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ANSYS结构分析:几何前处理

返回列表 来源:admin 浏览: 发布日期:2019-08-16

产品的几何模型往往是从产品的功能出发,尽可能的要与产品的实际结构保持一致。但在有限元分析中不同,建立几何模型作为前处理的第一步,其目的在于帮助建立有限元模型,因此几何前处理首先要考虑的是怎样在保证精度的情况下,减小划分网格的难度,要想达到这一点,就需要设计人员正确的选择几何模型的建立方法,并且对初始模型进行合理的简化。

一、ANSYS建立几何模型的方法

ANSYS中几何模型的建立主要有两种方式:

1.导入由其他CAD软件(如Solidworks、UG等)建立的几何模型。导入几何模型需要在CAD软件中将模型以*.x_t格式保存,再将模型文件导入到ANSYS中,该方法常用于结构较为复杂的几何模型,同时在实际的工程应用中也较为普遍。对于新产品的设计,设计人员往往先给出的是产品的三维模型,接着需要CAE工程师根据三维模型建立其有限元模型,通常直接将三维模型导入到ANSYS软件中再进行处理是较为方便的,这样做的好处是方便快捷,省去了在ANSYS中重新建模的繁复的步骤,坏处是可能会给之后模型的修改带来一些不便。

2.在ANSYS中直接构建几何模型。对于一些结构较为简单的几何模型,可以选择在ANSYS软件中直接建模。ANSYS中建立几何模型又可以分为自下而上和自上而下两种方式,前者即点—线—面—体,由底层到高层的建模方式;后者则直接建立较高图元对象,对应的较低图元对象将自动产生,如直接建立体,则其所对应的面、线、点也将同时生成。两种建立几何模型的方式可以根据用户的实际需要自由组合。

二、ANSYS建立几何模型的工具

ANSYS产品中包含了多种前处理模块,除经典ANSYS Mechanical APDL中的前处理模块外,还有ANSYS SpaceClaim Direct Modeler和ANSYS DesignModeler等。

DesignModeler是集成于Workbench平台上的一款三维建模软件,提供丰富的三维建模工具来建立全参数化的几何模型,模型可以在任意ANSYS仿真软件中进行分析计算,也可以传到ANSYS DesignXplorer优化模块中进行优化分析。

SpaceClaim是一款三维实体直接建模软件,是世界首个自然方式3D设计系统,SpaceClaim最显著的两个特点,一是全参数化,它的全参数化有别于DesignModeler软件,DesignModeler软件参数化的参数必须是采用DesignModeler软件创建,而SpaceClaim软件可以抽取外部CAD软件建立的模型参数并且进行参数化。二是直接建模,用户如果需要修改模型,SpaceClaim软件可以直接修改外部CAD软件导入的几何模型,无需担心底层技术,并且它基本兼容所有的主流CAD软件。

三、关于几何模型的抽象

从理论上来讲,真实的对象都为3D模型,当他们在某一个方向上具有一定的特征时,才将3D模型等效为2D模型或1D模型。当选择梁单元、管单元或者杆单元进行分析时,常常仅需要建立结构的1D模型,如在铁轨的结构分析中,若用梁单元BEAM188来建立其有限元模型,则可以用直线模型来模拟铁轨,铁轨的截面形式可以在梁单元的输入选项中进行定义。2D实体模型主要用于薄板结构(平面应力问题)或具有等截面的“无限长”结构(平面应变问题)。3D壳模型主要用于三维空间的薄板结构,3D实体模型用于一般性的较为复杂的三维空间结构。

若进行初步设计,可以先建立对象的1D或2D模型完成特征分析,再决定是否进行下一步的设计;若进行详细设计,则应该建立对象的3D模型进行分析,并采用2D模型或1D模型进行验证性测试;对于一些具有对称性特征的模型,则可以只建立模型的部分特征,通过施加对称约束进行分析,从而大大的减小计算量。

四、关于几何模型的简化

在保证计算可靠性的同时,提高求解的效率,是模型简化的原因之一。除此以外,简化模型更多的是为了方便之后网格的划分,减小工作量。

1.特征的删除

机械结构中的某些特征往往是由于加工、装配等需要而设计的,如某些退刀槽、自由边、螺钉孔或凸台等,其对于结构的强度或刚度影响并不大,因此在建立几何模型时应对这些特征予以删除。

2.抽象简化

实际工程的结构都是具有尺寸和体积的,而有限元模型的某些单元是没有体积的,如壳单元。因此,建模时往往需要从几何模型中抽象出有限元模型,常称为中线或中面的提取。第三节讲到的将3D模型等效为2D模型或1D模型,其实就是一种抽象简化。

3.装配的等效简化

机械装配体的连接方式多种多样,按照实际的连接方式建模将会对之后的网格划分带来极大的困扰。在不研究装配处具体的受力情况时,可以对其进行等效简化,如两个零部件的螺拴连接,可以用两个零部件连接处的节点耦合的方式来代替;再如零部件的焊接,可以将焊接的零部件在焊接处建成一个整体。

前处理中几何模型建立的重点不在于精确,而在于合理。用户没有必要纠结于是否与实际结构相符,重点要考虑的是是否满足结构分析的要求。大胆的简化,小心的求证。

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