前 要指定面的单元属性 命令 AATT MAT REAL TYPE ESYSGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllAreasGUI MainMenu Preprocessor Meshing Mesh

15、Attributes PickedAreas 4 分配体的单元属性当对体划分网格前 要指定体的单元属性 命令 VATT MAT REAL TYPE ESYSGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllVolumesGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes PickedVolumes 默认单元属性通常的工作中 如果各个属性表 单元类型表 材料属性表以及实常数表 只包含一个条目 即只定义了一项材料属性 一个单元类型等 则在划分网格时可以不再为各个图元分配单元属性 ANSYS将唯一的表

16、项生成默认单元属性 在生成网格时自动将默认单元属性分配给实体模型和单元 3 2 2设定网格尺寸 分配单元属性后 需要设定网格尺寸 ANSYS网格划分中有许多不同的单元尺寸控制方式 主要有 1 智能网格尺寸 SmartSizing 2 手动控制单元尺寸 给定单元边长 指定线上单元分割数注 划分网格后 还可以细化网格 3 2 3指定单元划分的形状 ANSYS中网格形状多种多样 单元形状可以通过命令 GUI或通过网格工具栏中的网格类型部分进行选择 命令 MOPT Lab ValueGUI MainMenu Prerocessor Meshing MesherOpts 见下页 单元的形状可以为三角形 triangle 四边形 quadrilateral 四面体 Tetrahedral 或者六面体 Hexahedral 形状 随着Mesh对象的类型 面 体 和网格类型 自由网格 映射网格 扫掠网格 不同而不同 如果Mesh对象是线或关键点 则形状选项无效 注 一般省略该步 即不特别指定 软件根据所设定的单元类型进行自动选择 在设定完单元属性和单元格大小和形状后 就可以开始给几何模型划分单元了 四