第8章1(第7讲) (1)

第8例 三维实体单元分析实例28.1 问题描述图8-1为某轴承座的一半模型的结构和尺寸。

整体模型中，在轴承孔的下半部分作用成正弦规律变化的载荷a sin 01p p =（°££1800a ），合力大小2000=F N ，在轴承孔端面上作用均布的轴向力，整体模型中合力大小600N ，计算此结构的强度。

图8-1 承受单向拉伸的带孔矩形板8.2 实例目的Ø 模型的导入Ø 布尔操作Ø 三维映射网格的划分Ø 切向约束的施加Ø 轴承或函数载荷的施加Ø 面积等元素特性的查询Ø 结构部分模型结果的显示8.3 问题分析Ø 如果按照图8-1所绘制受力示意图加载，则模型左右方向的自由度没有限制，必然存在刚体位移，导致计算无法进行。

考虑到此例的结构与载荷均为上下、左右对称，因此，可以只建立结构的1/4模型，采用对称边界条件。

Ø新版本二维实体单元只有Plane182和plane183单元，早期版本plane42 、plane82单元仍可使用，但不推荐使用。

8.4GUI方式步骤1：实体模型导入由于直接采用ANSYS建模功能并不特别方便，较复杂的模型基本在其它三维CAD软件里建立，通过直接关联的接口或中间文件格式导入。

通常，经常采用导入的文件格式后缀有sat和x_t两种形式，这2种形式导入的模型完整，且可导入装配体模型，导入的模型基本不存在面的破碎等现象，这也是不建议采用igs格式导入模型文件的原因。

首先在三维CAD软件中将模型保存或输出后缀为sat的文件，注意保存的路径和文件名中不要出现中文字符。

选取应用菜单File→Import→ACIS，出现图8-2所示的ANSYS Connection for ACIS对话框，在指定路径下选择前面保存的sat文件“zcz.sat”，注意Geometry Type的下拉选项中根据需要选择导入的是实体、面还是线框，单击对话框中的“OK”确认并退出。

图8-2 sat格式文件导入步骤2：实体模型显示导入实体模型中，在ANSYS图形窗口中，模型仍以线框形式显示（图8-3）。

选取应用菜单PlotCtrls→Style→Solid Model Facets，弹出图8-4所示的Solid Model Facets对话框，在下拉选择框中选择“Normal Faceting”，单击对话框中的“OK”确认并退出。

选取应用菜单Plot→Replot，图形窗口中模型如图8-5所示，以面的形式显示。

图8-3 导入实体模型线框显示图8-4 实体模型面显示设置图8-5 导入实体模型面显示步骤3：选择单元类型选取主菜单Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，在弹出的Element Type对话框中，单击“Add”按钮；在弹出的Library of Element Types对话框左边的列表中，选“Structural Solid”，然后在右边的列表中选“Brick 8 node 185”（选择8节点的Solid185单元），单击对话框中的“OK”按钮；在返回的Element Type对话框中，单击对话框中的“Close”按钮退出。

步骤4：定义材料特性选取主菜单Preprocessor→Material Props→Material Models，在弹出的Define Material Mode Behavior对话框的右边选项框中，依次单击Structural→Linear→Elastic→Isotropic按钮（表示定义的材料为各向同性的线弹性结构材料类型）；在弹出的Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框的EX文本框中，输入“2.06e5”，在PRXY文本框中，输入“0.3”，单击此对话框的“OK”按钮退出；再关闭Define Material Mode Behavior对话框。

步骤5：轴承座体的分割导入的轴承座可以采用自由网格划分，但这是Solid186单元大多退化为4面体单元和5面体单元，其计算精度大为降低，若采用自由网格，则不如选择10节点的Solid187单元。

在Hypmesh以及ICEM-CFD、Gambit等软件中，可以对复杂结构划分出高质量的6面体单元。

对于不太复杂的结构，在Ansys中，可以通过体的分割等操作，使各体满足体的映射网格划分和体的扫略网格划分的要求，划分得到6面体单元时，其中体的映射网格划分得到的是6面体，而体的扫略网格划分大多划分得到的是6面体，少量是5面体的楔形单元。

三维体映射网格划分的要求和措施：a)体由6个面、5个面、4个面围成的6面体、楔形或棱形或4面体构成；b)各面划分符合二维映射网格划分的要求，即面若是4条线，面中相对的线必须划分相同的份数，若面是3条线，则各线划分的份数相等且为偶数；c)当需要减少围成体的面数以进行映射网格划分时，可以采用面连接，一次只能连接2个面；d)采用布尔操作中的体分割，将体分割为2块或2块以上的体，每个体满足映射网格前面的3个要求。

三维体扫略网格划分的要求和措施：a)体由五个以上的面构成；b)源面与目标面必须拓扑结构相同；c)侧面和体内线最好从源面贯穿到目标面；d)可确定体的哪一个边界面作为源面或目标面（可自动确定），也可有选择地对源面、目标面和边界面划分网格并确定扫略操作中生成的单元层的数目；e)采用布尔操作中的体分割，使分割后的体满足映射或扫略网格划分的要求。

因此，对较复杂的体，不可能直接采用映射或体扫略网格划分的方式，得到六面体单元，必须采用体分割，将复杂的体分割成满足映射或体扫略网格划分的要求。

（1）轴承座上下分割，得到底板和上部结构工作平面平移到点。

选取应用菜单WorkPlane→Offset WP to Keypoints，在图形窗口拾取图8-6所示位置的点35（由于建模过程不同，导入后点号不一定相同，所列出的点号只是表明在图8-6中的位置），在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认，则将工作坐标系平移到了点35。

图8-6 工作平面平移到点17工作平面旋转。

选取应用菜单WorkPlane→Offset WP by Increments，在出现的Offset WP对话框中，将Degrees上部的拖拉工具条拖到最右端，此时拖拉工具条上部数值显示为90，再单击对话框中的，使得工作坐标系的工作平面（WX和WY平面所组成的平面）与底板上表明平行（图8-7）。

图8-7 工作平面旋转后效果采用工作平面分割轴承。

选取主菜单Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→V olu by WrkPlane，在图形窗口选取轴承座（1号体），在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出。

此时，底板体号为2，上部结构为体3，在布尔操作后，两个体之间仍有公共面，仍是一个零件。

选取应用菜单PlotCtrls→Numbering，出现图8-8所示的Plot Numbering Controls对话框，点击VOLU V olume numbers后的选择项，使其显示为“On”，注意[/NUM] Numbering shown with后的下拉选择框为“Colors & numbers”，单击对话框的“OK”按钮退出。

选取应用菜单Plot→V olumes，得到图8-9所示分割后的效果（体2和体3共2个体），其中体1分割后分成体2和体3，原体号没有立即采用。

图8-8 显示的元素代号控制图8-9 轴承座分割成底板和上部结构（2）底板和上部结构前后分割工作平面旋转。

选取应用菜单WorkPlane→Offset WP by Increments，在出现的Offset WP对话框中，Degrees上部的拖拉工具条已经被拖到最右端，再单击对话框中的，使得工作坐标系的工作平面与全局坐标系的XY平面平行。

采用工作平面分割底板和上部结构。

选取主菜单Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→V olu by WrkPlane，在图形窗口选取上部结构和底板（体3和体2），在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出，将筋板分割出来的同时，也将底板分割成前后2个体，图8-10为分割后的效果（体1、4-6共4个体），其中体2分割后分成体4和体6，体3分割后分成体1和体5，原体号没有立即采用，注意各体分割后体号可能与图8-10并不相同。

（3）分割体5工作平面平移到点。

为分割图8-10中的体3（V3），将工作平面平移到图8-7中的点36位置。

选取应用菜单WorkPlane→Offset WP to Keypoints，在图形窗口拾取图8-7所示点36位置的点，在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认，则将工作坐标系平移到了点36。

工作平面旋转。

选取应用菜单WorkPlane→Offset WP by Increments，在出现的Offset WP对话框中，Degrees上部的拖拉工具条已经被拖到最右端，再单击对话框中的，使得工作坐标系的工作平面与全局坐标系的XZ平面平行。

采用工作平面分割分割图8-10中的体5。

选取主菜单Preprocessor→Modeling →Operate→Booleans→Divide→V olu by WrkPlane，在图形窗口选取体5，在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出。

图8-11为分割后的效果（体1-4、6共5个体），其中体5分割后分成体2和体3，注意各体分割后体号可能与图8-11并不相同。

图8-10分割后的效果（4个体）图8-11 分割后的效果（5个体）（4）分割多个体工作平面旋转。

选取应用菜单WorkPlane→Offset WP by Increments，在出现的Offset WP对话框中，Degrees上部的拖拉工具条已经被拖到最右端，再单击对话框中的，使得工作坐标系的工作平面与全局坐标系的YZ平面平行。

采用工作平面分割图8-11中的体3、4、6。

选取主菜单Preprocessor→Modeling →Operate→Booleans→Divide→V olu by WrkPlane，在图形窗口体3、4、6的形心位置单击3次，选取体3、4、6，在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出。

图8-12为分割后的效果（体1、2、5、7-11共8个体），其中体3分割后分成体7和体9，体4分割后分成体8和体10，体6分割后分成体5和体11，注意各体分割后体号可能与图8-12并不相同。