ANSYS建立实体模型
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第3 章
建立实体模型
实体模型是分析的基础， 实体模型是分析的基础，约束和载荷加载在实体模型才能进行分析 计算。实体模型的建立，可以视为前处理器中阶段性的任务。 计算。实体模型的建立，可以视为前处理器中阶段性的任务。设计工程 师可以通过CAD软件所提供的构建、旋转、平移、放大、缩小等功能， 软件所提供的构建、 师可以通过 软件所提供的构建 旋转、平移、放大、缩小等功能， 达到建立、查看和修改产品实体模型的目的。 达到建立、查看和修改产品实体模型的目的。 ANSYS中实体模型的来源有两种，一种方法可以通过常用的中间 中实体模型的来源有两种， 中实体模型的来源有两种 文件格式导入；另外一种方式就是在ANSYS前处理器中直接建模。当来 文件格式导入；另外一种方式就是在 前处理器中直接建模。 前处理器中直接建模 软件时， 自CAD软件时，可以通过 软件时 可以通过IGES,SAT,STEP,PARASOLID等中间文件格 等中间文件格 式进行转换，而输入ANSYS，或者经由直接转换界面，将CAD模型直 式进行转换，而输入 ，或者经由直接转换界面， 模型直 接转换至ANSYS中。使用这种方式时，最好先在 接转换至 中 使用这种方式时，最好先在CAD软件中对模型进 软件中对模型进 行简化，再把模型输出，这样可以节省处理模型的时间。 行简化，再把模型输出，这样可以节省处理模型的时间。
3.2
导入CAD软件创建的实体模型 导入CAD软件创建的实体模型 CAD
为了提高工作效率，通常在商业 为了提高工作效率，通常在商业CAD软件中建立复杂的 软件中建立复杂的 产品实体模型，然后通过ANSYS和CAD软件的接口将 软件的接口将CAD模 产品实体模型，然后通过 和 软件的接口将 模 型导入到ANSYS系统中。 系统中。 型导入到 系统中
IGES格式实体的导入 3.2.2 IGES格式实体的导入
IGES（Initial Graphics Exchange Specification） （ ） 是一种被广泛接受的中间标准格式，用来在不同的CAD和 是一种被广泛接受的中间标准格式，用来在不同的 和 CAE系统之间交换几何模型。使用该文件格式可以输入全部 系统之间交换几何模型。 系统之间交换几何模型 或者部分模型文件， 或者部分模型文件，因而用户可以通过它来输入模型的全部 或者一部分从而减轻建模工作量，然后在ANSYS里对输入 或者一部分从而减轻建模工作量，然后在 里对输入 的模型进行修改。对于输入IGES文件，ANSYS提供如下两 文件， 的模型进行修改。对于输入 文件 提供如下两 种选项： 种选项： 1．SMOOTH选项 ． 选项 2．FACETED选项 ． 选项
3.2.1 图形交换数据格式
模型文件导入ANSYS可以通过以下 种方法实现。 可以通过以下3种方法实现 将CAD模型文件导入 模型文件导入 可以通过以下 种方法实现。 中间格式： 中间格式：IGES、SAT、STEP等。 、 、 等 双向接口： 双向接口：即ANSYS与UG、Pro/E、ADAMS、FEMAP、 与 、 、 、 、 PATRAN、I-DEAS、COSMOS、ALGOR等软件的有限元模型可 、 、 、 等软件的有限元模型可 相互转换。 相互转换。 直接几何接口： 可直接调入Pro/E、UG、SAT、 直接几何接口：即ANSYS可直接调入 可直接调入 、 、 、 Parasolid、Solid Works、Solid Edge等软件生成的几何模型。 等软件生成的几何模型。 、 、 等软件生成的几何模型
3.4
ANSYS环境内直接建模方法 ANSYS环境内直接建模方法
对于一些如梁， 对于一些如梁，对称轴等简单几何图形表达的产品模型 不需要使用CAD软件构建，而可以直接在 软件构建， ，不需要使用 软件构建 而可以直接在ANSYS内使用建 内使用建 模工具快速建立模型， 中提供了两种建模方法， 模工具快速建立模型，ANSYS中提供了两种建模方法，即自 中提供了两种建模方法 上而下创建几何模型和自下而上创建几何模型。 上而下创建几何模型和自下而上创建几何模型。
3.4.1 自上而下创建几何模型
所谓的自上而下的建模方法是指从较高级的实体图元构造模 型的方法。 软件允许通过创建线、 型的方法。ANSYS软件允许通过创建线、面和体等几何体素的 软件允许通过创建线 方法构造几何模型。当构造一种体素时， 方法构造几何模型。当构造一种体素时，ANSYS将自动生成所 将自动生成所 有从属于该体素的较低图元，例如构造立方体时，立方体的点， 有从属于该体素的较低图元，例如构造立方体时，立方体的点， 面等低级图元自动生成。 线，面等低级图元自动生成。 自上而下的产品设计最初考虑的是产品应实现的功能， 自上而下的产品设计最初考虑的是产品应实现的功能，最后 才考虑实现这些功能的几何结构，它符合设计人员的思维过程， 才考虑实现这些功能的几何结构，它符合设计人员的思维过程， 在产品设计的最初就将产品的功能、 在产品设计的最初就将产品的功能、关键约束等重要信息确定下 同时分配给各子系统，便于实现多个子系统的协同。 来，同时分配给各子系统，便于实现多个子系统的协同。
导入SolidWorks SolidWorks中创建的叶片模型 3.2.6 导入SolidWorks中创建的叶片模型
图 导入的叶片模型
导入UG UG绘制的轴承模型 3.2.7 导入UG绘制的轴承模型
图 在ANSYS中显示导入的轴承模型 中显示导入的轴承模型
导入SolidEdge SolidEdge中绘制的联轴器模型 3.2.8 导入SolidEdge中绘制的联轴器模型
3.1
实体建模概述
直接在ANSYS中建立实体模型时，可以分为从上而下 中建立实体模型时， 直接在 中建立实体模型时 （Top-Down）和从下而上（Bottom-Up）两种建模方法。 ）和从下而上（ ）两种建模方法。 从上而下的方法，必须先建立一些基础几何单元，如方块、 从上而下的方法，必须先建立一些基础几何单元，如方块、 圆柱体等。然后，再将这些基础单元以堆积木的方式， 圆柱体等。然后，再将这些基础单元以堆积木的方式，通过 布尔运算的技巧组合成最后的实体模型。 布尔运算的技巧组合成最后的实体模型。通过这种方式建立 的实体模型，形状比较规则， 的实体模型，形状比较规则，所以一般适用于结构形状比较 简单的模型。由下而上的方法， 简单的模型。由下而上的方法，则必须先定义一些物体上的 重要参考点（ ），然后再从点连接成线 重要参考点（Key point），然后再从点连接成线，由线组 ），然后再从点连接成线， 合成面，再由面合并成一个体， 合成面，再由面合并成一个体，最后由体再组合成完整的实 体模型。在上面的组合过程中， 体模型。在上面的组合过程中，往往也需要用到布尔运算的 技巧，才能完成最后的实体模型。 技巧，才能完成最后的实体模型。虽然实体模型建立的方式 可分为这两种方式， 可分为这两种方式，但是在实际应用中大部分的实体模型都 是通过综合运用以上两种方式来生成的。 是通过综合运用以上两种方式来生成的。
3.4.2 自下而上建模几何模型
所谓的自下而上的建模方法是指首先首先定义关键点， 所谓的自下而上的建模方法是指首先首先定义关键点，然 后利用这些关键点定义较高级的实体图元，即线、面和体， 后利用这些关键点定义较高级的实体图元，即线、面和体，从 而完成建模过程的建模方法。 而完成建模过程的建模方法。关键点是实体模型中最低级的图 在构造实体模型时， 元。在构造实体模型时，需要注意的是自下向上构造的有限元 模型是在当前激活的坐标系内定义的。 模型是在当前激活的坐标系内定义的。 用户可以根据需要自由地组合自下向上和自上向下的建模 技术。注意几何体素是在工作平面内创建的， 技术。注意几何体素是在工作平面内创建的，而自下向上的建 模技术是在激活的坐标系上定义的。 模技术是在激活的坐标系上定义的。
STEP格式的导入 3.2.5 STEP格式的导入
产品模型数据交换标准STEP是国际标准化组织 是国际标准化组织(ISO)所属技 产品模型数据交换标准 是国际标准化组织 所属技 术委员会TC184(工业自动化系统技术委员会 下的“产品模型数 工业自动化系统技术委员会)下的 术委员会 工业自动化系统技术委员会 下的“ 据外部表示” 据外部表示”(ExternalRepresentationofProductModelData)分 分 委员会SC4所制订的国际统一 所制订的国际统一CAD数据交换标准。 数据交换标准。 委员会 所制订的国际统一 数据交换标准 ANSYS没有提供直接导入 没有提供直接导入STEP格式的模型。要把STEP格 格式的模型。要把 格 没有提供直接导入 格式的模型 式的模型导入ANSYS，首先用其他 软件（ 式的模型导入 ，首先用其他CAD软件（如Solidworks、 软件 、 UG、CATIA等）保存为 的格式， 、 等 保存为Parasolid、IGES、SAT的格式，然后按 、 、 的格式 照上面的方法再导入ANSYS。 照上面的方法再导入 。
SAT格式实体的导入 3.2.3 SAT格式实体的导入
ACIS（Andy CharlesIan’s System）是在三维造型应 （ ） 用中做为“几何引擎” 用中做为“几何引擎”而设计的一种面向对象的几何造型套 装工具软件，提供了一种开放式体系结构框架， 装工具软件，提供了一种开放式体系结构框架，用于从某个 通用的、统一的数据结构中产生线框、表面和立体的模型。 通用的、统一的数据结构中产生线框、表面和立体的模型。 公司开发， 由Spatial Technology公司开发，已经成为立体造型技术 公司开发 的标准。 是基于该3D建模引擎的文件格式 的标准。*.sat是基于该 建模引擎的文件格式。 是基于该 建模引擎的文件格式。
Parasolid格式实体的导入 3.2.4 Parasolid格式实体的导入
Parasolid是由 是由Unigraphics Solutions Inc 在Cambridge 是由 合作开发， ， England合作开发， 用于 合作开发 用于Unigraphics和Solid Edge 产品 和 是一个严格的边界表示的实体建模模块， 中。Parasolid是一个严格的边界表示的实体建模模块，它支持 是一个严格的边界表示的实体建模模块 实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面/片体建模 片体建模。 实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面 片体建模。 Parasolid被设计用于机械 被设计用于机械CAD/CAM/CAE应用，但也用于建筑 应用， 被设计用于机械 应用 工程结构和虚拟现实应用中，目前已经被广泛使用。 工程结构和虚拟现实应用中，目前已经被广泛使用。
图 在ANSYS中显示导入的联轴器模型 中显示导入的联轴器模型
Baidu Nhomakorabea
3.3
对输入模型的修改
CAD模型输入 模型输入ANSYS后模型并不一定可以直接在 模型输入 后模型并不一定可以直接在 ANSYS中可以使用，主要原因包括： 中可以使用， 中可以使用 主要原因包括： CAD程序可能用一种与 程序可能用一种与ANSYS不完全一致，带有特殊 不完全一致， 程序可能用一种与 不完全一致 格式的方式来定义图元。 格式的方式来定义图元。 CAD文件用一种看起来正确但对有限元分析工具却会 文件用一种看起来正确但对有限元分析工具却会 产生问题的方法生成的。 产生问题的方法生成的。 CAD文件可能包含难以进行网格划分的物理细节。 文件可能包含难以进行网格划分的物理细节。 文件可能包含难以进行网格划分的物理细节 对模型进行修改时， 对模型进行修改时，需要知道实体模型和有限元模型 中图元的层次关系， 中图元的层次关系，不能删除依附于较高级图元上的低级图 否则会引起模型错误。例如不能删除依附于面上的线， 元。否则会引起模型错误。例如不能删除依附于面上的线， 依附于体上的面等。 依附于体上的面等。
建立实体模型
实体模型是分析的基础， 实体模型是分析的基础，约束和载荷加载在实体模型才能进行分析 计算。实体模型的建立，可以视为前处理器中阶段性的任务。 计算。实体模型的建立，可以视为前处理器中阶段性的任务。设计工程 师可以通过CAD软件所提供的构建、旋转、平移、放大、缩小等功能， 软件所提供的构建、 师可以通过 软件所提供的构建 旋转、平移、放大、缩小等功能， 达到建立、查看和修改产品实体模型的目的。 达到建立、查看和修改产品实体模型的目的。 ANSYS中实体模型的来源有两种，一种方法可以通过常用的中间 中实体模型的来源有两种， 中实体模型的来源有两种 文件格式导入；另外一种方式就是在ANSYS前处理器中直接建模。当来 文件格式导入；另外一种方式就是在 前处理器中直接建模。 前处理器中直接建模 软件时， 自CAD软件时，可以通过 软件时 可以通过IGES,SAT,STEP,PARASOLID等中间文件格 等中间文件格 式进行转换，而输入ANSYS，或者经由直接转换界面，将CAD模型直 式进行转换，而输入 ，或者经由直接转换界面， 模型直 接转换至ANSYS中。使用这种方式时，最好先在 接转换至 中 使用这种方式时，最好先在CAD软件中对模型进 软件中对模型进 行简化，再把模型输出，这样可以节省处理模型的时间。 行简化，再把模型输出，这样可以节省处理模型的时间。
3.2
导入CAD软件创建的实体模型 导入CAD软件创建的实体模型 CAD
为了提高工作效率，通常在商业 为了提高工作效率，通常在商业CAD软件中建立复杂的 软件中建立复杂的 产品实体模型，然后通过ANSYS和CAD软件的接口将 软件的接口将CAD模 产品实体模型，然后通过 和 软件的接口将 模 型导入到ANSYS系统中。 系统中。 型导入到 系统中
IGES格式实体的导入 3.2.2 IGES格式实体的导入
IGES（Initial Graphics Exchange Specification） （ ） 是一种被广泛接受的中间标准格式，用来在不同的CAD和 是一种被广泛接受的中间标准格式，用来在不同的 和 CAE系统之间交换几何模型。使用该文件格式可以输入全部 系统之间交换几何模型。 系统之间交换几何模型 或者部分模型文件， 或者部分模型文件，因而用户可以通过它来输入模型的全部 或者一部分从而减轻建模工作量，然后在ANSYS里对输入 或者一部分从而减轻建模工作量，然后在 里对输入 的模型进行修改。对于输入IGES文件，ANSYS提供如下两 文件， 的模型进行修改。对于输入 文件 提供如下两 种选项： 种选项： 1．SMOOTH选项 ． 选项 2．FACETED选项 ． 选项
3.2.1 图形交换数据格式
模型文件导入ANSYS可以通过以下 种方法实现。 可以通过以下3种方法实现 将CAD模型文件导入 模型文件导入 可以通过以下 种方法实现。 中间格式： 中间格式：IGES、SAT、STEP等。 、 、 等 双向接口： 双向接口：即ANSYS与UG、Pro/E、ADAMS、FEMAP、 与 、 、 、 、 PATRAN、I-DEAS、COSMOS、ALGOR等软件的有限元模型可 、 、 、 等软件的有限元模型可 相互转换。 相互转换。 直接几何接口： 可直接调入Pro/E、UG、SAT、 直接几何接口：即ANSYS可直接调入 可直接调入 、 、 、 Parasolid、Solid Works、Solid Edge等软件生成的几何模型。 等软件生成的几何模型。 、 、 等软件生成的几何模型
3.4
ANSYS环境内直接建模方法 ANSYS环境内直接建模方法
对于一些如梁， 对于一些如梁，对称轴等简单几何图形表达的产品模型 不需要使用CAD软件构建，而可以直接在 软件构建， ，不需要使用 软件构建 而可以直接在ANSYS内使用建 内使用建 模工具快速建立模型， 中提供了两种建模方法， 模工具快速建立模型，ANSYS中提供了两种建模方法，即自 中提供了两种建模方法 上而下创建几何模型和自下而上创建几何模型。 上而下创建几何模型和自下而上创建几何模型。
3.4.1 自上而下创建几何模型
所谓的自上而下的建模方法是指从较高级的实体图元构造模 型的方法。 软件允许通过创建线、 型的方法。ANSYS软件允许通过创建线、面和体等几何体素的 软件允许通过创建线 方法构造几何模型。当构造一种体素时， 方法构造几何模型。当构造一种体素时，ANSYS将自动生成所 将自动生成所 有从属于该体素的较低图元，例如构造立方体时，立方体的点， 有从属于该体素的较低图元，例如构造立方体时，立方体的点， 面等低级图元自动生成。 线，面等低级图元自动生成。 自上而下的产品设计最初考虑的是产品应实现的功能， 自上而下的产品设计最初考虑的是产品应实现的功能，最后 才考虑实现这些功能的几何结构，它符合设计人员的思维过程， 才考虑实现这些功能的几何结构，它符合设计人员的思维过程， 在产品设计的最初就将产品的功能、 在产品设计的最初就将产品的功能、关键约束等重要信息确定下 同时分配给各子系统，便于实现多个子系统的协同。 来，同时分配给各子系统，便于实现多个子系统的协同。
导入SolidWorks SolidWorks中创建的叶片模型 3.2.6 导入SolidWorks中创建的叶片模型
图 导入的叶片模型
导入UG UG绘制的轴承模型 3.2.7 导入UG绘制的轴承模型
图 在ANSYS中显示导入的轴承模型 中显示导入的轴承模型
导入SolidEdge SolidEdge中绘制的联轴器模型 3.2.8 导入SolidEdge中绘制的联轴器模型
3.1
实体建模概述
直接在ANSYS中建立实体模型时，可以分为从上而下 中建立实体模型时， 直接在 中建立实体模型时 （Top-Down）和从下而上（Bottom-Up）两种建模方法。 ）和从下而上（ ）两种建模方法。 从上而下的方法，必须先建立一些基础几何单元，如方块、 从上而下的方法，必须先建立一些基础几何单元，如方块、 圆柱体等。然后，再将这些基础单元以堆积木的方式， 圆柱体等。然后，再将这些基础单元以堆积木的方式，通过 布尔运算的技巧组合成最后的实体模型。 布尔运算的技巧组合成最后的实体模型。通过这种方式建立 的实体模型，形状比较规则， 的实体模型，形状比较规则，所以一般适用于结构形状比较 简单的模型。由下而上的方法， 简单的模型。由下而上的方法，则必须先定义一些物体上的 重要参考点（ ），然后再从点连接成线 重要参考点（Key point），然后再从点连接成线，由线组 ），然后再从点连接成线， 合成面，再由面合并成一个体， 合成面，再由面合并成一个体，最后由体再组合成完整的实 体模型。在上面的组合过程中， 体模型。在上面的组合过程中，往往也需要用到布尔运算的 技巧，才能完成最后的实体模型。 技巧，才能完成最后的实体模型。虽然实体模型建立的方式 可分为这两种方式， 可分为这两种方式，但是在实际应用中大部分的实体模型都 是通过综合运用以上两种方式来生成的。 是通过综合运用以上两种方式来生成的。
3.4.2 自下而上建模几何模型
所谓的自下而上的建模方法是指首先首先定义关键点， 所谓的自下而上的建模方法是指首先首先定义关键点，然 后利用这些关键点定义较高级的实体图元，即线、面和体， 后利用这些关键点定义较高级的实体图元，即线、面和体，从 而完成建模过程的建模方法。 而完成建模过程的建模方法。关键点是实体模型中最低级的图 在构造实体模型时， 元。在构造实体模型时，需要注意的是自下向上构造的有限元 模型是在当前激活的坐标系内定义的。 模型是在当前激活的坐标系内定义的。 用户可以根据需要自由地组合自下向上和自上向下的建模 技术。注意几何体素是在工作平面内创建的， 技术。注意几何体素是在工作平面内创建的，而自下向上的建 模技术是在激活的坐标系上定义的。 模技术是在激活的坐标系上定义的。
STEP格式的导入 3.2.5 STEP格式的导入
产品模型数据交换标准STEP是国际标准化组织 是国际标准化组织(ISO)所属技 产品模型数据交换标准 是国际标准化组织 所属技 术委员会TC184(工业自动化系统技术委员会 下的“产品模型数 工业自动化系统技术委员会)下的 术委员会 工业自动化系统技术委员会 下的“ 据外部表示” 据外部表示”(ExternalRepresentationofProductModelData)分 分 委员会SC4所制订的国际统一 所制订的国际统一CAD数据交换标准。 数据交换标准。 委员会 所制订的国际统一 数据交换标准 ANSYS没有提供直接导入 没有提供直接导入STEP格式的模型。要把STEP格 格式的模型。要把 格 没有提供直接导入 格式的模型 式的模型导入ANSYS，首先用其他 软件（ 式的模型导入 ，首先用其他CAD软件（如Solidworks、 软件 、 UG、CATIA等）保存为 的格式， 、 等 保存为Parasolid、IGES、SAT的格式，然后按 、 、 的格式 照上面的方法再导入ANSYS。 照上面的方法再导入 。
SAT格式实体的导入 3.2.3 SAT格式实体的导入
ACIS（Andy CharlesIan’s System）是在三维造型应 （ ） 用中做为“几何引擎” 用中做为“几何引擎”而设计的一种面向对象的几何造型套 装工具软件，提供了一种开放式体系结构框架， 装工具软件，提供了一种开放式体系结构框架，用于从某个 通用的、统一的数据结构中产生线框、表面和立体的模型。 通用的、统一的数据结构中产生线框、表面和立体的模型。 公司开发， 由Spatial Technology公司开发，已经成为立体造型技术 公司开发 的标准。 是基于该3D建模引擎的文件格式 的标准。*.sat是基于该 建模引擎的文件格式。 是基于该 建模引擎的文件格式。
Parasolid格式实体的导入 3.2.4 Parasolid格式实体的导入
Parasolid是由 是由Unigraphics Solutions Inc 在Cambridge 是由 合作开发， ， England合作开发， 用于 合作开发 用于Unigraphics和Solid Edge 产品 和 是一个严格的边界表示的实体建模模块， 中。Parasolid是一个严格的边界表示的实体建模模块，它支持 是一个严格的边界表示的实体建模模块 实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面/片体建模 片体建模。 实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面 片体建模。 Parasolid被设计用于机械 被设计用于机械CAD/CAM/CAE应用，但也用于建筑 应用， 被设计用于机械 应用 工程结构和虚拟现实应用中，目前已经被广泛使用。 工程结构和虚拟现实应用中，目前已经被广泛使用。
图 在ANSYS中显示导入的联轴器模型 中显示导入的联轴器模型
Baidu Nhomakorabea
3.3
对输入模型的修改
CAD模型输入 模型输入ANSYS后模型并不一定可以直接在 模型输入 后模型并不一定可以直接在 ANSYS中可以使用，主要原因包括： 中可以使用， 中可以使用 主要原因包括： CAD程序可能用一种与 程序可能用一种与ANSYS不完全一致，带有特殊 不完全一致， 程序可能用一种与 不完全一致 格式的方式来定义图元。 格式的方式来定义图元。 CAD文件用一种看起来正确但对有限元分析工具却会 文件用一种看起来正确但对有限元分析工具却会 产生问题的方法生成的。 产生问题的方法生成的。 CAD文件可能包含难以进行网格划分的物理细节。 文件可能包含难以进行网格划分的物理细节。 文件可能包含难以进行网格划分的物理细节 对模型进行修改时， 对模型进行修改时，需要知道实体模型和有限元模型 中图元的层次关系， 中图元的层次关系，不能删除依附于较高级图元上的低级图 否则会引起模型错误。例如不能删除依附于面上的线， 元。否则会引起模型错误。例如不能删除依附于面上的线， 依附于体上的面等。 依附于体上的面等。