有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,有限元基础及ANSYS软件,郭世伟,第四章 ANSYS实体模型的建立,有限元基础及ANSYS软件 郭世伟第四章 ANSYS实,1,一、ANSYS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。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。,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3D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、面与体构成的几何模型，再由ANSYS自行进行网格划分，生成节点与单元，建立有限元模型。,一、ANSYS有限元模型的建立方法,2,也可直接输入在计算机辅助设计系统（CAD）中创建的实体模型与有限元模型。ANSYS软件提供有与这些软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），再由它们直接构造几何模型，有布尔操作等可“雕塑”与“粘接”出实体模型。也可采用混合法两种方法混合使用，依个人经验而定，无一定的准则。,也可直接输入在计算机辅助设计系统（CAD）中创,3,（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。,1、定义关键点：K,注意：关键点与节点的区别,2、线,定义线：L,3、面,定义面A,AL,4、体,（一）自底向上建模1、定义关键点：K,4,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,5,（二）自顶向下建模,一开始从较高级的实体图元构造模型。ANSYS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元，其对应号码由系统自动生成。,1、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,2、3D体素的生成,基本的体体素有：块体、圆柱体、棱柱体、球体、圆台、环体等。,（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。,自由网格，对应网格,（二）自顶向下建模,6,实例：连杆结构示意图如下，图中长度单位为mm，壁厚50mm。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SOLID185。,实例：连杆结构示意图如下，图中长度单位为mm，壁,7,例1,例1,8,/UNITS,SI,/PREP7,K,1,0,0,CIRCLE,1,15,K,6,0,35,CIRCLE,6,20,CIRCLE,6,30,L2ANG,4,8,0,180,L2ANG,3,7,180,0,K,30,-35,K,-30,-5,K,0,-35,K,0,-55,KPLOT,LTAN,-9,19,LTAN,19,22,L,22,21,L,13,20,L2TAN,22,-21,LDEL,8,LDEL,17,LDEL,11,LDEL,12,LDEL,2,LDEL,1,LDEL,13,LDEL,3,LCOMB,5,14,LCOMB,7,6,A,8,12,13,18,A,18,13,20,17,A,17,20,21,5,A,5,21,19,15,A,15,19,11,16,A,16,11,12,8,A,21,19,22,/UNITS,SILDEL,8,9,例2,例2,10,/UNITS,SI,/PREP7,K,100,13,49.5,K,101,13,49.5,1,CIRCLE,100,16,101,360,4,K,100,-35,49.5,K,101,-35,49.5,1,CIRCLE,100,10,101,360,4,k,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,100,35,101,180,2,K,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,LDEL,ALL,1,LSEL,S,LINE,ALL,L,11,9,L,7,21,L,5,15,L,8,12,A,2,15,20,10,9,11,4,1,AL,15,5,6,14,12,AL,14,23,13,17,7,FINISH,/UNITS,SI L,10,17,11,命令说明：,删除线段：LDEL,N,圆弧段的生成：CIRCLE,PCENT,RAD,PAXIS,PZERO,ARC,NSEG,PCENT为圆心点号，RAD为半径，ARC为圆弧角度，NSEG为圆弧分段数,LARC,P1,P2,PC,RAD,定义两点P1,P2间的圆弧段，半径为RAD，PC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。,LANG,NL1,P3,ANG,产生新线段，过P3并与已知线NL1夹角为ANG。,命令说明：,12,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,13,L2ANG,NL1,NL2,ANG1,ANG2,建立新线段，与已知线NL1夹角为ANG1,与已知线NL2夹角为ANG2,LTAN,NL1,P3,产生新线段，过P3并与NL1相切。,L2TAN,NL1,NL2,产生新线段，与两已知线NL1、NL2相切。,LCOMB,NL1,NL2,KEEP,把两条线NL1和NL2合并为一条线，KEEP=0,1,L2ANG,NL1,NL2,ANG1,ANG2,14,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,15,面元的生成：,A,P1,P2,P3,AL,L1,L2,L3,面元的生成：,16,二、网格化,1、网格的分类,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。单元排列无规律，且单元可能有退化，如有2-D四边形平面单元（PLANE42）退化成三角形单元完成网格化，使2-D结构以四边形和三角形的混合方式进行，3-D六面体（SOLID45）可退化为三角锥单元方式进行网格化。,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2-D弹性平面四边形结构，要求相对应边的单元数目相等，对于2-D弹性平面三角形结构，要求三边单元数相等且为偶数。,二、网格化,17,（a）、（c）为对应网格，（b）、（d）为自由网格,（a）、（c）为对应网格，（b）、（d）为自由网格,18,究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。,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。,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。,究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,19,（a）对边单元数相同的对应网格,（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）,（a）对边单元数相同的对应网格（a）（d）（c）（b）,20,（e）、（f）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,（e）、（f）对边单元数不同，单元形状不同的自由网格（e,21,2、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（TYPE）；单元几何常数(R)；单元的材料性质(MP)；以及单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（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成后声明，或建模-网格化-建模-网格化逐步声明。,（3）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，再做网格化，直至满意为止。,2、单元网格的生成步骤,22,网格生成的一般流程：,网格生成的一般流程：,23,3、基本命令,（1）网格单元属性的定义,声明X对象网格化后的单元属性：,XTAA，,MAT，REAL，TYPE，ESYS,X代表对象名称。,MAT，REAL，TYPE,分别为前面定义过的单元材料、几何常数、单元类型的号码。这一条命令相当于将原来的三个命令（MAT，REAL，TYPE）合并为一个命令。ESYS为建立单元所在坐标系号码。,3、基本命令,24,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,25,（2）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。,声明网格类型 MSHKEY，,KEY,KEY=0,（系统默认）时，自由网格化；,KEY=1,时，对于网格化；,KEY=2,时，自由网格及对应网格混合，适于2-D实体模型。,声明网格单元形状 MSHAPE，,KEY，Dimension,Dimension=2D,时，KEY=0为四边形，KEY=1全为三角形；,Dimension=3D,时，KEY=0为六面体，KEY=1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。,（2）单元形状大小的定义,26,LESIZE,NL1,SIZE,ANGSIZ,NDIV,SPACE,定义所选线段（,NL1,）进行单元网格化时单元的大小。可用线段长度（,SIZE,）或该线段要划分的单元数目（,NDIV,）来确定。,SPACE,为间距比。,NL1=ALL,表示目前的所有线段。,ESIZE,SIZE,NDIV,对目前所有线段（不含LESIZE,KESIZE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（,SIZE,）或单元要分成的单元数目（,NDIV,）来确定。,LESIZE,NL1,SIZE,ANGSIZ,NDIV,27,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,28,有限元基础与ANSYS软件第4章实体建模课件,29,（3）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。,对线进行网格化：LMESH,NL1,NL2,NINC,对一组（,NL1,NL2,NINC,）线（Lines）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。,NL1=ALL,时，表示网格化当前所有线段，而,NL2、NINC,可省略掉。,对面积进行网格化：AMESH,NA1,NA2,NINC,对一组（,NA1,NA2,NINC,）面积（Areas）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。,NA1=ALL,时，表示网格化当前所有面积，而,NA2、NINC,可省略掉。,（3）网格的生成,30,对体积进行网格化：VMESH,NV1,NV2,NINC,对一组（,NV1,NV2,NINC,）体积（Volume）进行网格化（MESH），并生成节点和单元。,NV1=ALL,时，表示网格化当前所有体积，而,NV2、NINC,可省略掉。,对