搜索建模與網格劃分指南第五章
2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: 安世亞太 來源: e-works
關鍵字: CAE 教程 網格劃分
第五章 實體建模
5.1實體建模操作概述
用直接生成的方法構造復雜的有限元模型費時費力,使用實體建模的方法就是要減輕這部分工作量。我們先簡要地討論一下使用實體建模和網格劃分操作的功能是怎樣加速有限元分析的建模過程。
自下向上地模造有限元模型:定義有限元模型頂點的關鍵點是實體模型中最低級的圖元。在構造實體模型時,首先定義關鍵點,再利用這些關鍵點定義較高級的實體圖元(即線、面和體)。這就是所謂的自下向上的建模方法。一定要牢記的是自下向上構造的有限元模型是在當前激活的坐標系內定義的。
圖5-1自下向上構造模型
自上向下構造有限元模型:ANSYS程序允許通過匯集線、面、體等幾何體素的方法構造模型。當生成一種體素時,ANSYS程序會自動生成所有從屬于該體素的較低級圖元。這種一開始就從較高級的實體圖元構造模型的方法就是所謂的自上向下的建模方法。用戶可以根據需要自由地組合自下向上和自上向下的建模技術。注意幾何體素是在工作平面內創建的,而自下向上的建模技術是在激活的坐標系上定義的。如果用戶混合使用這兩種技術,那么應該考慮使用CSYS,WP或CSYS,4命令強迫坐標系跟隨工作平面變化。
圖5-2自上向下構造模型(幾何體素)
注意:建議不要在環坐標系中進行實體建模操作,因為會生成用戶不想要的面或體。
運用布爾運算:可以使用求交、相減或其它的布爾運算雕塑實體模型。通過布爾運算用戶可直接用較高級的圖元生成復雜的形體。布爾運算對于通過自下向上或自上向下方法生成的圖元均有效。
圖5-3使用布爾運算生成復雜形體。
拖拉或旋轉:布爾運算盡管很方便,但一般需耗費較多的計算時間。故在構造模型時,如果用拖拉或旋轉的方法建模,往往可以節省計算時間,提高效率。
圖5-4拖拉一個面生成一個體〔VDRAG〕
移動和拷貝實體模型圖元:一個復雜的面或體在模型中重復出現時僅需要構造一次。之后可以移動、旋轉或拷貝到所需的地方。用戶會發現在方便之處生成幾何體素再將其移動到所需之處,這樣往往比直接改變工作平面生成所需體素更方便。
圖5-5拷貝一個面
網格劃分:實體建模的最終目的是為了劃分網格以生成節點和單元。在完成了實體建模和建立了單元屬性,網格劃分控制之后,ANSYS程序可以輕松地生成有限元網格。考慮到要滿足特定的要求,用戶可以請求映射網格劃分生成全部都是四邊形、三角形或塊單元。
圖5-6自由網格和映射網格
移動、拷貝節點和單元:與直接生成節點和單元相比,自動網格劃分是一個巨大的進步,但自動網格劃分需耗費較多機時。若模型具有重復性,則可先對某一部分進行網格劃分,再將其拷貝到所需的地方。(一般來說,按這種方式拷貝網格將比對各重復體素分別進行網格劃分來得快)
圖5-7拷貝已劃分網格的面
實體模型加載:在ANSYS程序中,載荷一般是加在節點和單元上的。但采用實體建模時,對節點和單元直接加載不太方便。幸運的是,用戶可以直接在實體模型上加載,在發出SOLVE命令求解時,ANSYS程序會自動地將實體模型上的載荷轉換到有限元模型上。
修改模型(清除和刪除):在修改模型時,需要知道實體模型和有限元模型中圖元的層次關系。不能刪除依附于較高級圖元上的低級圖元。如不能刪除已劃分了網格的體,也不能刪除依附于面上的線等。若一個實體已加了載荷,刪除或修改該實體,附加在該實體上的載荷也將從數據庫中刪除。圖元間的層次關系如下:
最高級圖元: 單元(包括單元載荷)
節點(包括節點載荷)
實體(包括實體載荷)
面(包括面載荷)
線(包括線載荷)
最低級圖元: 關鍵點(包括點載荷)
在修改已劃分了網格的實體模型前,首先必須用xCLEAR命令(Main Menu>Proprocessor >Clear)清除該實體模型上所有的節點和單元。一旦清除了網格,就可以自上而下地刪除和重新定義圖元以達到修改模型的目的。清除、刪除和修改模型時,也可用下列方法直接修改關鍵點:
命令:KMODIF
GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Set of KPs
Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Single KP
用KMODIF自動清除并重新定義與此關鍵點相關聯的所有線、面和體,修改完模型之后,還需對已清除部分重新劃分網格。
圖5-8修改已劃分網格的實體模型。
5.2用自下向上的方法建模
無論是使用自下向上還是自上向下的方法構造的實體模型,均由關鍵點、線、面和體組成。如圖5-9所示。
圖5-9基本實體模型圖元。
頂點為關鍵點,邊為線,表面為面而整個物體內部為體。這些圖元的層次關系是:最高級的圖元體以面為邊界,面以線為邊界,線則以關鍵點為端點。
注意:建議不要在環坐標系下進行實體建模操作。因為可能產生并非用戶想要的面或體。
5.2.1關鍵點:
用自下向上的方法構造模型時,首先定義最低級的圖元:關鍵點。關鍵點是在當前激活的坐標系內定義的。用戶不必總是按從低級到高級的辦法定義所有的圖元來生成高級圖元,可以直接在它們的頂點由關鍵點來直接定義面和體。中間的圖元需要時可自動生成。例如,定義一個長方體可用八個角的關鍵點來定義,ANSYS程序會自動地生成該長方體中所有的面和線。
5.2.1.1 定義關鍵點:
ANSYS程序提供了多種定義關鍵點的方法,包括:
·定義單個關鍵點:
命令:K
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>In Active CS
Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>On Working Plane
·在己知線上給定位置定義關鍵點。
命令:KL
GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>On Line
Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>On Line w/Ratio
5.2.1.2從已有關鍵點生成關鍵點
一旦用戶定義了初始形式的關鍵點,可以利用下列方法產生另外的關鍵點(許多布爾運算命令能生成關鍵點)。
·在已有兩關鍵點之間生成關鍵點:
命令:KBETW
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>KP between KPs
·在兩關鍵點之間生成關鍵點:
命令:KFILL
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>Fill between KPs
·在由三點定義的圓弧的中心生成一個關鍵點:
命令:KCENTER
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>KP at Center
·由一種模式的關鍵點生成另外的關鍵點:
命令:KGEN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Copy>Keypoints
·用KSCALE命令從一給定模式的關鍵點生成另外的有一定比例模式的關鍵點,在GUI中沒有與KSCALE相應的途徑。
·通過映像產生關鍵點:
命令:KSYMM
GUI : Main Menu>Preprocessor>Reflect>Keypoints
·將一種模式的關鍵點轉到另外一個坐標系中
命令:KTRAN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Transfer Coord>Keypoints
·給未定義的節點或關鍵點定義一個缺省位置,用SOURCE命令。在GUI中沒有與SOURCE相應的途徑。
·計算并移動一個關鍵點到一個交點上:
命令:KMOVE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>To Intersect
·在已有節點處定義一個關鍵點:
命令:KNODE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>On Node
5.2.1.3 查看、選擇和刪除關鍵點。
用戶可用下列方法操作關鍵點:
·列表顯示已定義的關鍵點:
命令:KLIST
GUI : Utility Menu>List>Keypoints>Coordinates +Attributes
Utility Menu>List>Keypoints>Coordinates only
Utility Menu>List>Keypoints>Hard Points
Utility Menu>List>Picked Entities>Keypoints>Coordinates Only
Utility Menu>List>Picked Entities>Keypoints>Coords +Attributes
·顯示所選關鍵點:
命令:KPLOT
GUI : Utility Menu>Plot>Keypoints
Utility Menu>Plot>Specified Entities>Keypoints
·選擇關鍵點:
命令:KSEL
GUI : Utility Menu>Select>Entities
·刪除未劃分網格的關鍵點:
命令:KDELE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Delete>Keypoints
·用戶如果使用命令/PNUM,KP,1(Utility Menu>PlotCtrls>Numbering)在顯示高級圖元線、面和體〔LPLOT,APLT和VPLOT〕時會顯示依附其上的關鍵點號碼。
5.2.1.4 各種關鍵點命令的使用
ANSYS提供的使用關鍵點的方法:
·計算兩關鍵點之間的距離。
命令:KDIST
GUI : Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Check Geom>KP distances
·修改關鍵點的坐標(即將關鍵點移動到一個新的位置,使用下列方法。這樣做能自動清除與該關鍵點相連區域的網格,與該關鍵點相連所有高級圖元也需重新定義。(如一個“自由”的關鍵點,即未與任何線相連,也未劃分網格,則可用K命令重新定義。)
命令:KMODIF
GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Set of KPs
Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Single KP
5.2.2 硬點
硬點實際上是一種特殊的關鍵點。用戶可利用硬點施加載荷或從模型線和面上的任意點獲得數據。硬點不改變模型的幾何形狀和拓撲結構。大多數關鍵點命令如FK、KLIST和KSEL等都適用于硬點。而且硬點有自己的命令集和GUI中的部分。
如果用戶發出更新圖元幾何形狀的命令,例如布爾運算或簡化命令,任何與圖元相連的硬點都將被刪去。因此在完成實體模型之后應當將所有的硬點加入。如果刪除一個聯系著硬點的圖元,硬點會:
·與圖元一起被刪除(如果硬點與其它任何圖元都沒有關系)
·與被刪除的圖元分離(如果硬點與另外的圖元相連)
不能用拷貝、移動或修改關鍵點的命令操作硬點。硬點有其自己的命令和GUI控制。當使用硬點時不支持映射網格劃分。
5.2.2.1 定義硬點:
可以在現有線或面上定義硬點。在這兩種情況下,用戶可通過如下定義硬點在圖元上的位置:
·拾取(不適于從IGES文件中輸入的模型)
·指定比率(只適用于線)
·指定總體X、Y和Z坐標
用下列方法生成硬點:
·在已有線上定義單個的硬點:
命令:HPTCREATE
GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>Hard PT on Line>Hard PT by ratio
Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>Hard PT on Line>Hard PT by coord
Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>Hard PT on Line>Hard PT by picki
·在已有面上定義單個的硬點:
命令:HPTCREATE
GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>Hard PT on area>Hard PT by ratio
Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>Hard PT on area>Hard PT by coord
Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>Hard PT on area>Hard PT by picki
5.2.2.2 選擇硬點:
用戶可以用下列方法選擇硬點或帶有硬點的幾何圖元:
·選擇硬點:
命令:KSEL
GUI : Utility Menu>Select>Entities
注意:在選擇圖元對話框中,選擇同時包含關鍵點和硬點的項。
·要選擇線上的硬點:
命令:LSEL
GUI : Utility Menu>Select>Entities
注意:在選擇圖元對話框中,選擇同時包含線和硬點的項。
·要選擇在面上的硬點。
命令:ASEL
GUI : Utility Menu>Select>Entities
注意:在選擇圖元對話框中,選擇同時包含面和硬點的項。
5.2.2.3 查看與刪除硬點
用戶可以用下列方法查看硬點:
·列表硬點:
命令:KLIST
GUI : Utility Menu>List>Keypoints>Hard Points
·列表線上的硬點:
命令:LLIST
沒有與此項命令相應的GUI途徑。
·列表面上的硬點:
命令:ALIST
沒有與此項命令相應的GUI途徑。
·顯示硬點:
命令:KPLOT
GUI : Utility Menu>Plot>Keypoints>Hard Points
·刪除硬點:
命令:HPTDELETE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Delete>Keypoints>Hard Points
5.2.3 線
線主要用于表示物體的邊。象關鍵點一樣,線是在當前激活的坐標系內定義的。并不總是需要明確地定義所有的線,因為ANSYS程序在定義面和體時,會自動地生成相關的線。只有在生成線單元(如梁)或想通過線來定義面時,才需要定義線。
5.2.3.1 定義線
對已確定需要明確地定義線的情況,可適當地選用下列方法:
·在兩指定關鍵點之間生成直線或三次曲線:
命令:L
GUI :Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>In Active Coord
·通過三個關鍵點或兩個關鍵點外加一個半徑生成一條弧線:
命令:LARC
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arcs>By End KPs & Rad
Main Menu>Preprocessor>Create>Arcs>Through 3 KPs
·生成一條由若干個關鍵點通過樣條擬合的三次曲線:
命令:BSPLIN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Splines>Spline thru KPs
Main Menu>Preprocessor>Create>Splines>Spline thru Locs
Main Menu>Preprocessor>Create>Splines>With Options>Spline thru KPs
Main Menu>Preprocessor>Create>Splines>With Options>Spline thru Locs
·生成圓弧線:
命令:CIRCLE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arcs>By Cent & Radius
Main Menu>Preprocessor>Create>Arcs>Full Circle
·生成通過一系列關鍵點的多義線。
命令:SPLINE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Splines>Segmented Spline
Main Menu>Preprocessor>Create>Splines>With Options>Segmented Spline
·生成與一條線成一定角度的一條直線:
命令:LANG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>At Angle to Line
Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>Normal to Line
·生成與已有兩條線成一定角度的線:
命令:L2ANG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>Angle to 2 Lines
Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>Norm to 2 Lines
·生成一條與已有線共終點且相切的線:
命令:LTAN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>Tangent to Line
·生成一條與兩條線相切的線:
命令:L2TAN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>Tan to 2 Lines
·生成在一個面上兩關鍵點之間最短的線:
命令:LAREA
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>Overlaid on Area
·通過一個關鍵點按一定路徑拖拉生成線:
命令:LDRAG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>Along Lines
·使一關鍵點按一條軸旋轉生成弧線:
命令:LROTAT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>About Axis
·在兩相交線之間生成倒角線:
命令:LFILLT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Line Fillet
對于生成直線的命令,線的實際形狀與當前激活的坐標系有關。在笛卡爾坐標系中如dx/dl、dy/dl、dz/dl均為常量,則生成一條真正的直線。而在柱坐標系中當dR/dl、dθ/dl、和dz/dl為常量時,如果三個梯度都非零的話,生成的線則可能是螺旋線。
·不管激活的是何種坐標系都生成直線,用下列方法:
命令:LSTR
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Lines>Straight Line
5.2.3.2 從已有線生成新線:
可使用下列方法可將已有線拷貝生成另外的線:
·通過已有線生成新線:
命令:LGEN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Copy>Lines
Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Lines
·從已有線對稱映像生成新線:
命令:LSYMM
GUI : Main Menu>Preprocessor>Reflect>Lines
·將已有線轉到另一個坐標系:
命令:LTRAN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Transfer Coord>Lines
5.2.3.3 修改線:
通過L命令可用于修改線或用下列方法:
·將一條線分成更小的線段:
命令:LDIV
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Line into 2 Ln"s
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Line into N Ln"s
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Lines w/ Options
·將一條線與另一條線合并:
命令:LCOMB
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Add>Lines
·將線的一端延長:
命令:LEXTND
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extend Line
5.2.3.4 查看和刪除線
用戶可以用下列方法查看和刪除線:
·線列表:
命令:LLIST
GUI : Utility Menu>List>Lines
Utility Menu>List>Picked Entities>Lines
·顯示線:
命令:LPLOT
GUI : Utility Menu>Plot>Lines
Utility Menu>Plot>Specified Entities>Lines
·選擇線
命令:LSEL
GUI : Utility Menu>Select>Entities
·刪除線
命令:LDELE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Delete>Line and Below
Main Menu>Preprocessor>Delete>Lines Only
如果已鍵入的/PNUM,Line,1命令(GUI途徑menu path Utility Menu>PlotCtrls> Numbering),用APLOT和VPLOT命令顯示面和體時,同時標出線號。
5.2.3.5 對線的說明
當使用線時應記住下列要點:
·只有未依附于面且未劃分網格的線才可重新定義、修改或刪除。(LDIV、LCOMB和LFILLT命令例外,這三條命令可用來修改未劃分網格的線,若其依附于面或體,這些線將與相應的面和體一同修改。)
·有些幾何體素和布爾運算也可生成或修改線。
5.2.4 面:
平面可以表示二維實體(如平板或軸對稱實體)。曲面和平面都可表示三維的面,如殼,三維實體的面等。用到面單元或由面生成體時,才需定義面。生成面的命令也將自動地生成依附于該面的線和關鍵點;同樣,面也可在定義體時自動生成。
5.2.4.1 定義面:
明確的定義一個面,可適當選用下列命令:
·通過頂點定義一個面(即通過關鍵點):
命令:A
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arbitrary>Through KPs
·通過其邊界線定義一個面(即通過一系列線定義周邊):
命令:AL
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arbitrary>By Lines
·沿一定路徑掃掠一條線生成面:
命令:ADRAG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>Along Lines
·沿一軸旋轉一條線生成面:
命令:AROTAT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>About Axis
·在兩面之間生成一個倒角面:
命令:AFILLT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Area Fillet
用戶用此命令遇到了基本的布爾運算疑難時,可用旋轉或延伸操作(VROTAT或VTEXT命令)來完成相同的操作,參見§5.10.2中的詳細內容。
·通過引導線由蒙皮生成光滑曲面:
命令:ASKIN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arbitrary>By Skinning
·通過偏移一個已有面生成面(這種偏移面與汽球充氣和放氣的情景很類似):
命令:AOFFST
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arbitrary>By Offset
若需生成的偏移面曲率半徑大于或等于最小許可曲率半徑時,這個操作失敗,用戶將收到一個警告信息。
圖5-10為執行AROTAT、ADRAG、AFILLT、ASKIN、及AOFFST命令操作的例子。
圖5─10 命令操作
5.2.4.2 通過已有面生成面:
利用下列方法可將已有面拷貝而生成另外的面:
·通過已有面生成另外的面:
命令:AGEN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Copy>Areas
Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Areas
·通過對稱映像一個面生成面:
命令:ARSYM
GUI : Main Menu>Preprocessor>Reflect>Areas
·將一個面轉移到另一個坐標系中去:
命令:ATRAN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Transfer Coord>Areas
·拷貝面的一部分:
命令:ASUB
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arbitrary>Overlaid on Area
5.2.4.3 查看、選擇和刪除面
可用下列方法進行面的操作:
·對已定義的面列表:
命令:ALIST
GUI : Utility Menu>List>Areas
Utility Menu>List>Picked Entities>Areas
·顯示面:
命令:APLOT
GUI : Utility Menu>Plot>Areas
Utility Menu>Plot>Specified Entities>Areas
·選擇面:
命令:ASEL
GUI : Utility Menu>Select>Entities
·刪除未劃分網格的面:
命令:ADELE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Delete>Area and Below
Main Menu>Preprocessor>Delete>Areas Only
如果鍵入了適當的/PNUM,AREA,1(Utility Menu>PlotCtrls>Numbering)命令,用VPLOT命令顯示體時,同時會標出面號。
需要解釋面列表ALIST命令的兩個特點。若已執行了ASUM命令(GUI途徑Main Menu>Preprocessor>Operate>Calc Geom Items),則在面列表〔ALIST〕時,實體圖元面內的所有封閉線段構成的拓撲意義上的面也將列表顯示出來。而且一圈圈的數字表示定義面邊界的封閉線段,參見圖5-11。
圖5-11封閉線段圍成一個面
5.2.4.4面中應注意的問題。
當遇到面的問題時應注意:
·只有未進行網格劃分且不屬于某個體的面才能被重新定義或刪除。
·某些幾何體素和布爾運算也可生成或修改面。
5.2.5 體
體用于描述三維實體,僅當需要用體單元的才必須建立體。生成體的命令自動生成低級的圖元。
5.2.5.1 定義體
利用下列方法定義體:
·通過頂點定義體(即用關鍵點):
命令:V
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arbitrary>Through KPs
·通過邊界定義體(即用一系列面定義體):
命令:VA
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Arbitrary>By Areas
·將面沿某個路徑掃掠生成體:
命令:VDRAG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>Along Lines
·將面沿某個軸旋轉生成體:
命令:VROTAT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>About Axis
·將面沿其垂直正方向偏移生成體(見圖5-12):
命令:VOFFST
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>Along Normal
·在激活坐標系下對面進行拉延和縮放來生成體(見圖5-12):
命令:VEXT
 |
圖5─12 命令操作
5.2.5.2 延伸生成體須知
當延伸體時應注意:
·當用VROTAT、VEXT、VST或VDRAG命令延伸已劃分了網格的面(或屬于一已劃分了網格的體)生成的體,網格即作為生成體的網格劃分依據(見圖5-13)。(將這些命令與VSWEEP命令對比,VSWEEP命令在5.2.5.3中論述)。
如果用戶對延伸生成網格感興趣,可按以下步驟:
1、對待延伸、拖拉、偏移或旋轉(用MESH200單元)的面進行網格劃分。
2、選擇合適的三維單元類型〔ET〕(與MESH200單元的形狀和節點數相匹配)。激活選擇對話框〔TYPE〕。
3、指定在延伸、旋轉或偏移方向想要劃分的單元數(ESIZE命令中的NDIV項)。若用VDRAG命令,需指定拖拉路線上劃分的單元數(LESIZE或ESIZE,NDIV)
4、鍵入VROTAT、VEXT、VOFFST或VDRAG命令。
·銜接面〔ACCAT〕或有銜接線〔LCCAT〕的面不能進行延伸,可以跳過銜接線的限制首先對面進行網格劃分,然后刪除銜接線,最后延伸面成為劃分了網格的體。
· 如果單元的屬性是通過AATT命令與面相聯系的,通過VPRAG,VEXT,VOFFST或VROTAT命令操作生成的相對面也有相同的屬性(如,樣本面的單元屬性會拷貝到相對的面上去)。注意只有與某面相對的面才與該面有相同的屬性;與該面相鄰的面則沒有。
·利用下列命令從二維模型生成劃分好網格的體將更容易:
命令:EXTOPT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>Elem Ext Opts
EXTOPT控制功能與用VEXT,VROTAT、VOFFST、VDRAG及VSWEEP命令由面單元生成體單元相關。這可使面單元的材料屬性、實常數屬性及單元坐標系屬性與生成的體單元一致(除了下面注明的VSWEEP命令外)。
EXTOPT控制選項包括如下:
·當使用VEXT、VROTAT、VOFFST或VDRAG命令時,可以設置控制面單元的材料屬性、實常數屬性和單元坐標系屬性與劃分網格的體單元的一致(當用VSWEEP命令時,因為體已存在,用VATT命令在掃掠之前指定屬性)。
·當使用VEXT,VROTAT,VOFFST或VDRAG命令時,可以設置控制將樣本面單元遺留的特殊屬性(材料、實常數或單元坐標系)給已生成的體單元,或者可以用當前的MAT,REAL和ESYS命令給已生成的體單元設置特殊的屬性(材料、實常數或單元坐標系)。
·可以在體生成的方向設定單元分割數及間隔比率。
·當使用VEXT,VROTAT,VOFFST或VDRAG命令時,可以設置當生成了體之后清除樣本面網格的控制。(當使用VSWEEP命令時,如果選擇了,樣本(源)、目標及側面網格就會在體掃掠完成之后清除。)
保留樣本面單元的屬性可以節省用戶的時間,否則對帶有不同屬性的多個面進行三維模型延伸要指定不同的單元屬性。
圖5─13 延伸(或縮放)已劃分網格的面成為劃分網格的體。
5.2.5.3 掃掠體
通過掃掠相鄰面的網格使已有未劃分網格的體填充單元:
命令:VSWEEP
GUI : Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Sweep
當使用VROTAT、VEXT、VOFFST和VDRAG命令延伸一已劃分網格的面成為一個劃分了網格的體時,ANSYS會同時生成體和體的網格。相反,可對一個已有未分網格的體使用VSWEEP命令。因此對于輸入從CAD系統中創建的實體模型VSWEEP命令顯得特別有用。
對于體掃掠的詳細信息,可見本手冊中§7.5.5,對VSWEEP命令的描述詳見《ANSYS Commands Reference》。
5.2.5.4 從已有體生成體
從已有體生成另外的體,使用如下命令:
·由一種模式的體生成另外的體:
命令:VGEN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Copy>Volumes
Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Volumes
·由一體模型通過對稱映像生成體:
命令:VSYMM
GUI : Main Menu>Preprocessor>Reflect>Volumes
·將一種模式的體轉到另外一坐標系:
命令:VTRAN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Transfer Coord>Volumes
5.2.5.5 查看和刪除體:
查看和刪除體:
·體的列表:
命令:VLIST
GUI : Utility Menu>List>Picked Entities>Volumes
Utility Menu>List>Volumes
·顯示體:
命令:VPLOT
GUI : Utility Menu>Plot>Specified Entities>Volumes
Utility Menu>Plot>Volumes
·選擇體:
命令:VSEL
GUI : Utility Menu>Select>Entities
·刪除體:
命令:VDELE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Delete>Volume and Below
Main Menu>Preprocessor>Delete>Volumes Onl
體的列表表明體是由許多外殼組成。外殼是體的等效封閉圈——定義一個連續封閉邊界的圖元集。
5.2.5.6 關于體應注意的問題:
當用到體時應注意:
·只有未被劃分網格的體才可以進行重新定義或刪除。
·有些幾何體素和布爾運算命令可以用來生成或修改體。
5.2.6 拖拉操作
當使用拖拉操作(LDRAG、ADRAG或VDRAG命令)的最好結果是減小從拖拉路徑平面到待拖拉圖元的距離(圖5-14表示的距離“ d”)。而且圖元的平面應當盡可能平行于拖拉路徑平面。如果待拖拉的圖元在拖拉路徑平面內,那么以上兩點都可以滿足,拖拉路徑平面自動地定義為與拖拉路徑正交并位于拖拉路徑的起始處。
圖5─14 拖拉操作示意
5.3 用自上向下的方法建模:體素
5.3.1 什么是體素?
幾何體素是可用單個ANSYS命令來創建的常用的實體建模的形狀(如一個球體或正棱柱)。
因為體素是高級圖元,可不用首先定義任何關鍵點而形成,利用體素進行模型生成有時指自上向下建模。(當生成一個體素時,ANSYSY程序會自動生成所有必要的低級圖元,包括關鍵點)幾何體素是在工作平面內生成的。
5.3.2 如何生成面體素
利用下列方法可生成矩形:
·在工作平面上任意位置生成一個長方形區域:
命令:RECTNG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Rectangle>By Dimensions
·通過角點生成一個長方形區域:
命令:BLC4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Rectangle>By 2 Corners
·通過中心和角點生成一個長方形區域:
命令:BLC5
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Rectangle>By Centr & Cornr
5.3.2.1 生成圓或環形區域
利用如下命令可生成圓或部分圓環:
·生成以工作平面原點為圓心的環形區域:
命令:PCIRC
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Circle>By Dimensions
·在工作平面的任意位置生成一個環形區域:
命令:CYL4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Circle>Annulus
Main Menu>Preprocessor>Create>Circle>Partial Annulus
Main Menu>Preprocessor>Create>Circle>Solid Circle
·通過端點生成一個環形區域:
命令:CYL5
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Circle>By End Points
5.3.2.2 生成正多邊形
利用下列方法生成一個正多邊形:
·以工作平面的原點為中心生成一個正多邊形區域:
命令:RPOLY
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>By Circumscr Rad
Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>By Inscribed Rad
Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>By Side Length
·在工作平面的任意位置處生成一個正多邊形區域:
命令:RPR4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>Hexagon
Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>Octagon
Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>Pentagon
Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>Septagon
Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>Square
Main Menu>Preprocessor>Create>Polygon>Triangle
除以上的正多邊形外,用戶還可以用POLY命令基于工作平面坐標對生成任意多邊形區域。 POLY命令必須跟隨PTXY命令之后使用(在GUI中沒有與POLY相應的途徑)。
5.3.2.3 面體素中應注意的問題:
用面體素工作時應注意:
·由命令或GUI途徑生成的面位于工作平面上,方向由工作平面坐標系而定。注意:面體素的面積必須大于零(也就是說,不能用退化面定義線)。
·在有限元模型中,二個相接觸的體素之間會產生一條不連續的接縫,只有用諸如NUMMRG、AADD或AGLUE等命令來“焊接”才能將接縫除去。
·用上面討論的PCIRC和CYL4命令或在下一節實體體素中討論的CONE、CYLIND、SPHERE或TORUS等命令生成環幾何體素的弧時,弧從代數值小的角度開始,按正的角方向,到大的角度處終止。(THETA1和THEAT2的輸入順序并不表示生成體素的開始角和終止角。)下圖表明如何用這些命令工作的:
圖5─15 環形幾何體素的圓弧扇區。
5.3.3 如何生成實體體素
本節中論述的命令可用來定義實體體素。
5.3.3.1 生成長方體
可用下列方法生成長方體:
·在基于工作平坐標上生成長方體:
命令:BLOCK
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Block>By Dimensions
·通過角點生成一個長方體:
命令:BLC4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Block>By 2 Corners & Z
·通過中心及角點生成一個長方體:
命令:BLC5
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Block>By Centr,Cornr,Z
5.3.3.2 生成柱體
利用下列方法生成端面為圓或圓環區域的直棱柱體(如圓柱):
·以工作平面原點為圓心生成一個圓柱體:
命令:CYLIND
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Cylinder>By Dimensions
·在工作平面的任意處生成圓柱體:
命令:CYL4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Cylinder>Hollow Cylinder
Main Menu>Preprocessor>Create>Cylinder>Partial Cylinder
Main Menu>Preprocessor>Create>Cylinder>Solid Cylinder
·通過端點生成圓柱體:
命令:CYL5
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Cylinder>By End Pts & Z
5.3.3.3 生成多棱柱體:
可用下列方法生成正棱柱體:
·以工作平面的原點為圓心生成一個正棱柱體:
命令:RPRISM
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>By Circumscr Rad
Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>By Inscribed Rad
Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>By Side Length
·在工作平面的任意位置處生成多棱柱體:
命令:RPR4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>Hexagonal
Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>Octagonal
Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>Pentagonal
Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>Septagonal
Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>Square
Main Menu>Preprocessor>Create>Prism>Triangular
若要生成基于工作平面坐標對的任意多棱柱體,使用PRISM命令,PRISM命令必須跟隨在PTXY命令之后。(在GUI中沒有與PRISM命令相應的途徑。)
5.3.3.4 生成球體或部分球體
利用下列方法可以生成球體或部分球體:
·以工作平面原點為中心生成球體:
命令:SPHERE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Sphere>By Dimensions
·在工作平面的任意位置處生成球體:
命令:SPH4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Sphere>Hollow Sphere
Main Menu>Preprocessor>Create>Sphere>Solid Sphere
·以直徑的端點生成球體:
命令:SPH5
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Sphere>By End Points
5.3.3.5 生成錐體或截錐體
利用以下方法可以生成錐或截錐:
·以工作平面的原點為中心生成錐體:
命令:CONE
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Cone>By Dimensions
·在工作平面的任意位置處生成錐體:
命令:CON4
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Cone>By Picking
5.3.3.6 生成環體或部分環體:
若要生成環體:
命令:TORUS
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Torus
可用TORUS、RAD1、RAD2、RAD3、THEAT1、THETA2命令生成環體或部分環體。
· 若要生成環體,不必給THETA1或THETA2賦值.必須指定用于定義環的三個半徑值(RAD1、RAD2和RAD3)。可以以任順序指定半徑,最小的值是內部半徑,中間值為外部半徑,最大值為主半徑(有一個例外需指定半徑值的順序:如果想生成一個實心環體,內部半徑指定為零或空,這種情況下零或空必須占據RAD1或RAD2的位置)。至少其中的兩個值必須指定為正值;它們用來定義外面半徑和主半徑。
圖5-16環體體素
要生成圖5-16的環體,鍵入TORUS,5,1,2命令,由于指定半徑值有相對的大小關系,5,1,2分別用來定義環體的主半徑,內部半徑和外部半徑。若沒有給THETA1和THETA2指定值,缺省的值0和360用來表示環體的起始和終結角度(見圖5-17所示的部分環體的所有半徑)
·要生成圖5-17所示的部分環體,鍵入TORUS,5,1,2,0,180;此處5、1和2分別為環體的主半徑、內部半徑和外部半徑,0和180表示環體的起始和終結角度。
詳見《ANSYS Commands Reference》中TURUS的敘述。
圖5-17 部分環體
5.3.3.7 體體素中應注意的問題
當用體體素時應當注意:
·上述命令定義的體都是相對于工作平面。(θ角的意義如圖5-16所示)。
·在有限元模型中,二個相接觸的體素間會生成一個不連續的接縫,只有用諸如NUMMRG、VGLUE和VADD命令“焊接”才能將此接縫除去。
5.4 用布爾運算雕塑實體模型
在布爾代數中,對一組數據可用諸如交、并、減等邏輯運算處理。ANSYS程序也允許用戶對實體模型進行同樣的布爾運算。這樣修改實體模型就更加容易了。
幾乎可以對任何實模型進行布爾運算操作,無論是自上向下還是自下向上構造的實體模型。例外是通過搭接(見§7.1)生成的圖元對布爾運算無效,對退化的圖元也不能進行某些布爾運算。(見本章后面的5.8一節。)
完成布爾運算之后,緊接著就是實體模型的加載和單元屬性的定義。如果用布爾運算修改了已有的模型,應該注意的是重新進行單元屬性和加載的定義。
下一節中討論修改模型的布爾運算的多種形式,在看這些部分時,要注意可以任意選用這些方法指定布爾運算:
命令:BOPTN
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Settings
5.4.1 是否保留原始圖元
對兩個或多個圖元進行布爾運算時,需要用戶確定是否保留原始圖元。可用BOPTN,Lab,Value命令來控制是否保留原始圖元,參見圖5-18。
圖5─18 布爾運算保留操作
一般來說對依附于高級圖元的低級圖元進行布爾運算是允許的。
不能對已劃分網格的圖元進行布爾操作。必須在執行布爾操作前將網格從圖元中清除。
5.4.2 其它有用的BOPTN設置
BOPTN命令中的NWARN項允許用戶控制警告信息。值“0”將使布爾運算無效時顯示警告信息。值“1”將消除布爾運算無效的所有警告或錯誤信息。值“-1”將允許布爾運算無效時的錯誤信息。
版本標記用來控制采用何種版本ANSYS程序對由布爾操作產生的圖元編號。缺省地,ANSYS將用5.2版本的編號程序對圖元進行編號,但可以令ANSYS使用5.1版本的編號程序。通常在使用5.2或更新版本的ANSYS程序時可以使用缺省的編號程序。可是當讀入由5.1版本生成的模型時,應當在讀入文件〔/INPUT〕之前激活5.1版本的編號程序〔BOPTN,VERSION,RV51〕,這樣程序就會正常運行。
注:除非指定了5.1版本的編號程序〔BOPIN,VERSION,RV51〕,否則在5.1版本中生成的輸入命令流會在5.2或5.3版本中產生不同的圖元編號。DEFA將重置所有的BOPTN設置為缺省值,STAT將列表當前設置的狀態。
5.4.3 布爾運算之后的圖元編號
編號程序對布爾運算輸出圖元依據其拓撲結構和幾何形狀進行編號。例如,面的拓撲信息包括定義的邊數,組成面的線數(即三邊形面或四邊形面等),面中任何原始線(在布爾操作之前存在的線)的線號,任意原始關鍵點的關鍵點號等等。面的幾何信息包括形心的坐標、端點和其它相對于一些任意的參考坐標系的控制點。控制點是由NURBS定義的描述模型的參數。編號程序首先給輸出圖元分配按其拓撲結構唯一識別的編號(以下一下數字開始)。任何剩余圖元按幾何編號,不幸的是,按幾何的圖元編號可能會與通過設計優化循環不一致,尤其是當從一個循環到另一個循環幾何模型改變的情況。因此,當出現按幾何給圖元編號時,程序會顯示下列警告信息:
*** WARNING ***
Entity numbers from the Boolean operation were assigned based on geometry. If you areplanning to do optimization, (or input looping), do not rely on the entity numbers forloads, etc. To suppress this warning, issue "BOPT,NWARN,0".
5.4.4 交運算
交運算的結果是由每個初始圖元的共同部分形成一個新圖元。也就是說,交表示二個或多個圖元的重復區域。這個新的圖元可能與原始的圖元有相同的維數,也可能低于原始圖元的維數。例如兩條的交可能只是一個關鍵點(或關鍵點的集合),也可能是一條線(或線的集合)。布爾交命令有如下形式:
·生成線的交
命令:LINL
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>-Common-Lines
·生成面的交
命令:AINA
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>-Common-Areas
·生成體的交
命令:VINV
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>-Common-Volumes
·生成線與面的交:
命令:LINA
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>Line with Area
·生成面與體的交
命令:AINV
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>Area with Volume
·生成線與體的交
命令:LINV
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>Line with Volume
5.4.4.1相交的例子
下列圖為上述相交的例子:
圖5─19 線與線相交
圖5─20 面與面相交
圖5─21 體與體相交
圖5─22 線與面相交
圖5─23 面與體相交
圖5─24 線與體相交
5.4.5 兩兩相交
兩兩相交是由圖元集疊加而形成的一個新的圖元集。就是說,兩兩相交表示至少任意兩個源圖元的相交區域。比如,線集的兩兩相交可能是一個關鍵點(或關鍵點的集合),或是一條線(或線的集合)。布爾運算的兩兩相交命令為:
·線的兩兩相交
命令:LINP
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>-Pairwise-Lines
·面的兩兩相交
命令:AINP
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>-Pairwise-Areas
·體的兩兩相交
命令:VINP
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Intersect>-Pairwise-Volumes
5.4.5.1 兩兩相交的例子
圖5-25、5-26和5-27是兩兩相交的例子:
圖5─25線的兩兩相交
圖5─26面的兩兩相交
圖5─27體的兩兩相交
5.4.6 加運算:
加運算的結果是得到一個包含各個原始圖元所有部分的新圖元。(這種運算也可稱為并、連接或和)。這樣形成的新圖元是一個單一的整體,沒有接縫。(實際上,加運算形成的圖元在網格劃分時常不如搭接形成的圖元好)。在ANSYS程序中只能對三維實體或二維共面的面進行加操作。面相加可以包含有面內的孔,即內環。布爾加命令如下:
·將分開的面相加生成一個面:
命令:AADD
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Add>Areas
·將分開的體相加生成一個體:
命令:VADD
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Add>Volumes
5.4.6.1 加運算的例子
下圖為以上加運算的例子
圖5─28面的相加
圖5─29體的相加
5.4.7 減運算
如果從某個圖元(E1)減去另一個圖元(E2),其結果可能有兩種情況:一是生成一個或多個新圖元E3(E1-E2=>E3),E3與E1有同樣的維數,且與E2無搭接部分。另一種情況是E1與E2的搭接部分是個低維的實體。這時,結果將E1分成兩個或多個新的實體(E1-E2=>E3,E4)。
如果減命令的SEPO命令域置空(缺省),圖元的減運算會產生帶有公共端點的線;或帶有公共邊界線的面;或帶有公共邊界的體。命令域置為“SEPO”,結果圖元將不再有公共的邊界而是不同但重合的邊界。后一個操作如果圖元的搭接部分不能將輸入圖元中的一個分成至少二個不同的線、面或體,則該運算無效。布爾減命令(及相應的GUI途徑)如下:
·從線中減去線
命令:LSBL
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Subtract>Lines
Main Menu>Preprocessor>Operate>Subtract>With Options>Lines
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Line by Line
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>With Options>Line by Line
·從面中減去面
命令:ASBA
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Subtract>Areas
Main Menu>Preprocessor>Operate>Subtract>With Options>Areas
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Area by Area
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>With Options>Area by Area
·從體中減去體:
命令:VSBV
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Subtract>Volumes
Main Menu>Preprocessor>Operate>Subtract>With Options>Volumes
·從線中減去面:
命令:LSBA
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Line by Area
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>With Options>Line by Area
·從線中減去體:
命令:LSBV
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Line by Volume
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>With Options>Line by Volume
·從面中減去體:
命令:ASBV
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Area by Volume
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>With Options>Area by Volume
·從面中減去線:
命令:ASBL
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Area by Line
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>With Options>Area by Line
注意:使用ASBL命令時不出現SEPO域。
·從體中減去面:
命令:VSBA
GUI : Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>Volume by Area
Main Menu>Preprocessor>Operate>Divide>With Options>Volume by Area
5.4.7.1 減運算的例子
圖5-30到圖5-37 是簡單減運算的例子。詳見《ANSYS Commands Reference》中LSBL,ASBA,VSBV,LSBA,LSBV,ASBV,ASBL和VSBA命令。
圖5-30 LSBL線線相減
圖5-31 ASBA面面相減
圖5-32 VSBV體體相減
圖5-33 LSBA線中減去面
圖5-34 LSBV線中減去體
圖5-35 ASBV面中減去體
圖5-36 ASBL面中減去線
圖5-37 VSBA體中減去面
圖元相減命令有多種輸入。可以從多個圖元減去一個圖元,或可以從一個圖元減去多個圖元。還可以從多個圖元減去多個圖元。圖5-38到圖5-45描述了多個圖元相減。
圖5-38 LSBL多條線減去線
圖5-39 ASBA多個面減去面
圖5-40 VSBV 多個體中減去一個體
圖5-41 LSBA多條線減去一個面
圖5-42 LSBV多條線中減去體
圖5-43 ASBV多個面中減去一個體
圖5-44 ASBL多個面中減去一條線
圖5-45 VSBA單個體中減去多個面
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