FEA-03-ANSYS建模与分析

北京科技大学
数理学院应用力学系
第三章ANSYS建模与分析
主要内容：
实体建模的概念
11.区别实体模型和有限元模型；
22.四种创建几何模型的可行方法；
33.四类实体模型图元以及它们之间的层次关系.
2
1.区分实体模型与有限元模型
现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模.类似于以数学的方式表结构的几何形状用于在CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷
. 但是，几何实体模型并不参与有限元分析.所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（节点实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上节点或单元上）进行求解.
由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分（meshing).
几何实体模型有限元模型
Meshing
3Objective
3.四类实体模型图元, 以及它们之间的层次关系.(即使想从CAD 模型中传输实体模型，也应该知道如何使ANSYS 建模工具修改传入的模型.)用建模具修改传的模型)下图示意四类图元.
•体(3D 模型) 由面围成，代表
A 三维实体.
•面(表面) 由线围成. 代表实体
表面、平面形状或壳（可以是Areas Keypoints 三维曲面）.
•线(可以是空间曲线) 以关键点为端点，代表物体的边.)Lines
•关键点(位于3D 空间) 代表物体的角点.Volume
Area
4.定义工作平面
工作平面(WP) 是一个可移动的参考平面，类似于”绘图板“。

y
wy
x
wx
原点
辅助网格，间距可调
工作平面
Utility Menu: WorkPlane >
工作平面控制
移动工作平面
的选项
有关坐标系统的
选项(将在以后的
课程中讨论)
5.
显示工作平面，辅助网格的开关及密度控制要显示工作平面:
显示作平面，辅助网格的开关及密度控制
Utility Menu: WorkPlane > Display Working Plane
显示工作平面标
记，表示工作平面的原点.
工作平面辅助网格开关:
Utility Menu: WorkPlane > WP Settings ...
选取二者其中任意一个，显示工
作平面辅助网格，然后选择OK
OK
或Apply.
改变辅助网格的间距:
Utility Menu: WorkPlane > WP Settings ...
间距为010.1
输入间距
值，然后选择OK 或Apply.
间距为0.05
66.捕捉开关及捕捉增量.
在徒手创建几何图元时，捕捉功能用离散的、可控的增量代替光滑移动，更精确地选取坐标或关键点等.
捕捉功能的特点:
•捕捉可以打开或关闭.
•捕捉增量可调.
•(相当于
捕捉增量可设置与工作平面间距相等
在坐标纸上绘图).
打开或关闭捕捉:
Utility Menu: WorkPlane > WP Settings ...
选取则打开捕捉，不选取则关闭捕捉，然
OK Apply
后选择OK 或Apply.
要修改捕捉增量:
Utility Menu: WorkPlane > WP Settings ...
输入捕
捉增量
，然后
选择OK
或
Apply
Apply.
图示为使用捕捉功能画矩形，其中捕捉增量
等于辅助网格间距.
77.移动工作平面.
工作平面原点的缺省位置与总体坐标原点重合，但可以平
移工作平面，便于创建2D几何模型.
缺省：工作平面原点与总体坐标原点重合.移动了工作平面以后.
注: 从当前的工作平面位置进行平移操作.
设定平移量
将工作平面平
移到一个目标
移到个目标
上
定义工作平
面的取向
要以设置增量方式平移工作平面:
增式移作
Utility Menu: WorkPlane > Offset WP by Increments ...
选择方向平移工作平面，然后
选择OK 或Apply.
OK Apply
工作平面及激活的坐标系统
工作平面是2D 的绘图板，用于定总体及局部坐标系统（例如柱坐位在建模过程中几何项目. Main Menu: Modeling > Create 标，用户定义坐标等）用于设定几何项目在空间的位置. M i M M d li C t > Keypoints > On Working Plane +
Main Menu: Modeling > Create > Keypoints > In Active CS ...
激活坐标系统可以与工作平面重合，也可以是总体坐标（或局部坐标）系统。

这个话题将在后面的课程中详细描述.
8.基本体素“primitive”
体素是指预先定义好的、具有共同形状的面或体. 92D体素
9.ANSYS中的2D 体素:
矩形圆多边形
创建2D体素:
Main Menu: Preprocessor > -Modeling-Create >
M i M P>M d li C t>
选择以“＋”结尾的菜单，
将弹出拾取菜单(见下页），
提示通过拾取方式创建体素.
By Dimensions ... 将弹
选择By Dimensions
出对话框，提示输入体素的坐
标.
对话框示例
以拾取方式创建示例
1. 阅读输入窗口中的提示.
22.按照提示在图形窗口通过鼠标左键拾取坐标
或几何元素，然后在此对话框中选择OK 或
Apply .
也可以在对话框中输入，代替鼠标拾取.
拾取菜单
以拾取方式创建示例
a.单击一次鼠标
b.移动鼠标确定第二左键定义第一个对角顶点.个对角顶点，注意“橡皮筋”效果.c 单击一次鼠标左键定
c.单击次鼠标左键定义第二个对角顶点.
注意ANSYS 自动将创建的模型放大或缩小到整个图形窗口.
需要牢记的
创建一个矩形等于自动创建•创建个矩形，等于自动创建了9个图元，4个关键点，4条线，1个面.
.
.
..Line
Line
Line
Keypoints Oh yeah! I remember these entity things.
Area Line
•创建的面将位于工作平面内，定义取决于工作平面的坐标系.
ANSYS •ANSYS 将自动对每个图元编号.
10.绘制面，线及关键点
.
绘制面线及关键点创建也可以绘制低阶2D 体素后，ANSYS 缺省绘制面.
的图元，例如线,
... 或关键点.
要绘制面，线或关键点:
Utility Menu: Plot > Keypoints or Lines or Areas
1111.在图形窗口中区分图元.
当多个图元同时在图形窗口中显示时，可以通过打开某种图元类型编号来区分它们，这些图元以不同的标号和颜色显示.
打开面编
号的结果
打开编号显示:
Utility Menu: PlotCtrls > Numbering ...
选取需要的
项目，然后
选择OK.
控制是否编号
和颜色同时显
(),
示缺省), 只
显示编号, 或
只显示颜色.
注意区分图元
编号显示在图元的“热点”上
.
•对于面或体，热点为图形中心.
•对于线，有三个热点:
对于线有个热点
.
.
为什么这一点非常重要: 需要在图形窗口拾取取图元时，应该点取图形的热点，确保拾取所需要的图元。

这对于有多个图形重叠的情况非常重要.（如上图）
关于编号字体的大小
在PC上运行ANSYS，缺省的编号字体比较小，可按下述方法放大：
要放大编号字体:
1. Utility Menu: PlotCtrls > Font Controls > Entity Font ...
2.选择需要的字体、尺寸等
3.选择OK.
4.Utility Menu: Plot > Replot
12删除面线及关键点12.删除面，线及关键点.
当删除图元时，ANSYS 提供两种选择:
•可以只删除指定的图元，保留这个图元所包含的低阶图元•也可以连这个图元包含的低阶图元一块删去.
只删除面，保留面上的线及关键点
删除面以及面所包含的低阶图元（线，关键点）
要删除个或多个图元:
要删除一个或多个图元
Main Menu: Preprocessor > -Modeling-Delete
在图形窗口中拾取一个
或多个图元（本例中为
面），然后选择OK..
选择图元(注意前
页所述两种方式
）.
.
13、布尔操作
是指几何图元进行组合计算 ANSYS dd . ANSYS 的布尔操作包括add, subtract, intersect, divide, glue 以及overlap . 它们不仅适用于简单的体素中的图元，也适用于从CAD 系统传入的复杂几何模型.使用布尔操作:
Main Menu: Preprocessor > -Modeling-Operate >
例如这个看起来复杂的模型实际上是一个方WZ WY 模型，实际上是个方块与一个空心的球进行求交（intersect ）布尔WX
操作的结果.
布尔运算是对几何实体进行组合的运算
•是对几何实体进行组合的运算。

ANSYS 中的布尔运算包括：加、减、相交、叠分、粘接和搭接。

•布尔运算时，输入可以是任意几何实体，从简单的图元到通过CAD系统输入的复杂的几何体。

加
输入实体布尔运算输出实体
•所有的布尔操作可以在GUI界面下获得
•Preprocessor ->Modeling --> Operate -->Booleans
•缺省状态, 布尔操作时输入的几何实体在运算结束后将被删除。

•被删除实体的编号将“释放”(即, 这些编号从最小编号开始，指定给新的实体）。

指定给新的实体）
相交
相加
相减
分割
粘接
搭接
切割
1、相加（add）：
是指对所有图元进行叠加，包含原是个图元的所有部分，生成一个新图元，各个原始图元的公共边界将被清除，形成一个单一的整体。

在ansys的面相加中只能对共面的图元进行操作。

add
2、减（Subtract）
–删除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。

–对于建立带孔的实体或准确删除部分实体特别方便。

Subtract
3、粘结（glue）：
粘结（g ）作用是将多个图元组粘结成一个连续体，图元之间仅在公共边界处相连。

粘结操作与加操作不同的是这些图元之间仍然相互独立只是在边界上连接简而言之A 把两者熔了重独立，只是在边界上连接。

简而言之：ADD：把两者熔了，重塑一个物体。

GLUE：两者连接处涂胶水，粘上。

该命令在定义两个不同材料的实体时特别方便
该命令在定义两个不同材料的实体时特别方便。

简而言之：ADD：把两者熔了，重塑一个物体。

GLUE：两者连接处涂胶水，粘上。

两者连接处涂胶水，粘
glue
4、搭接（overlap）：
是指将分离的同阶图元转变为一个连续体，其中图元的所有重叠区域将独立成为个图元。

例如：将块石头放入所有重叠区域将独立成为一个图元。

例如：将一块石头放入
一杯水中后，水与石头的关系就是搭接关系（但是水不好溢出）。

搭接把两者相交处新生成“第三者”，原来的各少一块。

搭接由几个图元生成更多的图元，相交的部分则被分离出来。

实体彼此搭接后的关系与粘接相同。

Overlap
5、切割（Divide）
–用另外一个东西把一个实体分割为两个或多个，它们仍通过共同的边界连接在一起。

–“切割工具”可以是工作平面、面、线甚至于体。

–在用块体划分网格时，通过对实体的分割，可以把复杂的实体变为简单的体。

Divide
6、相交（Intersection）
–只保留两个或多个实体重叠的部分。

如果输入了多于两个的实体，则有两种选择：公共相交和–如果输入了多于两个的实体，则有两种选择：
两两相交。

•公共相交只保留全部实体的共同部分。

公共相交只保留全部实体的共同部分
•两两相交则保留每一对实体的共同部分，这样，结果可
能有多个实体
Pairwise
Common
Intersection Intersection
7、分割（Partition）
–把原来组合的东西拆散，即把两个或多个原来组合起
来的实体分为多个实体，但相互之间仍通过共同的边
界连接在起
界连接在一起。

–若想找到两条相交线的交点并保留这些线时，此命令
特别有用如下图所示(相交运算可以找到交点但删特别有用，如下图所示。

(相交运算可以找到交点但删除线）
L L
2L
L
6
Partition
13
L
5L 4
定义关键点:
ANSYS建模步骤
•–Main Menu > Preprocessor > Modeling > C t >K i t
Create > Keypoints •建立关键点只需要关键点编号及坐标值。

–关键点编号缺省值为下一个整数数关键点编号缺省值为下个整数数。

–坐标位置可以通过在工作平面上拾取
坐标值确定坐标值的
或输入X,Y,Z 坐标值确定，坐标值的确定依赖于当前激活坐标系。

激活坐标系
缺省为整体直角坐标系
•缺省为整体直角坐标系。

•用CSYS命令(或Utility Menu > WorkPlane > Change Active CS to) 可将其改变为
>Change Active CS to)
–整体直角坐标系[csys,0]
–整体柱坐标系[csys,1]
1
–整体球坐标系[csys,2]
–工作平面[csys,4]
–或用户定义的局部坐标系[csys, n]
这些坐标系将在下面介绍。

整体坐标系
•模型的整体参考系统。

•可以是直角坐标系（0）、柱坐标系（1）或球坐标系
(2)。

–例如, 整体直角坐标系中的点(0,10,0)，与整体柱坐标系中的点(10,90,0)是同一个点。

局部坐标系
•用户在所需位置定义的坐标系, 其ID 编号大
于11. 位置可以在:
–工作平面原点[CSWP ]
–指定的坐标位置[LOCAL ]
–在已有的关键点[CSKP ]或结点[CS ]处
•可以是直角坐标系、柱坐标系或球坐标系.
•可以绕X 、Y 、Z -轴旋转.
Y Y X 11
Y 11X 1212
X
•可以定义多个坐标系，但任何时候只能有一个坐标系被激活。

候只能有一个坐标系被激活•激活坐标系影响一部分几何参数的定义[CSYS]：
–关键点和节点位置
–线的曲率
–面的曲率
–生成或填充的关键点和节点
–等
•图形窗口的标题显示了激活坐标系。

在关键点
(1,0,0), (0,1,0),和
(100)(010)
(0,0,1)之间建立面。

•有许多方法定义线如下所示
有许多方法定义线，如下所示：•如果定义面或体, ANSYS 将自动生成未定义的线，线的曲率由当前激活坐标系确定
的曲率由当前激活坐标系确定。

•建立线的关键点必须可用。

Create > Lines > Arcs Create > Lines > Lines Create > Lines >
Splines Operate >Extrude
p
•用由下向上的方法建立面，所需的关键点、线必须预用由下向上的方法建立面所需的关键点线必须预先定义。

•如果定义体，ANSYS 将自动生成未定义的面、线，线如果定义体ANSYS将自动生成未定义的面线线的曲率由当前激活坐标系确定
Create > Areas
Operate > Extrude
>
Arbitrary
•用由下向上的方法生成体，需要的关键点、线和面必须预向上的法生体需的关键点线先定义好
Create > Volumes >Operate > Extrude
Arbitrary
8、拖拉（Extrusion）
•利用已有的面快速生成体(或由线生成面,由关键点生成线).
如果面已经划分了网格，单元也可以随着面起拉•如果面已经划分了网格，单元也可以随着面一起拉伸.
•有四种方法拉伸面：
–法向拖拉—通过对面的标准偏移形成体
[VOFFST]。

–XYZ偏移—通过对面的XYZ偏移量形成体[VEXT]。

可以锥形拉伸。

–沿坐标轴—绕坐标轴旋转面形成体(也可通过两
)[
个关键点旋转) [VROTAT]。

–沿直线—沿一条线或一组邻近的线拖拉面形成体[VDRAG]。