ANSYS 有限元分析 几何建模

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ANSYS 有限元分析 几何建模

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ANSYS 有限元分析 接触分析

ANSYS 有限元分析 加载/求解/输出

ANSYS 有限元分析 后处理 General Postproc

ANSYS 有限元分析 后处理 结点解与单元解

ANSYS 有限元分析 命令流 实例

ANSYS 静力 分析实例 悬臂梁

nCodeDL 高周疲劳 分析实例 悬臂梁

  复杂模型由 HyperMesh 直接生成，简单模型由 ANSYS 创建，本部分主要介绍 ANSYS 直接创建的简单模型。

  通常，我们利用 ANSYS 创建一些规则简单的几何或网格，复杂的几何或网格利用 HyperMesh 处理更为方便。

  HperMesh使用指南详见博客： HyperMesh 使用指南 。

  因此，该部分只介绍一些常见的规则的几何或网格的创建，如规则的六面体单元，梁单元等。

  有限元模型的网格可以通过几何模型的切分生成。也可以通过，低维网格的拉伸，经镜像，阵列等操作生成。

  本系列博客以一法兰连接为例介绍 ANSYS 有限元分析流程，按照命令流下的标注的顺序，如 命令流 No.1 ，输入到 ANSYS Command Prompt 中，便可顺利实现本系列博客涉及的有限元模型的创建。没有标注序号命令流或以英文字母为序号的命令流如 命令流 No.A，则表示该命令流仅为解释某一功能而单独创建的实例。

  法兰连接的有限元模型如下图所示，该有限元模型包括：法兰模型、垫片模型及栓杆模型。模型创建完成后需要建立各部件间的接触关系，诸如上下法兰间的接触、法兰与垫片间的接触，螺栓杆与垫片和法兰螺栓孔间的接触。随后，还需要设置边界条件、施加载荷及提交计算。最终，进行计算结果的后处理。这就完成了一个标准的 ANSYS 有限元分析流程。

  该法兰连接有限元分析的完整命令流详见： ANSYS 有限元分析 命令流 实例 。

使用功能： Defines a keypoint.

使用格式： K，NPT，X，Y，Z 。

参数说明： NPT —— Reference number for keypoint. If zero, the lowest available number is assigned.

      X，Y，Z —— Keypoint location in the active coordinate system (may be R, θ, Z or R, θ, Φ).

Remarks：

  (1). K，关键点编号，x坐标，y坐标， z坐标。坐标值缺省时为0。创建关键点时，可指定关键点的编号。

使用功能： Defines a line between two keypoints.

使用格式： L，P1，P2，NDIV，SPACE ，XV1 ，YV1 ，ZV1 ，XV2 ，YV2 ，ZV2 。

参数说明： P1 —— Keypoint at the beginning of line.

      P2 —— Keypoint at the end of line.

参考实例： 创建螺栓周围法兰几何轮廓线。

  由 命令流 No.1 和 命令流 No.2 创建的几何点线如下图所示：

Remarks ：

  (1). 创建线时，系统自动为线分配编号。

  (2). *REPEAT

  注意： 方向关键点是线的属性而不是单元属性。设置线的方向关键点，用于确定梁截面局部 z 轴的指向，相当于 Abaqus 中的 Assign Beam Orientation ，如下图所示：

  在 Abaqus 中，通过设置 n1 direction 的方式，来指定梁截面的方向，n1 direction 用于确定局部 1 轴的指向，即根据所输入的向量来确定局部 1 轴的指向。

  Abaqus 梁截面的局部 1 轴即为 ANSYS 梁截面的局部 z 轴。

  参考资料： ANSYS中梁单元的使用（一）。

使用功能： 给所有选择且未划分网格的线设置划分单元的属性。

使用格式： LATT，MAT，REAL，TYPE，–，KB，KE，SECNUM 。

参数说明： MAT，REAL，TYPE ，SECNUM 给所选择且未划分网格的线指定的材料号、实常数、单元类型号、截面编号。

      注：BEAM188 和 BEAM189 不需要指定实常数。

      KB，KE 分别为所选择且未划分网格的线起点和终点的方向关键点方向。

  在 ANSYS 中，使用关键点的位置确定梁划分网格时梁截面的方向。通过指定一个方向点即 KB，沿着线能够生成一个具有恒定值方向的梁单元，通过选择线上各端点具有不同方向的关键点，能够生成一个预扭曲的梁。

  由于 KB (Keypoint Beginning) 和 KE (Keypoint ending) 指定的值仅用于所选的线。也就是说，由这些线通过复制或其他命令生成的线不具有这些属性，且 KB 和 KE 的值只能通过命令 “LATT” 在划分网格前指定。

  起点和终点方向关键点与所选择且未划分网格的线相关联。ANSYS 利用这两个方向关键点的位置来确定梁在网格划分时，其横截面的方向指向。对于梁的轴线，其起点和终点分别为关键点 KP1 和 KP2。那么，梁始端截面的方向向量为关键点 KP1 到 KB 的指向。同样地，在梁的终端截面，终端截面的方向向量为关键点 KP2 到 KE 的指向。截面的方向向量指向，即截面局部 z 轴的指向。

  建议：在设置梁截面方向时，为了避免出现不必要的错误，应为每个梁创建局部坐标系，在局部坐标系下，创建方向关键点，起点终点的方向关键点应与梁的起点和终点严格对应，即方向关键点应位于梁横截面所在的平面内。(别问为什么，我只能告诉你这么建模肯定不会出错，其余方法不保证。)

  在材料力学中，杆的轴线为 x 轴、水平轴为 z 轴，竖直轴为 y 轴。

  在 ANSYS 中，实际上，由梁轴线的起点 I、终点 J 与方向关键点 KB/KE 三个点可唯一确定一平面，梁截面的局部 1 轴 (z轴)，位于该平面内且与梁的轴线垂直，根据梁轴线方向向量，局部 1 轴 (z轴) 方向向量，利用线性代数向量叉乘概念即可得到梁截面局部 2 轴 (y轴) 方向，至此，梁截面的方向便唯一确定下来。梁具有恒定方向向量时，梁截面的局部z轴指向按此规则确定。当梁方向向量截面沿轴存在变化时，应严格定义梁起点和终点处的方向关键点，即保证起始方向关键点应分别位于梁起始横截面所在的平面内。

  在 Abaqus 中，由梁轴线的起点 1 和 终点 2 可确定一方向向量 t， n1 由用户指定，用户输入的向量，与梁轴线向量 t 可唯一确定一平面，n1 的方向即为在该平面被与 t 相垂直的方向，并符合右手系。n2 由系统根据线性代数知识自动计算得到 (t 与 n1 作叉乘运算)。

参数实例： 创建一H型钢梁，其截面规格为 H200×100×5×10 ，并指定不同的方向。

  由上述命令流创建的横截面具有特定指向的梁如下图所示

使用功能： 通过已定义的边界线生成一个面 / Area from lines 。

使用格式： AL，L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，L8，L9，L10 。

参数说明： L1，L2， . . . . . .，L10 为线的编号，至少需要3条线才能生成一个面。

参考实例： 由轮廓线生成几何面。

  由 命令流 No.3 创建的几何面如下图所示：

使用功能： 在工作平面上生成一个圆面或圆柱体 / Creates a circular area or cylindrical volume anywhere on the working plane 。

使用格式： CYL4，XCENTER，YCENTER，RAD1，THETA1，RAD2，THETA2,，DEPTH 。

参数说明： XCENTER，YCENTER 分别为圆心在工作平面 x 和 y 方向的坐标值。

      RAD1，RAD2 分别为内、外半径；THETA1，THETA2 分别为开始、结束角度。

      DEPTH 为柱体高度。DEPTH = 0 时，创建圆面/环面。

参考实例： 创建内径50，外径70，起端角度30度，终端角度135度的环面。

  由上述命令流创建的圆环面如下图所示：

  命令流 No.4 ~ 命令流 No.7 为属性定义及面网格的划分，这是体网格及附属体创建的基础，该部分与本文介绍主要介绍的几何创建相比，为次要内容，本处不做详细说明，详见博客：ANSYS 有限元分析 网格划分 。

  本文主要介绍，由面网格直接拉伸成体网格，随之附属创建相对应的体。具体操作，见 命令流 No.8 。

使用功能： 由面单元生成体单元的相关控制选项。

使用格式： EXTOPT，Lab，Val1，Val2，Val3 。

参数说明： Lab 为识别控制选项的标签；Val1，Val2，Val3 将根据 Lab 的不同而变化。

使用功能： 通过给定偏移量由面生体。

使用格式： VEXT，NA1，NA2，NINC，DX，DY，DZ，RX，RY，RZ 。

参数说明： NA1，NA2，NINC：设置将要被拖拉面的范围，即按增量 NINC 从 NA1 增大到 NA2。

      其中，NA1 也可以为 ALL、P 或元件名。

      DX，DY，DZ：为在激活坐标系中，作用于关键点坐标值在X，Y和Z方向的增量 (其他坐标系下类似)。

      RX*，RY，RZ：为在激活坐标系中，作用于关键点坐标值在X，Y和Z方向的缩放因子。

  以下拉伸操作将同时创建几何实体及体网格，对单元进行旋转、阵列等操作时，最好对体进行旋转及阵列操作，体附属的单元自动跟随其进行旋转、阵列。尽量不要直接对单元进行旋转及阵列，以免出现未知错误。(建模建议)

  下接 命令流 No.9 ，命令流 No.9 见博客： ANSYS 有限元分析 修改与编辑 >> 三、镜像 >> 3.1 镜像几何体 。

  由 命令流 No.4 ~ 命令流 No.8 经由拉伸创建的体网格及其对应的几何体如下图所示：

使用功能： 在工作平面上生成一个圆面或圆柱体 / Creates a circular area or cylindrical volume anywhere on the working plane 。

使用格式： CYL4，XCENTER，YCENTER，RAD1，THETA1，RAD2，THETA2,，DEPTH 。

参数说明： XCENTER，YCENTER 分别为圆心在工作平面 x 和 y 方向的坐标值。

      RAD1，RAD2 分别为内、外半径；THETA1，THETA2 分别为开始、结束角度。

      DEPTH 为柱体高度。DEPTH = 0 时，创建圆面/环面。

参考实例： 创建垫片几何体。

  上接 命令流 No.11 ，命令流 No.11 见博客： ANSYS 有限元分析 修改与编辑 >> 六、合并与压缩。

  由 命令流 No.12 创建的单个垫片几何体 (V1、V2、V3 和 V4)，如下图所示：

使用功能： 体粘接。

使用格式： VGLUE，NV1，NV2，NV3，NV4，NV5，NV6，NV7，NV8，NV9。

参数说明： NV1，NV1， . . . . . . . ，NV9 为要粘接的体号，NV1也可以为 ALL、P 或组件名。

      RAD1，RAD2 分别为内、外半径；THETA1，THETA2 分别为开始、结束角度。

参考实例： 合并垫片 4 个四分之相互独立的几何体为一个有联系的几何体。

  下接 命令流 No.14 ，命令流 No.14 见博客： ANSYS 有限元分析 网格划分 >> 六、创建网格 >> 6.2 创建体网格 >> 6.2.2 扫掠。

  由 命令流 No.13 粘接后的单个垫片几何体 (V1、V5、V6 和 V7)，如下图所示：

  合并各体的公共点，公共边，实际上就是布尔操作，合并体，保留边界线，即 Abaqus 中 Merge >> Retain 。

  体粘接前重合的边有各自独立的编号，粘接后公共边合并，只有一个编号，如上图所示，左图为合并前。

  体粘接后仍然有各自的体编号，但各体公共边界是两个体共享的，由之前独立的体转化为有联系的几何体，如下图所示，体合粘接前，四个体的编号分别为 1、2、3 和 4，执行体粘接命令后，各体的编号变为 1、5、6 和 7，如下图所示：

  以上，便是 ANSYS 几何建模 部分的简单介绍。

  仅以此文为我 ANSYS 的相关学习做一个备忘，同时也为有需要的人提供多一点参考。

  胸藏文墨怀若谷，腹有诗书气自华，希望各位都能在知识的 pāo 子里快乐徜徉。

  因个人水平有限，文中难免有所疏漏，还请各位大神不吝批评指正。

  最后，祝各位攻城狮们，珍爱生命，保护发际线！

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[1]. ANSYS 15.0 有限元分析完全自学手册. 郝勇 钟礼东 等编著.

[2]. ANSYS 参数化编程与命令手册. 龚曙光 谢桂兰 黄云清 编著.

[3]. ANSYS Mechanical APDL Command Reference. Release 18.2.

[4]. ANSYS Mechanical APDL Element Reference. Release 18.2.