第三章 板、壳单元建模分析(1)

有限元软件应用
第三章
板、壳单元建模分析
当一个3D实体结构的厚度不大（相对于长宽尺寸），而且变形是以翘曲为主时（亦即out-of-plane的变形），这种结构称为板壳结构。

可以用板、壳单元来解决此类结构的问题。

板（PLANE）、壳（SHELL）单元是二维单元，厚度参数通过实常数进行定义。

2连接生成单元
下图所示为一连杆结构平面示意图，试建立其几何模型（图示长度单位为mm）。

1. 启动ANSYS，将Title命名为“CONNECTING ROD”。

2. 创建关键点
选择菜单路径：“Main Menu”→“Preprocessor”→“Modeling”
→“Create”→“Keypoints”→“In active CS”，单击弹出“Create Keypoints In Active Coordinate System”对话框。

在Keypoint Number中输入“1”，并输入第一点X坐标值为“-180”，然后单击[APPLY]按钮生成后续节点，坐标如下所示。

2(-180,35,0)
3(-135,35,0)
3. 连接关键点生成线
选择菜单路径：“Main Menu”→“Preprocessor”→“Modeling”
→“Create”→“Lines”→“In active Coord”，弹出Lines in Active拾取菜单，在输入栏中输入1，2，单击Apply按钮，生成一条线段，在输入栏中输入2，3，单击OK按钮，生成另一条线段。

5. 制作圆弧倒角
选择“Main Menu”→“Preprocessor”→“Modeling”→“Create”→“Lines”→“Line Fillet”命令，出现Line Fillet拾取菜单，点击L2、L3，单击OK按钮，出现Line Fillet对话框，在NL1,NL2 Intersecting lines后面的2个输入栏中依次输入2、3，在RAD Fillet radius输入栏中输入30，如下图所示，单击OK按钮关闭该对话框，完成对线段倒角。

6. 显示工作平面、旋转工作平面，并将工作平面激活为当前坐标系
（1）选择“Utility Menu”→“WorkPlane”→“Display Working Plane”命令，显示工作平面。

（2）选择“Utility Menu ”→“WorkPlane”→“Offset WP by Increments”命令，出现Offset WP对话框，在
XY,YZ,ZX Angles输入栏中输入45（逆时针为正），单击OK按钮关闭该对话框。

（3）选择“Utility Menu ”→“WorkPlane”→“Change Active CS to ”→“Working Plane”命令，将当前激活坐标系设置为与工作平面一致。

7. 通过镜像生成实体
选择“Main Menu ”→“Preprocessor ”→“Modeling ”→“Reflect”→“Lines”命令，出现Reflect Lines拾取菜单，单击Pick All按钮，出现Reflect Lines对话框，在Ncomp Plane of Symmetry选项中选择Y-Z plane X，单击OK 按钮关闭该对话框。

7. 移动旋转工作平面
选择“Utility Menu ”→“WorkPlane”→“Offset WP by Increments”命令，出现Offset WP对话框，在XX,YZ,ZX Angles输入栏中输入-45，单击Apply按钮，在X,Y,Z Offsets输入栏中输入600，单击OK按钮关闭该对话框。

（注意动作的先后顺序）
8. 创建局部圆柱坐标系
选择“Utility Menu”→“WorkPlane”→“Local Coordinate Systems”→“Create Local CS ”→“At WP Origin”命令，出现Create Local CS At WP Origin话框，在KCS Type of coordinate system下拉菜单中选择Cylindrical 1，单击OK按钮关闭该对话框。

8. （1）生成以下关键点编号及坐标：
16(75,0,0); 17(75,135,0); 18(40,0,0); 19(40,180,0)。

（2）分别连接关键点16、17和关键点18,19。

9. 回到全局笛卡尔坐标系，并镜像实体
（1）选择“Utility Menu ”→“WorkPlane”→“Change Active CS to ”→“Global Cartesian”命令，将当前激活坐标系转变成全局笛卡尔坐标系。

（2）镜像L4，L6，L7，L9，如下图所示。

10. （1）生成以下关键点编号及坐标：27(250,55,0); 28(520,45,0)
（2）选择“Main Menu ”→“Preprocessor”→“Modeling ”→“Create ”→“Lines”→“Splines”→“Spine thru KPs”命令，出现B-Spline拾取菜单，在输入栏中输入17，28，27，24，单击OK按钮关闭该菜单。

11. （1）倒圆角：L15与L17——R40；L11与L17——R150
（2）镜像生成下半部模型。

2、圆弧的生成方式
（1）圆柱坐标系下连线（如例题所示操作）；
（2）命令：LARC,P1,P2,PC,RAD
GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines
>Arcs>Through 3 KPs
在不输入RAD（半径）时，软件将绘制一条依次通过P1,PC,P2的圆弧线，圆弧的半径自动计算出来，如左图所示；
对于输入RAD的情况，PC则作为圆弧曲率中心部分的任何一点（表明圆弧的弯曲方向），不一定是圆心，如右图所示。

（3）命令：CIRCLE, PCENT, RAD, PAXIS, PZERO, ARC, NSEG GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines> Arcs >By Cent & Radius
PCENT：圆心；
PAXIS：圆心轴正方向上任意一点；
PZERO：圆弧起始轴上任意一点；
RAD：此值若不输入，则半径定义
为PCENT到PZERO的距离；
NSEG：圆弧线的分段数。

思考：如何完成上节中连杆构件平面的创建。

（命令流见P47）
难点一：多余9条边线的面的生成（AL命令中只能选择9条边线）；难点二：两个连接孔的生成（面的部分删除）。

（2）面相交
命令：AINA, NL1, NL2, NL3, NL4, NL5, NL6, NL7, NL8, NL9 GUI：…Intersect> Common>Areas
（3）线面相交
命令：LINA, NL, NA
GUI：…Intersect> Common>Line with Area
面分割线面分割线
（2）线分割线
命令：LSBL, NL1, NL2,SEPO, KEEP1, KEEP2
GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans >Divide>Area by Area
线分割线
线分割线
（3）面分割面
命令：ASBA, NA1, NA2,SEPO, KEEP1, KEEP2
GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans >Divide>Area by Area
面分割面
面分割面
注意：在对面进行分割时，要保证分割的图元贯穿该面，否则操作无效。

没有进行布尔运算的情况
进行布尔运算的情况——
获取公共边线，确保在该边线上两个面上的网格节点耦合，形成一个承载结构。

一圆管接头的几何尺寸为：主管直径为100mm，厚度5mm（以中面尺寸进行建模），长度600mm，支管采用同一尺寸，直径
40mm，厚度3mm（同上），支管与主管夹角为45。

试完成该结构的几何建模。

1. 启动ANSYS，将Title命名为“Y JOINT”。

2. 转换角度制
GUI：Utility Menu | Parameters | Angular Units
命令：*AFUN,DEG
3. 利用旋转生成主管与支管的圆柱面
K,1,-0.3,0,0 $K,2,0.3,0,0
K,3,-0.3,0.0485,0 $K,4,0.3,0.0485,0
K,5,0.3*SIN(45),0.3*COS(45),0 !ANSYS含有三角函数计算K,6,0.3*SIN(45),0.3*COS(45),0.0185
K,7,0,0,0.0185 $K,8,0,0,0。