1、ANSYS的建模方法討論摘 要：隨著計算機硬件升級更新速度的不斷加快，有限元技術(shù)得到空前的發(fā)展，越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。ANSYS軟件具有建模簡單、快速、方便的特點，因而成為大型通用有限元軟件的代表。本文對有限元作了一個總體的介紹，簡要敘述了ANSYS軟件的主要特點，著重介紹了ANSYS軟件的建模方法。關(guān)鍵詞：有限元 ANSYS 建模 CAD 一 、有限元簡介有限單元法是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，上世紀(jì)50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域飛機結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性分析中得到應(yīng)用，隨后很快廣泛應(yīng)用于熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題的分析。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)

2、構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對實際結(jié)構(gòu)的分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。二 、ANSYS軟件介紹1、概況ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析，主要是機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力載荷時所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等。根據(jù)該反應(yīng)可知道機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力載荷后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設(shè)計要求。一般機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的載荷也相當(dāng)多，理論分析往往無法進行。想要得到解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法進行分析。由于計算機行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的

3、軟件也應(yīng)運而生，ANSYS就是其中一種。它是由美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授JohnSwanskon博士開發(fā)出的頗有影響的大型通用有限元分析軟件。該軟件在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又融熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體，可廣泛用于機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。它具有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、聲場分析、壓電分析等功能，同時它還具有良好的用戶界面，前后處理和圖形功能，因而受到國際工程界和學(xué)術(shù)界的普遍歡迎和重視。ANSYS軟件的分析過程分為前處理，求解和后處理三個過程。分析過程如圖1。 圖1 ANSYS分析計算的基本流程2、特點（1）完備的前處理功能ANSY

4、S不僅提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具 ，可以方便地構(gòu)造數(shù)學(xué)模型及有限元模型 ，而且還專門設(shè)有與我們所熟悉的一些大型通用有限元分析軟件的數(shù)據(jù)接口（如MSC/NSSTRAN，ALGOR，ABAQUS等），允許從這些程序讀取有限元數(shù)據(jù)，甚至材料特性與邊界條件，完成ANSYS中的初步建模工作。此外，還具有近190種單元類型 ，這些豐富的單元類型使工程人員方便而準(zhǔn)確地建反映實際結(jié)構(gòu)的仿真計算模型。（2）強大的求解器ANSYS提供了對各種物理場量的分析，是目前世界范圍內(nèi)唯一能融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體、聲學(xué)等于一體的有限元分析軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析外 ，還能解決高度非線性結(jié)構(gòu)動力

5、分析、結(jié)構(gòu)線性及非線性屈曲分析。（3）方便的后處理器ANSYS的后處理器分為通用后處理模塊（POST1）和時間歷程后處理模塊（POST26）兩部分。該后處理器可以很容易獲得求解過程中的計算結(jié)果并對其進行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。（4）提供了多種進行二次開發(fā)的工具ANSYS除了具有較為完善的分析功能外，同時還為用戶進行二次開發(fā)提供了多種實用工具。如宏（Marco）、用戶界面設(shè)計語言(UIDL) 、參數(shù)設(shè)計語言(APDL) 及用戶編程特性(UPFS)。三、ANSYS的建模直觀、方便、快捷和有效的建模技術(shù)，是ANSYS得到廣泛應(yīng)

6、用的重要原因之一。對于那種結(jié)構(gòu)外形尺寸比較簡單的計算模型，可采用直接建模方法，即先確立節(jié)點，然后創(chuàng)建單元。這種方法在土木工程中應(yīng)用比較廣泛；若結(jié)構(gòu)外形尺寸比較復(fù)雜，ANSYS則采用立體模型建立法，即間接建模法。一般航天航空和機械工程中大多采用間接建模方法。ANSYS的前處理器的實體建模功能，允許用戶直接同模型的幾何特性打交道而不必關(guān)心有限元模型的特定圖元（點和單元）。為了便于建模，該程序把幾何特性和邊界條件的定義與有限元網(wǎng)格的生成分開進行。用戶首先描述實體模型的幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)通過交互方式和命令方式完成后，可以容易地驗證輸人的數(shù)據(jù)，最后該程序?qū)ψ罱K模型進行網(wǎng)格劃分，該過程實質(zhì)上就是一個CAD過程。

7、ANSYS程序提供了兩種實體建模的方法：即自頂向下和自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶只要定義一個模型的最高級圖元，較為常用的實體建模形狀（如球，棱柱 ），稱為幾何體素，可以用單獨的ANSYS命令來生成。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級圖元向上構(gòu)建模型，即用戶首先定義關(guān)鍵點然后依次是相關(guān)的線、面、體。自頂向下與自底向上建模技術(shù)可在任何模型中自由組合使用。各圖元之間的關(guān)系如下圖：ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動或拷貝實體模型圖元的功能，這些操作都近似于CAD軟件的操作。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運算、自倒角生成、硬點（用于網(wǎng)

8、格劃分）的建立、移動、拷貝和刪除，除此之外，還可以根據(jù)需要控制網(wǎng)格密度、計算質(zhì)量特性以及進行組元組合。在ANSYS實體建模中，所有線均用非均勻有理B樣條（NURBS）表示。線是兩端的關(guān)鍵點圍成的樣條的一部分，面是由線完全圍成的，體是由面圍成的實體部分。利用NURBS的實體模型圖元表示法，稱為蒙皮的表面構(gòu)造技術(shù)更易于使用、利用該技術(shù)，用戶可定義一組截面曲線，然后指示ANSYS程序自動生成一個通過這些曲線的面。蒙皮技術(shù)可使用戶快捷地建立變截面的復(fù)雜形狀模型。四、基于 CAD 軟件的 ANSYS實體建模ANSYS提供了強大的實體建模工具 ，可以方便地構(gòu)造有限元模型。但有限元軟件的建模功能不如專門的

9、CAD軟件強 ，所以對于不規(guī)則三維實體及大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，譬如聯(lián)體異形網(wǎng)殼、斜齒輪等采用在CAD系統(tǒng)實體建模的方法會更為實用、方便、精確和快捷。特別對于熟悉 CAD 系統(tǒng) (如 Pro/ e ，solidedge ， solidwork 等軟件)的工程技術(shù)人員來說，在 CAD 系統(tǒng)中建模更為方便，也避免了重復(fù)建模。但從 CAD 系統(tǒng)中輸入三維模型到 ANSYS 系統(tǒng)中容易造成圖元丟失及模型不適于網(wǎng)格劃分等情況，這就需要大量的修補工作。本文針對這種情況提出了 CAD系統(tǒng)建模與 ANSYS建模相結(jié)合的方法 ，二者優(yōu)勢互補，避免了一些不必要的工作，從而提高了建模速度。這里以 Pro/e為例，Pro/e

10、ngineer 是美國 PTC 公司開發(fā)的大型 CAD/ CAE/CAM軟件，它具有強大的建模功能，尤其是對一些曲面較復(fù)雜的模型。對于熟悉 Pro/ e 的用戶來說，在Pro/ e 中建模更為方便。為避免在模型輸入ANSYS后做大量的修補工作，可只建立部分實體，即先建立不規(guī)則部分;對于組件來說，先建立基體部分，基體是最簡單的實體，沒有任何細節(jié)特征，但它是進行后續(xù)細節(jié)特征的基礎(chǔ)，一般創(chuàng)建基體特征應(yīng)以零件整體幾何形狀或保證零件各組成特征的尺寸基準(zhǔn)體形為前提，創(chuàng)建最佳的基體特征。對于已建好的完整實體 ，輸入其中一部分到 ANSYS中。 如一形狀不規(guī)則且截面不等厚的刀具，刀片鉸孔處有一階梯軸與其固接，

11、如在 ANSYS 中建模，則需大量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，需花費大量的時間，但在 Pro/ e中建模就非常簡便。IGES是一種被普遍接受的中間標(biāo)準(zhǔn)格式 ，用來在不同的 CAD 和 CAE系統(tǒng)之間交換幾何模型。ANSYS的 IGES 輸入能力在工業(yè)界是最強的，因為過濾器程序可以輸入部分文件，所以至少可以輸入模型的一些部分。Pro/ e中建模完成后，點擊工具菜單中的“ 文件"命令，在下拉菜單中擊“保存副本"，在隨后的對話框的類型選項中點選 IGES( 3 .igs) 文件格式。 確定后，在出現(xiàn)的對話框選取不同的輸出類型，對實體模型可點選“ 實體"、“ 殼"、“ 基準(zhǔn)曲線

12、和點"。輸入 IGES文件時需要更多的內(nèi)存 ，所以輸入模型時打開自動合并和生成體的開關(guān)選項(缺省的條件) 。對于大的文件(5MB 或更多) ，在輸入模型之前先增加ANSYS的內(nèi)存分配。通常情況下，如果文件包含一些不必要(或無限制的)的圖元，則自動合并就會失敗或要求更多的內(nèi)存，這時可以進行逐步的拓撲修改以刪除那些圖元，然后進行合并。否則必須在輸入文件時不必進行合并和體的生成或通過拓撲和幾何修整程序刪除不想要的實體。對于輸入1GES文件，ANSYS 提供了Defeature Model 和No defeaturing兩種選項。它們各有自己特點。在Defeature Model 和 No

13、defeaturing 兩種選項下有3 個子選項 ，分別為Merge、 Solid與 Small。其中Merge 選項的特點:缺省為yes ，導(dǎo)入時自動合并模型的重疊部分，使相鄰面只有公用邊界線 ，但僅適用于Defeature Model 方法 ，當(dāng)運行超出內(nèi)存時將其設(shè)置為 no。Solid 選項的特點:缺省為yes ，導(dǎo)入時將所有體合并成一個體。如果只需導(dǎo)入面時 ，將其設(shè)置為no。Small 選項的特點:缺省為 yes ，自動刪除模型中引起劃分網(wǎng)格困難的小碎片 ，但僅適用于 DefeaturModel 方法。 如果模型需要考慮縫隙或小洞 ，應(yīng)將其設(shè)置為no。Defeature Model方法

14、:導(dǎo)入圖形文件并對其進行幾何模型修改后才導(dǎo)入到 ANSYS 數(shù)據(jù)庫中。用這種方法可忽略凸起、洞和小孔等 ，但只能對實體模型執(zhí)行某些有限的操作。同時內(nèi)存需求大，速度慢，對單個實體模型的導(dǎo)入、劃分網(wǎng)格和求解等比較有利 ，但精度不高。由于 CAD幾何模型和有限元幾何模型記錄數(shù)據(jù)和保存文件的格式不同 ，三維模型轉(zhuǎn)化為有限元模型時還必須經(jīng)過模型修改 ，修復(fù)丟夫的信息 ，即可用拓撲修復(fù)用間隙檢查調(diào)整間隙容差的方法對所有間隙進行合并;幾何修復(fù) ，通過創(chuàng)建體素和使用布爾操作來完成;幾何簡化 ，通過刪除小線或小特征，分開、去掉或合并小于指定尺寸的線、 環(huán)或面 ，創(chuàng)建一個更簡化的幾何模型以便劃分網(wǎng)格 ，消除那些在

15、劃分網(wǎng)格時導(dǎo)致問題的特征。Defeature Model選項不能轉(zhuǎn)換諸如面積、文本注解圖元、結(jié)構(gòu)圖元等數(shù)據(jù)。 而且，ANSYS也會忽略這個選項不能識別的 IGES圖元。但是 ，這個選項會轉(zhuǎn)換所有的 IGES拓撲和幾何圖元。在輸入文件后ANSYS將不容許從 Defeature Model 選項轉(zhuǎn)換到No Defeaturing選項 ，因而 ，不容許自底向上的模型生成方法。No defeaturing 方法: 直接導(dǎo)入圖形文件到ANSYS數(shù)據(jù)庫中 ， 是 ANSYS缺省的導(dǎo)入方法。No defeaturing 方法可靠且快 ，并允許進行 ANSYS的任何實體模型操作 ，不允許忽略微小幾何特征的處理

16、與操作。這個選項使用標(biāo)準(zhǔn)的 ANSYS 幾何數(shù)據(jù)庫 ，如果 ANSYS 檢測到模型中包含有多個連接在一起的體 ，程序就會將生成體的開關(guān)關(guān)掉 ，而用戶必須自己生成這些體。選擇 No Defeaturing 選項來輸入 IGES模型 ，在CAD 系統(tǒng)中建模時 ，應(yīng)當(dāng)注意以下準(zhǔn)則: 在CAD系統(tǒng)中建模時 ，考察ANSYS實體建模的程序、 相關(guān)計劃、 對稱性和對有限元分析來說所必須的細節(jié)。例如 ，對于軸對稱模型 ，ANSYS程序要求總體坐標(biāo)的Y 軸是旋轉(zhuǎn)軸。 避免生成閉合曲線(也就是說 ，一條線的起點和終點是同一個點)和閉合曲面(例如曲面的起點和終點是同一條線) 。 ANSYS不能存儲閉合曲線或閉合曲

17、面(它要求至少兩個關(guān)鍵點) 。 如果一段閉合曲線 ，閉合曲面 ，或“ 修整好的"閉合曲面(由IGES圖元 120 和 144 或 128 和 144 所定義)在讀一個 IGES文件時發(fā)生沖突 ，ANSYS可能把它分割成2 個或更多的圖元。 并盡可能用ANSYS程序所支持的數(shù)據(jù)格式寫進 IGES文件。當(dāng)從 CAD程序?qū)戇M IGES文件時:只轉(zhuǎn)換分析所需要的幾何體的一部分。 有限元分析可以不需要CAD模型過多的細節(jié)。 對于己修整過表面的轉(zhuǎn)換 ，IGES文件中包括總體 XYZ數(shù)據(jù)和 UV 數(shù)據(jù)。 如果要分析的模型非常大 ，使用 CAD程序的選擇能力來創(chuàng)建幾個 IGES 文件 ，每一個文件包

18、含模型的一部分;當(dāng)每一個文件被讀進時 ，ANSYS程序會使用可用的實體號 ，然后用 PREP7 合并重合的圖元( NUMRG 命 令 或 菜 單 路 徑 Main Menu >Preprocessor > Numbering Ct rls > Merge Items 。 用ASCLL 碼格式寫 IGES 文件 ，每個記錄包含 80 個字符。 對于 Pro/ e 程序 ，使用下面附加的準(zhǔn)則:設(shè)置Config. pro 選項。“ iges -out- t rim- xyz"為“ Yes" ，設(shè)置精度為1E- 6然后再重新生成模型。最后，導(dǎo)入 ANSYS 后繼續(xù)建立鉸軸，應(yīng)用布爾操作命令進行粘結(jié) ，再從而實現(xiàn)整體模型的建立。這一方面避免了重復(fù)建模 ，另一方面避免了或減少了圖元丟失后的大量修復(fù)及網(wǎng)格難以劃分，同時保證了模型的精確性。由于 Defeature Model 選項的局限性 ，建議使用 No