ansys 创建节点单元模型与网格划分技术
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• 对Global和Lines 的单元尺寸控制是针对实体模型的边界上的单元尺寸的定义。 本项的设定可以在面的内部没有可以引导网格划分的尺寸线的区域控制单元尺寸，
推荐在自由分网时对此项进行设定，往往可以在整个模型上得到较好的网格。单击
按钮会弹出一个选择对话框，要求选择欲设置的面，选择欲设置的面然后单击 选择对话框上的 按钮或者 按钮确认，在弹出的设置对话框可以设定单 按钮将会清除设置。 元边长，输入合适的值即可。单击
较少的有限元模型，例如质量单元系统、弹簧/杆/梁等线单元系统、少量的壳体 单元系统等。
直接创建节点单元模型过程的三个步骤：
1）创建节点。 2）定义当前单元属性（单元类型、实常数、 材料、坐标系、单元截面号）， 3）创建单元。
对于复杂的空间结构系统，一般首先创建CAD模型，然后利用网格划分器将他 们划分成单元网格模型，如空间壳体结构、实体结构或者空间复杂梁系等。
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M2-19
8.5 几何模型划分单元生成有限元网格模型
下面先来介绍一下前文已经出现过的网格工具。网格工具提供了最常用的 网格划分控制和最常用的网格划分操作。单击 Main Menu | Preprocessor |
Meshing | Mesh Tool，打开网格工具，如下图所示，一旦打开了它，它就保
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M2-14
定义材料属性时应当注意以下几点：
• • 一般情况下杨氏模量（EX）必须定义； 若加惯性载荷，必须定义能求出质量的参数，如密度；
可以通过以下方式定义材料属性：
（1）单击菜单路径 Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，弹出 Define Material Model Behavior（定义材料模 型）对话框，如图下所示。 材料模型定义对话框中，右边的列表框通过树形结构列出了可用的材 料模型类别。 可以通过双击的方式展开一个材料模型类别而得到其所包含 的子类，例如双击 Structural（结构）类，将展开适用于结构分析的可用 的材料模型类别，如线性材料，非线性材料等等。
定义材料密度Βιβλιοθήκη （4）定义完毕后，单击定义材料模型对话框Material | Exit，退出材料模型定义对话框。
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M2-18
8.4直接法创建有限元网格模型过程
直接法创建有限元网格模型的思路是,首先创建节点，然后利用节点创建一序
列单元，多个单元组成一个有限元模型。该方法适用于简单的规则并且单元数目
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M2-21
3
4 5 6 7
8
(2) 智能网格划分控制
图中标识为（2）的区域提供了 Smart Sizing（智能单元尺寸）控制。Smart Sizing 控制在生成映射（Mapped）网格时无效。自由划分网格时建议使用 Smart
Sizing。可以选取Smart Sizing前面的复框打开Smart Sizing 控制并同时激活滑动条
壳单元 –用于模拟薄板或曲面。 –一般来讲，细的定义依赖于应用，主要方向的尺寸至 少为其厚度的10倍
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M2-3
• 二维实体单元:
–用于模拟实体的横截面 –必须在总体笛卡尔坐标系的X－Y平面内建模 –所有载荷都在X－Y平面上，响应（位移）也在X－Y平面 –单元可以有下列特性: •平面应力 •平面应变 •轴对称 •轴对称简谐
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M2-9
线性近似(较差的结果)
自由度值二次分布
实际为二次曲线
用多个单元的线性近似 (好结果)
二阶近似 (最好的结果)
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M2-10
线单元
• 只支持线性变化的位移因此一个 单元内为常应力 • •
二次单元
支持二次变化的位移及在一个单 元内线性变化的应力 能代表曲边边界及曲面，比线性 单元更为准确。对单元的扭曲不 太敏感 对高精度应力感兴趣的情况建议 采用 比线性单元给出的结果更好，多 数情况下用更少的单元及总的自 由度即可达到
D. 映射网格
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M2-1
8.1创建有限元模型的两种方法
• 方法一：直接法，首先创建节点，然后利用节点创建单元, 单个和多个单元组成一个有限元模型。 • 方法二：几何模型网格划分法，首先创建或者导入CAD几何 模型，然后利用网格划分工具将其划分成单元网格 模型。
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M2-22
(3)局部网格尺寸控制
ANSYS 用缺省单元尺寸生成的网格并不一定总能满足需要比如在模型的曲率较大的 区域需要相对密的网格，在这时可以利用网格工具提供局部网格尺寸控制工具（图中 (3)的区域）设置模型中局部的单元尺寸以满足特定的需要。ANSYS可以分别对线、面 以及选定关键点附近区域进行网格尺寸的控制，还可以设置缺省的单元尺寸。
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M2-15
对于一般的线性结构分析，只需用到线弹性，各向同性的材料本构 关系，本节即以此为例进行讲述。
（定义材料模型)
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M2-16
（2）在右边列表框中依次双击 Structural | Linear | Elastic | Isotropic 将会弹出一个线弹 性、各向同性材料模型属性定义对话框。如 图 2.28 所示。在对应的文本框中分别输入所用 材料的弹性模量和泊松比 后单击 OK 按钮。
•
•
对单元扭曲高度敏感
如果仅对名义应力结果感兴趣则 可接受
• •
•
对高应力梯度区需要大量单元
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M2-11
• 注意:
– 对壳单元，线性单元及二次单元的差别不如实体单元显著，因此通常 优先采用线性壳单元
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M2-12
结构分析常用单元类型:
Y
Z X
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M2-4
• 平面应力
假定在Z方向的应力为零 – 有效的组成为Z方向比X及Y方向的尺寸小得 多 – Z向应变非零 – 允许任意厚度(Z向) – 用于诸如承受面内载荷的平板 或承受压力或离心载荷的薄盘
Z X
Y
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M2-5
• 平面应变
假定Z方向为零应变 – 用于Z向尺寸远大于X及Y向尺寸的情况 – Z向应力非零 – 用于长、诸如结构梁等截面形状不变的结构
Z Y X
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M2-6
• 轴对称
假定三维结构及其载荷可由2维截面通过沿Y轴旋转 360 °得到： – 对称轴必须与总体Y轴重合 – 负的X 坐标不允许
M2-2
8.2 单元库、单元类型与单元实常数
8.2.1单元库、单元类型
点单元 线单元 –梁 单元用于模拟螺栓、管件、C-sections、角钢或只需膜应力和弯曲应力的 任何 细长杆件。 质量单元MASS21
–杆单元 用于模拟弹簧、螺栓、预应力螺栓及桁架。 –弹簧 单元用于模拟弹簧、螺栓、细长部件或通过等效刚度替代复杂部件.
elements division（边线的单元分划数）。需要注意的是只有单元边长文本框内容为 空或者零时，对缺省边线的单元分划数的设置才会有效。单击 省设置。缺省设置只对那些没有明确为其指定单元分划数的线有效。 按钮将会清除缺
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(总体单元尺寸设置)
2. Areas（面）
– Y 方向为轴，X方向为径向，Z方向为周向（环向）。
– 环向位移为零；环向应变和应力通常十分显著。 – 用于压力容器、直管、轴等。
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M2-7
• 三维实体单元:
– 用于几何模型、材料、载荷或要求的结构细节不能用简化形式的单元 模拟的情况。 – 还用于几何模型由三维CAD系统输入的情况，如果转化为二维或壳单元 形式需要大量时间和精力。
，滑动条用来控制 Smart Sizing的级别（从 1 到 10，级别越低，单元越细密 ）。
注：打开了 Smart Sizing 控制后，ANSYS首先对待划分网格的面或者体的所有边 界线估算单元边长。然后对几何体中的弯曲区域或者趋向相交区域的线进行细化。由 于所有的线和 面在网格划分开始时已指定大小，生成的网格的质量与划分网格的面 或体的顺序无关（同时对所有的面或者体划分网格的效果最好）。
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M2-8
单元阶次
• •
单元阶次指单元形函数多项式的阶次 何为形函数? – 给出单元结果形状的数学函数。因为有限元求解器只解出节点的自由度 值，需要形函数将节点自由度值映射到单元内的点上。 – 形函数代表给定单元的假定的表现 – 每个假定的单元形函数与真实情况的匹配程度直接影响求解精度
第八章: 创建节点单元模型与网格划分技术
• 网格划分的三个步骤:
– 定义单元属性(单元类型、实常数、材料属性). – 定义网格控制(控制网格密度). – 网格划分以前保存数据库. – 产生网格.
• 主要内容:
A. 多种单元属性 B. 控制网格密度 C. 改变网格 E. 六面体到四面体的过渡 F. 网格拖拉 G. 网格的扫略
•
下面分别对这部分的工具和选项进行介绍。
1. Global（缺省）
可通过设置每个单元的边长或者模型中每条边线的单元分划数来控制总体单元尺寸。 单击 按钮会弹出 Global Element Sizes（总体单元尺寸）设置对话框，如下图
所 示 ， 可 以 设 置 缺 省 的 Element edge length （ 单 元 边 长 ） 或 者 缺 省 No. of
持打开状态直到单击 按钮关闭它或 离开前处理（PREP7）为止。
•
尽管网格划分工具提供的所有功能都可以通过另外的 ANSYS 命令和菜单得
到，但利用网格划分工具是十分有效的快捷方式。比如通过网格划分工具也
可以完成单元属性的分配。在 Element Attributes（单元属性）域（图中标 识为（1)的区域）的下拉列表中可以选择定义Global（缺省)单元属性，或者 对 Volumes（体）、Areas（面）、Lines（线）和Key Points（关键点）等
各种实体图元类型分配单元属性。
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M2-20
分网要点 — 网格划分工具
网格划分工具是网格控制的一种快捷方式
1
2
Main Menu: Preprocessor > Mesh Tool
1 单元属性控制 2 智能网格划分控制 3 尺寸控制 4 指定单元形状 5 自由网格划分或映射网格划分 6 执行网格划分 7 清除网格 8 局部细划 (网格划分工具)
（定义材料属性）
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M2-17
（3）在涉及到惯性载荷的分析比如动力分析以及需要施加离心载荷的分析的时候，还 需
要定义材料的密度。在定义材料模型对话框中右边的列表框中依次双击 Structural
| Density，弹出定义材料密度对话框，如下图所示。在 DENS（密度）文本框中输入 材料 的密度值，确认后单击 OK 按钮。
弹簧 COMBIN14
注：单元实常数的定义及编辑可参考第六章的范例。
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M2-13
8.3
材料模型库与材料模型
绝大多数单元类型都需要材料属性。根据应用的不同，材料属性可以分为： * 线性或者非线性;
* 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，每一组材料属性也有一个材料属性参考号，与材料 属性组所对应的材料属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属性组（对应模型中有多种材料）。在创建单元时可 以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分配其采用的材料属性组。
实体 壳 梁
SOLID45 SOLID92 SOLID95 SOLID185 SHELL63 SHELL181 BEAM4 BEAM188 BEAM189
质量
杆 管
MASS21
LINK10 LINK11 PIPE16 PIPE17 PIPE18 PIPE20 PIPE59 PIPE60
表面效应 SURF153 SURF154
推荐在自由分网时对此项进行设定，往往可以在整个模型上得到较好的网格。单击
按钮会弹出一个选择对话框，要求选择欲设置的面，选择欲设置的面然后单击 选择对话框上的 按钮或者 按钮确认，在弹出的设置对话框可以设定单 按钮将会清除设置。 元边长，输入合适的值即可。单击
较少的有限元模型，例如质量单元系统、弹簧/杆/梁等线单元系统、少量的壳体 单元系统等。
直接创建节点单元模型过程的三个步骤：
1）创建节点。 2）定义当前单元属性（单元类型、实常数、 材料、坐标系、单元截面号）， 3）创建单元。
对于复杂的空间结构系统，一般首先创建CAD模型，然后利用网格划分器将他 们划分成单元网格模型，如空间壳体结构、实体结构或者空间复杂梁系等。
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8.5 几何模型划分单元生成有限元网格模型
下面先来介绍一下前文已经出现过的网格工具。网格工具提供了最常用的 网格划分控制和最常用的网格划分操作。单击 Main Menu | Preprocessor |
Meshing | Mesh Tool，打开网格工具，如下图所示，一旦打开了它，它就保
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定义材料属性时应当注意以下几点：
• • 一般情况下杨氏模量（EX）必须定义； 若加惯性载荷，必须定义能求出质量的参数，如密度；
可以通过以下方式定义材料属性：
（1）单击菜单路径 Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，弹出 Define Material Model Behavior（定义材料模 型）对话框，如图下所示。 材料模型定义对话框中，右边的列表框通过树形结构列出了可用的材 料模型类别。 可以通过双击的方式展开一个材料模型类别而得到其所包含 的子类，例如双击 Structural（结构）类，将展开适用于结构分析的可用 的材料模型类别，如线性材料，非线性材料等等。
定义材料密度Βιβλιοθήκη （4）定义完毕后，单击定义材料模型对话框Material | Exit，退出材料模型定义对话框。
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8.4直接法创建有限元网格模型过程
直接法创建有限元网格模型的思路是,首先创建节点，然后利用节点创建一序
列单元，多个单元组成一个有限元模型。该方法适用于简单的规则并且单元数目
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3
4 5 6 7
8
(2) 智能网格划分控制
图中标识为（2）的区域提供了 Smart Sizing（智能单元尺寸）控制。Smart Sizing 控制在生成映射（Mapped）网格时无效。自由划分网格时建议使用 Smart
Sizing。可以选取Smart Sizing前面的复框打开Smart Sizing 控制并同时激活滑动条
壳单元 –用于模拟薄板或曲面。 –一般来讲，细的定义依赖于应用，主要方向的尺寸至 少为其厚度的10倍
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• 二维实体单元:
–用于模拟实体的横截面 –必须在总体笛卡尔坐标系的X－Y平面内建模 –所有载荷都在X－Y平面上，响应（位移）也在X－Y平面 –单元可以有下列特性: •平面应力 •平面应变 •轴对称 •轴对称简谐
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线性近似(较差的结果)
自由度值二次分布
实际为二次曲线
用多个单元的线性近似 (好结果)
二阶近似 (最好的结果)
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线单元
• 只支持线性变化的位移因此一个 单元内为常应力 • •
二次单元
支持二次变化的位移及在一个单 元内线性变化的应力 能代表曲边边界及曲面，比线性 单元更为准确。对单元的扭曲不 太敏感 对高精度应力感兴趣的情况建议 采用 比线性单元给出的结果更好，多 数情况下用更少的单元及总的自 由度即可达到
D. 映射网格
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M2-1
8.1创建有限元模型的两种方法
• 方法一：直接法，首先创建节点，然后利用节点创建单元, 单个和多个单元组成一个有限元模型。 • 方法二：几何模型网格划分法，首先创建或者导入CAD几何 模型，然后利用网格划分工具将其划分成单元网格 模型。
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(3)局部网格尺寸控制
ANSYS 用缺省单元尺寸生成的网格并不一定总能满足需要比如在模型的曲率较大的 区域需要相对密的网格，在这时可以利用网格工具提供局部网格尺寸控制工具（图中 (3)的区域）设置模型中局部的单元尺寸以满足特定的需要。ANSYS可以分别对线、面 以及选定关键点附近区域进行网格尺寸的控制，还可以设置缺省的单元尺寸。
ANSYS9.0经典产品教程与实例详解
M2-15
对于一般的线性结构分析，只需用到线弹性，各向同性的材料本构 关系，本节即以此为例进行讲述。
（定义材料模型)
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（2）在右边列表框中依次双击 Structural | Linear | Elastic | Isotropic 将会弹出一个线弹 性、各向同性材料模型属性定义对话框。如 图 2.28 所示。在对应的文本框中分别输入所用 材料的弹性模量和泊松比 后单击 OK 按钮。
•
•
对单元扭曲高度敏感
如果仅对名义应力结果感兴趣则 可接受
• •
•
对高应力梯度区需要大量单元
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M2-11
• 注意:
– 对壳单元，线性单元及二次单元的差别不如实体单元显著，因此通常 优先采用线性壳单元
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结构分析常用单元类型:
Y
Z X
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• 平面应力
假定在Z方向的应力为零 – 有效的组成为Z方向比X及Y方向的尺寸小得 多 – Z向应变非零 – 允许任意厚度(Z向) – 用于诸如承受面内载荷的平板 或承受压力或离心载荷的薄盘
Z X
Y
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M2-5
• 平面应变
假定Z方向为零应变 – 用于Z向尺寸远大于X及Y向尺寸的情况 – Z向应力非零 – 用于长、诸如结构梁等截面形状不变的结构
Z Y X
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• 轴对称
假定三维结构及其载荷可由2维截面通过沿Y轴旋转 360 °得到： – 对称轴必须与总体Y轴重合 – 负的X 坐标不允许
M2-2
8.2 单元库、单元类型与单元实常数
8.2.1单元库、单元类型
点单元 线单元 –梁 单元用于模拟螺栓、管件、C-sections、角钢或只需膜应力和弯曲应力的 任何 细长杆件。 质量单元MASS21
–杆单元 用于模拟弹簧、螺栓、预应力螺栓及桁架。 –弹簧 单元用于模拟弹簧、螺栓、细长部件或通过等效刚度替代复杂部件.
elements division（边线的单元分划数）。需要注意的是只有单元边长文本框内容为 空或者零时，对缺省边线的单元分划数的设置才会有效。单击 省设置。缺省设置只对那些没有明确为其指定单元分划数的线有效。 按钮将会清除缺
ANSYS9.0经典产品教程与实例详解
M2-23
(总体单元尺寸设置)
2. Areas（面）
– Y 方向为轴，X方向为径向，Z方向为周向（环向）。
– 环向位移为零；环向应变和应力通常十分显著。 – 用于压力容器、直管、轴等。
ANSYS9.0经典产品教程与实例详解
M2-7
• 三维实体单元:
– 用于几何模型、材料、载荷或要求的结构细节不能用简化形式的单元 模拟的情况。 – 还用于几何模型由三维CAD系统输入的情况，如果转化为二维或壳单元 形式需要大量时间和精力。
，滑动条用来控制 Smart Sizing的级别（从 1 到 10，级别越低，单元越细密 ）。
注：打开了 Smart Sizing 控制后，ANSYS首先对待划分网格的面或者体的所有边 界线估算单元边长。然后对几何体中的弯曲区域或者趋向相交区域的线进行细化。由 于所有的线和 面在网格划分开始时已指定大小，生成的网格的质量与划分网格的面 或体的顺序无关（同时对所有的面或者体划分网格的效果最好）。
ANSYS9.0经典产品教程与实例详解
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单元阶次
• •
单元阶次指单元形函数多项式的阶次 何为形函数? – 给出单元结果形状的数学函数。因为有限元求解器只解出节点的自由度 值，需要形函数将节点自由度值映射到单元内的点上。 – 形函数代表给定单元的假定的表现 – 每个假定的单元形函数与真实情况的匹配程度直接影响求解精度
第八章: 创建节点单元模型与网格划分技术
• 网格划分的三个步骤:
– 定义单元属性(单元类型、实常数、材料属性). – 定义网格控制(控制网格密度). – 网格划分以前保存数据库. – 产生网格.
• 主要内容:
A. 多种单元属性 B. 控制网格密度 C. 改变网格 E. 六面体到四面体的过渡 F. 网格拖拉 G. 网格的扫略
•
下面分别对这部分的工具和选项进行介绍。
1. Global（缺省）
可通过设置每个单元的边长或者模型中每条边线的单元分划数来控制总体单元尺寸。 单击 按钮会弹出 Global Element Sizes（总体单元尺寸）设置对话框，如下图
所 示 ， 可 以 设 置 缺 省 的 Element edge length （ 单 元 边 长 ） 或 者 缺 省 No. of
持打开状态直到单击 按钮关闭它或 离开前处理（PREP7）为止。
•
尽管网格划分工具提供的所有功能都可以通过另外的 ANSYS 命令和菜单得
到，但利用网格划分工具是十分有效的快捷方式。比如通过网格划分工具也
可以完成单元属性的分配。在 Element Attributes（单元属性）域（图中标 识为（1)的区域）的下拉列表中可以选择定义Global（缺省)单元属性，或者 对 Volumes（体）、Areas（面）、Lines（线）和Key Points（关键点）等
各种实体图元类型分配单元属性。
ANSYS9.0经典产品教程与实例详解
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分网要点 — 网格划分工具
网格划分工具是网格控制的一种快捷方式
1
2
Main Menu: Preprocessor > Mesh Tool
1 单元属性控制 2 智能网格划分控制 3 尺寸控制 4 指定单元形状 5 自由网格划分或映射网格划分 6 执行网格划分 7 清除网格 8 局部细划 (网格划分工具)
（定义材料属性）
ANSYS9.0经典产品教程与实例详解
M2-17
（3）在涉及到惯性载荷的分析比如动力分析以及需要施加离心载荷的分析的时候，还 需
要定义材料的密度。在定义材料模型对话框中右边的列表框中依次双击 Structural
| Density，弹出定义材料密度对话框，如下图所示。在 DENS（密度）文本框中输入 材料 的密度值，确认后单击 OK 按钮。
弹簧 COMBIN14
注：单元实常数的定义及编辑可参考第六章的范例。
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8.3
材料模型库与材料模型
绝大多数单元类型都需要材料属性。根据应用的不同，材料属性可以分为： * 线性或者非线性;
* 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，每一组材料属性也有一个材料属性参考号，与材料 属性组所对应的材料属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属性组（对应模型中有多种材料）。在创建单元时可 以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分配其采用的材料属性组。
实体 壳 梁
SOLID45 SOLID92 SOLID95 SOLID185 SHELL63 SHELL181 BEAM4 BEAM188 BEAM189
质量
杆 管
MASS21
LINK10 LINK11 PIPE16 PIPE17 PIPE18 PIPE20 PIPE59 PIPE60
表面效应 SURF153 SURF154