ANSYS的建模方法討論

1、ANSYS的建模方法討論摘 要：隨著計(jì)算機(jī)硬件升級更新速度的不斷加快，有限元技術(shù)得到空前的發(fā)展，越來越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。ANSYS軟件具有建模簡單、快速、方便的特點(diǎn)，因而成為大型通用有限元軟件的代表。本文對有限元作了一個(gè)總體的介紹，簡要敘述了ANSYS軟件的主要特點(diǎn)，著重介紹了ANSYS軟件的建模方法。關(guān)鍵詞：有限元 ANSYS 建模 CAD 一 、有限元簡介有限單元法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，上世紀(jì)50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性分析中得到應(yīng)用，隨后很快廣泛應(yīng)用于熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題的分析。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)

2、構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。二 、ANSYS軟件介紹1、概況ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析，主要是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力載荷時(shí)所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等。根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力載荷后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的載荷也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。想要得到解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的

3、軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS就是其中一種。它是由美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授JohnSwanskon博士開發(fā)出的頗有影響的大型通用有限元分析軟件。該軟件在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又融熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體，可廣泛用于機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。它具有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、聲場分析、壓電分析等功能，同時(shí)它還具有良好的用戶界面，前后處理和圖形功能，因而受到國際工程界和學(xué)術(shù)界的普遍歡迎和重視。ANSYS軟件的分析過程分為前處理，求解和后處理三個(gè)過程。分析過程如圖1。 圖1 ANSYS分析計(jì)算的基本流程2、特點(diǎn)（1）完備的前處理功能ANSY

4、S不僅提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具 ，可以方便地構(gòu)造數(shù)學(xué)模型及有限元模型 ，而且還專門設(shè)有與我們所熟悉的一些大型通用有限元分析軟件的數(shù)據(jù)接口（如MSC/NSSTRAN，ALGOR，ABAQUS等），允許從這些程序讀取有限元數(shù)據(jù)，甚至材料特性與邊界條件，完成ANSYS中的初步建模工作。此外，還具有近190種單元類型 ，這些豐富的單元類型使工程人員方便而準(zhǔn)確地建反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算模型。（2）強(qiáng)大的求解器ANSYS提供了對各種物理場量的分析，是目前世界范圍內(nèi)唯一能融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體、聲學(xué)等于一體的有限元分析軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析外 ，還能解決高度非線性結(jié)構(gòu)動力

5、分析、結(jié)構(gòu)線性及非線性屈曲分析。（3）方便的后處理器ANSYS的后處理器分為通用后處理模塊（POST1）和時(shí)間歷程后處理模塊（POST26）兩部分。該后處理器可以很容易獲得求解過程中的計(jì)算結(jié)果并對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。（4）提供了多種進(jìn)行二次開發(fā)的工具ANSYS除了具有較為完善的分析功能外，同時(shí)還為用戶進(jìn)行二次開發(fā)提供了多種實(shí)用工具。如宏（Marco）、用戶界面設(shè)計(jì)語言(UIDL) 、參數(shù)設(shè)計(jì)語言(APDL) 及用戶編程特性(UPFS)。三、ANSYS的建模直觀、方便、快捷和有效的建模技術(shù)，是ANSYS得到廣泛應(yīng)

6、用的重要原因之一。對于那種結(jié)構(gòu)外形尺寸比較簡單的計(jì)算模型，可采用直接建模方法，即先確立節(jié)點(diǎn)，然后創(chuàng)建單元。這種方法在土木工程中應(yīng)用比較廣泛；若結(jié)構(gòu)外形尺寸比較復(fù)雜，ANSYS則采用立體模型建立法，即間接建模法。一般航天航空和機(jī)械工程中大多采用間接建模方法。ANSYS的前處理器的實(shí)體建模功能，允許用戶直接同模型的幾何特性打交道而不必關(guān)心有限元模型的特定圖元（點(diǎn)和單元）。為了便于建模，該程序把幾何特性和邊界條件的定義與有限元網(wǎng)格的生成分開進(jìn)行。用戶首先描述實(shí)體模型的幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)通過交互方式和命令方式完成后，可以容易地驗(yàn)證輸人的數(shù)據(jù)，最后該程序?qū)ψ罱K模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該過程實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)CAD過程。

7、ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模的方法：即自頂向下和自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶只要定義一個(gè)模型的最高級圖元，較為常用的實(shí)體建模形狀（如球，棱柱 ），稱為幾何體素，可以用單獨(dú)的ANSYS命令來生成。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級圖元向上構(gòu)建模型，即用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)然后依次是相關(guān)的線、面、體。自頂向下與自底向上建模技術(shù)可在任何模型中自由組合使用。各圖元之間的關(guān)系如下圖：ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動或拷貝實(shí)體模型圖元的功能，這些操作都近似于CAD軟件的操作。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運(yùn)算、自倒角生成、硬點(diǎn)（用于網(wǎng)

8、格劃分）的建立、移動、拷貝和刪除，除此之外，還可以根據(jù)需要控制網(wǎng)格密度、計(jì)算質(zhì)量特性以及進(jìn)行組元組合。在ANSYS實(shí)體建模中，所有線均用非均勻有理B樣條（NURBS）表示。線是兩端的關(guān)鍵點(diǎn)圍成的樣條的一部分，面是由線完全圍成的，體是由面圍成的實(shí)體部分。利用NURBS的實(shí)體模型圖元表示法，稱為蒙皮的表面構(gòu)造技術(shù)更易于使用、利用該技術(shù)，用戶可定義一組截面曲線，然后指示ANSYS程序自動生成一個(gè)通過這些曲線的面。蒙皮技術(shù)可使用戶快捷地建立變截面的復(fù)雜形狀模型。四、基于 CAD 軟件的 ANSYS實(shí)體建模ANSYS提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模工具 ，可以方便地構(gòu)造有限元模型。但有限元軟件的建模功能不如專門的

9、CAD軟件強(qiáng) ，所以對于不規(guī)則三維實(shí)體及大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，譬如聯(lián)體異形網(wǎng)殼、斜齒輪等采用在CAD系統(tǒng)實(shí)體建模的方法會更為實(shí)用、方便、精確和快捷。特別對于熟悉 CAD 系統(tǒng) (如 Pro/ e ，solidedge ， solidwork 等軟件)的工程技術(shù)人員來說，在 CAD 系統(tǒng)中建模更為方便，也避免了重復(fù)建模。但從 CAD 系統(tǒng)中輸入三維模型到 ANSYS 系統(tǒng)中容易造成圖元丟失及模型不適于網(wǎng)格劃分等情況，這就需要大量的修補(bǔ)工作。本文針對這種情況提出了 CAD系統(tǒng)建模與 ANSYS建模相結(jié)合的方法 ，二者優(yōu)勢互補(bǔ)，避免了一些不必要的工作，從而提高了建模速度。這里以 Pro/e為例，Pro/e

10、ngineer 是美國 PTC 公司開發(fā)的大型 CAD/ CAE/CAM軟件，它具有強(qiáng)大的建模功能，尤其是對一些曲面較復(fù)雜的模型。對于熟悉 Pro/ e 的用戶來說，在Pro/ e 中建模更為方便。為避免在模型輸入ANSYS后做大量的修補(bǔ)工作，可只建立部分實(shí)體，即先建立不規(guī)則部分;對于組件來說，先建立基體部分，基體是最簡單的實(shí)體，沒有任何細(xì)節(jié)特征，但它是進(jìn)行后續(xù)細(xì)節(jié)特征的基礎(chǔ)，一般創(chuàng)建基體特征應(yīng)以零件整體幾何形狀或保證零件各組成特征的尺寸基準(zhǔn)體形為前提，創(chuàng)建最佳的基體特征。對于已建好的完整實(shí)體 ，輸入其中一部分到 ANSYS中。 如一形狀不規(guī)則且截面不等厚的刀具，刀片鉸孔處有一階梯軸與其固接，

11、如在 ANSYS 中建模，則需大量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，需花費(fèi)大量的時(shí)間，但在 Pro/ e中建模就非常簡便。IGES是一種被普遍接受的中間標(biāo)準(zhǔn)格式 ，用來在不同的 CAD 和 CAE系統(tǒng)之間交換幾何模型。ANSYS的 IGES 輸入能力在工業(yè)界是最強(qiáng)的，因?yàn)檫^濾器程序可以輸入部分文件，所以至少可以輸入模型的一些部分。Pro/ e中建模完成后，點(diǎn)擊工具菜單中的“ 文件"命令，在下拉菜單中擊“保存副本"，在隨后的對話框的類型選項(xiàng)中點(diǎn)選 IGES( 3 .igs) 文件格式。 確定后，在出現(xiàn)的對話框選取不同的輸出類型，對實(shí)體模型可點(diǎn)選“ 實(shí)體"、“ 殼"、“ 基準(zhǔn)曲線

12、和點(diǎn)"。輸入 IGES文件時(shí)需要更多的內(nèi)存 ，所以輸入模型時(shí)打開自動合并和生成體的開關(guān)選項(xiàng)(缺省的條件) 。對于大的文件(5MB 或更多) ，在輸入模型之前先增加ANSYS的內(nèi)存分配。通常情況下，如果文件包含一些不必要(或無限制的)的圖元，則自動合并就會失敗或要求更多的內(nèi)存，這時(shí)可以進(jìn)行逐步的拓?fù)湫薷囊詣h除那些圖元，然后進(jìn)行合并。否則必須在輸入文件時(shí)不必進(jìn)行合并和體的生成或通過拓?fù)浜蛶缀涡拚绦騽h除不想要的實(shí)體。對于輸入1GES文件，ANSYS 提供了Defeature Model 和No defeaturing兩種選項(xiàng)。它們各有自己特點(diǎn)。在Defeature Model 和 No

13、defeaturing 兩種選項(xiàng)下有3 個(gè)子選項(xiàng) ，分別為Merge、 Solid與 Small。其中Merge 選項(xiàng)的特點(diǎn):缺省為yes ，導(dǎo)入時(shí)自動合并模型的重疊部分，使相鄰面只有公用邊界線 ，但僅適用于Defeature Model 方法 ，當(dāng)運(yùn)行超出內(nèi)存時(shí)將其設(shè)置為 no。Solid 選項(xiàng)的特點(diǎn):缺省為yes ，導(dǎo)入時(shí)將所有體合并成一個(gè)體。如果只需導(dǎo)入面時(shí) ，將其設(shè)置為no。Small 選項(xiàng)的特點(diǎn):缺省為 yes ，自動刪除模型中引起劃分網(wǎng)格困難的小碎片 ，但僅適用于 DefeaturModel 方法。 如果模型需要考慮縫隙或小洞 ，應(yīng)將其設(shè)置為no。Defeature Model方法

14、:導(dǎo)入圖形文件并對其進(jìn)行幾何模型修改后才導(dǎo)入到 ANSYS 數(shù)據(jù)庫中。用這種方法可忽略凸起、洞和小孔等 ，但只能對實(shí)體模型執(zhí)行某些有限的操作。同時(shí)內(nèi)存需求大，速度慢，對單個(gè)實(shí)體模型的導(dǎo)入、劃分網(wǎng)格和求解等比較有利 ，但精度不高。由于 CAD幾何模型和有限元幾何模型記錄數(shù)據(jù)和保存文件的格式不同 ，三維模型轉(zhuǎn)化為有限元模型時(shí)還必須經(jīng)過模型修改 ，修復(fù)丟夫的信息 ，即可用拓?fù)湫迯?fù)用間隙檢查調(diào)整間隙容差的方法對所有間隙進(jìn)行合并;幾何修復(fù) ，通過創(chuàng)建體素和使用布爾操作來完成;幾何簡化 ，通過刪除小線或小特征，分開、去掉或合并小于指定尺寸的線、 環(huán)或面 ，創(chuàng)建一個(gè)更簡化的幾何模型以便劃分網(wǎng)格 ，消除那些在

15、劃分網(wǎng)格時(shí)導(dǎo)致問題的特征。Defeature Model選項(xiàng)不能轉(zhuǎn)換諸如面積、文本注解圖元、結(jié)構(gòu)圖元等數(shù)據(jù)。 而且，ANSYS也會忽略這個(gè)選項(xiàng)不能識別的 IGES圖元。但是 ，這個(gè)選項(xiàng)會轉(zhuǎn)換所有的 IGES拓?fù)浜蛶缀螆D元。在輸入文件后ANSYS將不容許從 Defeature Model 選項(xiàng)轉(zhuǎn)換到No Defeaturing選項(xiàng) ，因而 ，不容許自底向上的模型生成方法。No defeaturing 方法: 直接導(dǎo)入圖形文件到ANSYS數(shù)據(jù)庫中 ， 是 ANSYS缺省的導(dǎo)入方法。No defeaturing 方法可靠且快 ，并允許進(jìn)行 ANSYS的任何實(shí)體模型操作 ，不允許忽略微小幾何特征的處理

16、與操作。這個(gè)選項(xiàng)使用標(biāo)準(zhǔn)的 ANSYS 幾何數(shù)據(jù)庫 ，如果 ANSYS 檢測到模型中包含有多個(gè)連接在一起的體 ，程序就會將生成體的開關(guān)關(guān)掉 ，而用戶必須自己生成這些體。選擇 No Defeaturing 選項(xiàng)來輸入 IGES模型 ，在CAD 系統(tǒng)中建模時(shí) ，應(yīng)當(dāng)注意以下準(zhǔn)則: 在CAD系統(tǒng)中建模時(shí) ，考察ANSYS實(shí)體建模的程序、 相關(guān)計(jì)劃、 對稱性和對有限元分析來說所必須的細(xì)節(jié)。例如 ，對于軸對稱模型 ，ANSYS程序要求總體坐標(biāo)的Y 軸是旋轉(zhuǎn)軸。 避免生成閉合曲線(也就是說 ，一條線的起點(diǎn)和終點(diǎn)是同一個(gè)點(diǎn))和閉合曲面(例如曲面的起點(diǎn)和終點(diǎn)是同一條線) 。 ANSYS不能存儲閉合曲線或閉合曲

17、面(它要求至少兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)) 。 如果一段閉合曲線 ，閉合曲面 ，或“ 修整好的"閉合曲面(由IGES圖元 120 和 144 或 128 和 144 所定義)在讀一個(gè) IGES文件時(shí)發(fā)生沖突 ，ANSYS可能把它分割成2 個(gè)或更多的圖元。 并盡可能用ANSYS程序所支持的數(shù)據(jù)格式寫進(jìn) IGES文件。當(dāng)從 CAD程序?qū)戇M(jìn) IGES文件時(shí):只轉(zhuǎn)換分析所需要的幾何體的一部分。 有限元分析可以不需要CAD模型過多的細(xì)節(jié)。 對于己修整過表面的轉(zhuǎn)換 ，IGES文件中包括總體 XYZ數(shù)據(jù)和 UV 數(shù)據(jù)。 如果要分析的模型非常大 ，使用 CAD程序的選擇能力來創(chuàng)建幾個(gè) IGES 文件 ，每一個(gè)文件包

18、含模型的一部分;當(dāng)每一個(gè)文件被讀進(jìn)時(shí) ，ANSYS程序會使用可用的實(shí)體號 ，然后用 PREP7 合并重合的圖元( NUMRG 命 令 或 菜 單 路 徑 Main Menu >Preprocessor > Numbering Ct rls > Merge Items 。 用ASCLL 碼格式寫 IGES 文件 ，每個(gè)記錄包含 80 個(gè)字符。 對于 Pro/ e 程序 ，使用下面附加的準(zhǔn)則:設(shè)置Config. pro 選項(xiàng)?！?iges -out- t rim- xyz"為“ Yes" ，設(shè)置精度為1E- 6然后再重新生成模型。最后，導(dǎo)入 ANSYS 后繼續(xù)建立鉸軸，應(yīng)用布爾操作命令進(jìn)行粘結(jié) ，再從而實(shí)現(xiàn)整體模型的建立。這一方面避免了重復(fù)建模 ，另一方面避免了或減少了圖元丟失后的大量修復(fù)及網(wǎng)格難以劃分，同時(shí)保證了模型的精確性。由于 Defeature Model 選項(xiàng)的局限性 ，建議使用 No