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1、有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望一、一、ANSYS有限元模型的建立方法有限元模型的建立方法 ANSYS使用的模型分两类：有限元模型与实体模型。使用的模型分两类：有限元模型与实体模型。有限元模型由节点和单元构成，专供有限元分析计算用的模有限元模型由节点和单元构成，专供有限元分析计算用的模型。实体模型表达结构的几何形状，不参与有限元分析，施型。实体模型表达结构的几何形状，不参与有限元分析，施加其上的载荷与约束需要传递到有限元模型（节
2、点与单元）加其上的载荷与约束需要传递到有限元模型（节点与单元）上才可进行有限元分析。上才可进行有限元分析。 以前所做的为直接建立有限元模型，模型中没有实体以前所做的为直接建立有限元模型，模型中没有实体（点、线、面）出现。该方法直接创建节点与单元，可实现（点、线、面）出现。该方法直接创建节点与单元，可实现对每个节点、单元的编号完全控制，适于小型或简单结构的对每个节点、单元的编号完全控制，适于小型或简单结构的分析，所需机时少。但对于大型复杂结构（尤其是分析，所需机时少。但对于大型复杂结构（尤其是3D实体结实体结构）需要处理大量数据，网格修改困难，不能网格自适应划构）需要处理大量数据，网格修改困难，
3、不能网格自适应划分与优化设计，效率低且易出错。分与优化设计，效率低且易出错。 实体建模：先创建由关键点、线段、面与体构成的几何实体建模：先创建由关键点、线段、面与体构成的几何模型，再由模型，再由ANSYS自行进行网格划分，生成节点与单元，建自行进行网格划分，生成节点与单元，建立有限元模型。立有限元模型。 也可直接输入在计算机辅助设计系统（也可直接输入在计算机辅助设计系统（CAD）中创建）中创建的实体模型与有限元模型。的实体模型与有限元模型。ANSYS软件提供有与这些软软件提供有与这些软件间的导入导出接口。件间的导入导出接口。 ANSYS的实体建模方法又有两种：自底向上，自顶的实体建模方法又有两
4、种：自底向上，自顶向下。前者从最低级的图元向上构造模型；后者先定义最向下。前者从最低级的图元向上构造模型；后者先定义最高级图元（基元，程序自动定义了相关的面、线、关键点）高级图元（基元，程序自动定义了相关的面、线、关键点），再由它们直接构造几何模型，有布尔操作等可，再由它们直接构造几何模型，有布尔操作等可“雕塑雕塑”与与“粘接粘接”出实体模型。也可采用混合法出实体模型。也可采用混合法两种方法混两种方法混合使用，依个人经验而定，无一定的准则。合使用，依个人经验而定，无一定的准则。（一）自底向上建模（一）自底向上建模先创建关键点，再创建出相关的线、面、体等高级图元。许先创建关键点，再创建出相关的线
5、、面、体等高级图元。许多命令与直接建模法中对象（节点、单元）的命令相似。所多命令与直接建模法中对象（节点、单元）的命令相似。所以可用如下群组的方式介绍之。以可用如下群组的方式介绍之。1、定义关键点：、定义关键点：K注意：关键点与节点的区别注意：关键点与节点的区别2、线、线定义线：定义线：L3、面、面定义面定义面A,AL4、体、体（二）自顶向下建模（二）自顶向下建模一开始从较高级的实体图元构造模型。一开始从较高级的实体图元构造模型。ANSYS在生成一在生成一种体素时会自动生成所有的从属于该体素的较低级的图种体素时会自动生成所有的从属于该体素的较低级的图元，其对应号码由系统自动生成。元，其对应号码
6、由系统自动生成。 1、面体素的生成、面体素的生成 基本面体素有：矩形面、圆形面、圆环面、多边形面等基本面体素有：矩形面、圆形面、圆环面、多边形面等 2、3D体素的生成体素的生成 基本的体体素有：块体、圆柱体、棱柱体、球体、圆台、基本的体体素有：块体、圆柱体、棱柱体、球体、圆台、环体等。环体等。（三）网格划分（三）网格划分 实体模型必须经网格划分成为有限元模型后，才能进行实体模型必须经网格划分成为有限元模型后，才能进行有限元分析求解。网格划分过程有三个步骤：定义单元有限元分析求解。网格划分过程有三个步骤：定义单元类型，定义网格生成控制，生成网格。类型，定义网格生成控制，生成网格。 自由网格，对应
7、网格自由网格，对应网格 实例：连杆结构示意图如下，图中长度单位为实例：连杆结构示意图如下，图中长度单位为mm，壁厚，壁厚50mm。采用自底向上的建模方法建立其。采用自底向上的建模方法建立其几何模型并划分网格。单元选为几何模型并划分网格。单元选为SOLID185。例例1/UNITS,SI/PREP7 K,1,0,0 CIRCLE,1,15 K,6,0,35CIRCLE,6,20 CIRCLE,6,30 L2ANG,4,8,0,180 L2ANG,3,7,180,0 K,30,-35 K,-30,-5 K,0,-35K,0,-55KPLOT LTAN,-9,19 LTAN,19,22 L,22,2
8、1 L,13,20 L2TAN,22,-21LDEL,8 LDEL,17 LDEL,11 LDEL,12 LDEL,2 LDEL,1 LDEL,13 LDEL,3 LCOMB,5,14 LCOMB,7,6 A,8,12,13,18A,18,13,20,17 A,17,20,21,5A,5,21,19,15A,15,19,11,16 A,16,11,12,8A,21,19,22 例例2/UNITS,SI /PREP7 K,100,13,49.5 K,101,13,49.5,1 CIRCLE,100,16,101,360,4K,100,-35,49.5 K,101,-35,49.5,1CIRCLE
9、,100,10,101,360,4k,9,13 k,10,62.5,49.5 K,100,62.5 LARC,9,10,100,49.5 k,100,-35,0 k,101,-35,0,1 CIRCLE,100,35,101,180,2K,100,0,-75 K,101,0,-75,1 CIRCLE,100,150,101,180,2 K,62.5,80 L,10,17 K,-62.5,5 K,-62.5,80 L,18,19 LCSL,12,14 LCSL,13,15 LCSL,11,20 LDEL,17,19,2,1 LSEL,S,LINE,14,15 LSEL,A,LINE,21,22
10、LDEL,ALL,1LSEL,S,LINE,ALLL,11,9 L,7,21L,5,15L,8,12A,2,15,20,10,9,11,4,1AL,15,5,6,14,12AL,14,23,13,17,7FINISH命令说明：命令说明：删除线段：删除线段：LDEL,N圆弧段的生成：圆弧段的生成：CIRCLE,PCENT,RAD,PAXIS,PZERO,ARC,NSEGPCENT为圆心点号，为圆心点号，RAD为半径，为半径，ARC为圆弧角度，为圆弧角度，NSEG为圆弧分段数为圆弧分段数LARC,P1,P2,PC,RAD定义两点定义两点P1,P2间的圆弧段，半径为间的圆弧段，半径为RAD，PC表示
11、曲率表示曲率中心部分的一点。产生的点与圆弧段号码自动生成。中心部分的一点。产生的点与圆弧段号码自动生成。LANG,NL1,P3,ANG产生新线段，过产生新线段，过P3并与已知线并与已知线NL1夹角为夹角为ANG。L2ANG,NL1,NL2,ANG1,ANG2建立新线段，与已知线建立新线段，与已知线NL1夹角为夹角为ANG1, 与已知线与已知线NL2夹角为夹角为ANG2,LTAN,NL1,P3,产生新线段，过产生新线段，过P3并与并与NL1相切。相切。L2TAN,NL1,NL2产生新线段，与两已知线产生新线段，与两已知线NL1、NL2相切。相切。LCOMB,NL1,NL2,KEEP把两条线把两条
12、线NL1和和NL2合并为一条线，合并为一条线，KEEP=0,1面元的生成：面元的生成：A,P1,P2,P3,AL,L1,L2,L3,二、网格化二、网格化1、网格的分类、网格的分类网格分为自由网格和对应网格。网格分为自由网格和对应网格。自由网格对实体模型限制较少，建模简单容易。自由网格对实体模型限制较少，建模简单容易。单元排列无规律，且单元可能有退化，如有单元排列无规律，且单元可能有退化，如有2-D四边形四边形平面单元（平面单元（PLANE42）退化成三角形单元完成网格化，）退化成三角形单元完成网格化，使使2-D结构以四边形和三角形的混合方式进行，结构以四边形和三角形的混合方式进行，3-D六六面
13、体（面体（SOLID45）可退化为三角锥单元方式进行网格）可退化为三角锥单元方式进行网格化。化。对应网格的实体模型建模复杂，限制较多。单元对应网格的实体模型建模复杂，限制较多。单元排列有规律，无单元形状的退化。对于排列有规律，无单元形状的退化。对于2-D弹性平面四弹性平面四边形结构，要求相对应边的单元数目相等，对于边形结构，要求相对应边的单元数目相等，对于2-D弹弹性平面三角形结构，要求三边单元数相等且为偶数。性平面三角形结构，要求三边单元数相等且为偶数。 （a）、（）、（c）为对应网格，（）为对应网格，（b）、（）、（d）为自由网格）为自由网格究竟选择哪种网格化方法无统一标准，需根据结构的究
14、竟选择哪种网格化方法无统一标准，需根据结构的受力、边界情况和分析要求而定。受力、边界情况和分析要求而定。两种网格化方法也可混合使用，能对应网格化的部分两种网格化方法也可混合使用，能对应网格化的部分先做对应网格化，再使不能对应网格化的部分进行自由网格先做对应网格化，再使不能对应网格化的部分进行自由网格化。另外，当实体模型无法进行对应网格化时，程序会自动化。另外，当实体模型无法进行对应网格化时，程序会自动地用自由网格化。地用自由网格化。网格可决定实体模型的建立，所以在实体建模时，需网格可决定实体模型的建立，所以在实体建模时，需先规划网格化，不违背其规则。先规划网格化，不违背其规则。（a）对边单元数
15、相同的对应网格（b）对边单元数相同的自由网格（c）对边单元数相同但单元长度不同的对应网格（d）对边单元数相同但单元长度不同的自由网格（a）（d）（c）（b）（e）、（）、（f）对边单元数不同，单元形状不同的自由网格对边单元数不同，单元形状不同的自由网格（e）（f）三角形面积的对应网格三角形面积的对应网格2、单元网格的生成步骤、单元网格的生成步骤实体模型建立后，要经过网格化后才能生成为有限元模实体模型建立后，要经过网格化后才能生成为有限元模型。需经三个步骤：型。需经三个步骤：（1）建立、选取单元资料。所谓的资料包括：单元类型）建立、选取单元资料。所谓的资料包括：单元类型（TYPE）；单元几何常数
16、）；单元几何常数(R)；单元的材料性质；单元的材料性质(MP)；以及单；以及单元形成时所在的坐标系。在实体建模前声明。元形成时所在的坐标系。在实体建模前声明。（2）设立网格建立所需的参数。这里的参数包括物体边界）设立网格建立所需的参数。这里的参数包括物体边界（即线段）单元的大小与数目，这决定着网格的大小和形状，（即线段）单元的大小与数目，这决定着网格的大小和形状，影响着分析的正确性和经济性。可在线段建立后或实体建模完影响着分析的正确性和经济性。可在线段建立后或实体建模完成后声明，或建模成后声明，或建模-网格化网格化-建模建模-网格化网格化逐步声明。逐步声明。（3）产生网格。即可建立有限元模型。
17、如不满意网格化的结）产生网格。即可建立有限元模型。如不满意网格化的结果，还可清除已网格化的内容，重新定义单元大小和数目，再果，还可清除已网格化的内容，重新定义单元大小和数目，再做网格化，直至满意为止。做网格化，直至满意为止。网格生成的一般流程：网格生成的一般流程：3、基本命令、基本命令（1）网格单元属性的定义）网格单元属性的定义 声明声明X对象网格化后的单元属性：对象网格化后的单元属性： XTAA，MAT，REAL，TYPE，ESYS X代表对象名称。代表对象名称。MAT，REAL，TYPE分别为前面定义分别为前面定义过的单元材料、几何常数、单元类型的号码。这一条命令相过的单元材料、几何常数、
18、单元类型的号码。这一条命令相当于将原来的三个命令（当于将原来的三个命令（MAT，REAL，TYPE）合并为一）合并为一个命令。个命令。 ESYS为建立单元所在坐标系号码。为建立单元所在坐标系号码。（2）单元形状大小的定义）单元形状大小的定义单元大小基本上在线段上定义，可用线段长度或线段数目单元大小基本上在线段上定义，可用线段长度或线段数目来划分，大多用于对应网格化中，而对于自由网格化，程序可自来划分，大多用于对应网格化中，而对于自由网格化，程序可自设线段单元的数目和大小。有默认的划分尺寸大小可用。设线段单元的数目和大小。有默认的划分尺寸大小可用。 声明网格类型声明网格类型 MSHKEY，KEY
19、KEY=0（系统默认）时，自由网格化；（系统默认）时，自由网格化；KEY=1时，对于时，对于网格化；网格化；KEY=2时，自由网格及对应网格混合，适于时，自由网格及对应网格混合，适于2-D实体模实体模型。型。 声明网格单元形状声明网格单元形状 MSHAPE，KEY，Dimension Dimension=2D时，时，KEY=0为四边形，为四边形，KEY=1全为三角形；全为三角形； Dimension=3D时，时，KEY=0为六面体，为六面体，KEY=1全为三角锥；全为三角锥； KEY=1时，即使对应网格，也强行为三角形或三角锥。时，即使对应网格，也强行为三角形或三角锥。 LESIZE,NL1,
20、SIZE,ANGSIZ,NDIV,SPACE,定义所选线段（定义所选线段（NL1）进行单元网格化时单元的大小。）进行单元网格化时单元的大小。可用线段长度（可用线段长度（SIZE）或该线段要划分的单元数目（）或该线段要划分的单元数目（NDIV）来确定。来确定。SPACE为间距比。为间距比。NL1=ALL表示目前的所有线段。表示目前的所有线段。 ESIZE,SIZE,NDIV对目前所有线段（不含对目前所有线段（不含LESIZE,KESIZE所定义的线段）所定义的线段）定义单元网格化时单元的大小，可用单元的边长（定义单元网格化时单元的大小，可用单元的边长（SIZE）或单）或单元要分成的单元数目（元要
21、分成的单元数目（NDIV）来确定。）来确定。 （3）网格的生成）网格的生成单元属性和网格参数定义后，便可对实体模型进行网格单元属性和网格参数定义后，便可对实体模型进行网格化。线单元由线段网格生成，平面单元由面积网格生成，立体化。线单元由线段网格生成，平面单元由面积网格生成，立体单元由体积网格生成。单元由体积网格生成。 对线进行网格化：对线进行网格化：LMESH,NL1,NL2,NINC对一组（对一组（NL1,NL2,NINC）线（）线（Lines）进行网格化）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。），并生成节点和单元。NL1=ALL时，表示网格化当时，表示网格化当前所有线段，而前所有线段，
22、而NL2、NINC可省略掉。可省略掉。 对面积进行网格化：对面积进行网格化：AMESH,NA1,NA2,NINC对一组（对一组（NA1,NA2,NINC）面积（）面积（Areas）进行网格化）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。），并生成节点和单元。NA1=ALL时，表示网格化当时，表示网格化当前所有面积，而前所有面积，而NA2、NINC可省略掉。可省略掉。 对体积进行网格化：对体积进行网格化：VMESH,NV1,NV2,NINC对一组（对一组（NV1,NV2,NINC）体积（）体积（Volume）进行网格化）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。），并生成节点和单元。NV1=ALL
23、时，表示网格化时，表示网格化当前所有体积，而当前所有体积，而NV2、NINC可省略掉。可省略掉。 对线段网格化后的清除：对线段网格化后的清除：LCLEAR,NL1,NL2,NINC对网格化后的一组（对网格化后的一组（NL1,NL2,NINC）线（）线（Lines）上的节点）上的节点和单元清除（和单元清除（CLEAR），同时删除掉其号码。），同时删除掉其号码。 对面积网格化后的清除：对面积网格化后的清除：ACLEAR,NA1,NA2,NINC对网格化后的一组（对网格化后的一组（NA1,NA2,NINC）面积（）面积（Areas）上的节）上的节点和单元清除（点和单元清除（CLEAR），同时删除掉其
24、号码。），同时删除掉其号码。 对体积网格化后的清除：对体积网格化后的清除：VCLEAR,NV1,NV2,NINC对网格化后的一组（对网格化后的一组（NV1,NV2,NINC）线（）线（Volume）上的节）上的节点和单元清除（点和单元清除（CLEAR），同时删除掉其号码。），同时删除掉其号码。4、例题、例题（1）梁结构单元的划分：）梁结构单元的划分：/PREP7 /UNITS,SI ET,1,BEAM3 MP,EX,1,207E9 R,1,1E-4,2.083E-10,0.005K,1 K,2,3 L,1,2 ESIZE,10 ！或！或ESIZE,0.3LATT,1,1,1,0LMESH,1
25、与直接建模与直接建模方法做比较方法做比较（2）平板结构）平板结构/PREP7 /UNITS,SI ET,1,PLANE42K,1,0,0 K,2,12,0K,3,12,9K,4,0,9 A,1,2,3,4 LESIZE,1,4 LESIZE,3,4 LESIZE,2,3 LESIZE,4,3MSHKEY,1AATT,1,1,1,0AMESH,1 WPOFFS,17 PCIRC,6,10,0,90 LESIZE,5,5LESIZE,6,2CSYS,1 AMESH,2 （3）体结构）体结构/PREP7 /UNITS,SI ET,1,SOLID45BLOCK,-0.025,0.025,0.04,0.
26、24,- 0.0025,0.0025 LESIZE,1,10 LESIZE,4,4LESIZE,9,1MSHKEY,1AATT,1,1,1,0VMESH,1 （4）网格划分的实例）网格划分的实例/PREP7 ET,1,PLANE42K,1,0,-2.5 K,2,6,-2.5 K,3,2.5K,4,6,2.5 CSYS,1 K,5,10,-30 K,6,10,30 CSYS,0 SAVEL,1,2 L,4,3 CSYS,1 L,2,4 L,5,6 CSYS,0 A,1,2,4,3 A,2,5,6,4 SAVEAMESH,ALL RESUME DESIZE,5AMESH,ALL RESUME DE
27、SIZE,10,20 AMESH,ALL RESUME SMRTSIZE,6 AMESH,ALL RESUME SMRTSIZE,8 AMESH,ALL RESUME SMRTSIZE,1 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1DESIZE,5AMESH,ALLRESUME MSHAPE,1DESIZE,10,20 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1SMRTSIZE,6 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1SMRTSIZE,8 AMESH,ALL RESUME MSHAPE,1SMRTSIZE,1 AMESH,ALL RESUME LESIZE,1,6,6 LESIZE,2,6,3 LESIZE,3,5LESIZE,4,5,2 SAVEESIZE,4AMESH,ALL ACLEAR,ALL ESIZE,7AMESH,ALL RESUME LESIZE,5,5AMESH,ALL RESUME ET,1,PLANE2ET,2,PLANE82ESIZE,4AMESH,1 AATT,2AMESH,2
