第4講有限元二維建模單元材料

第四章幾何建模一、ANSYS中的模型分類(lèi)1、幾何模型（也稱(chēng)實(shí)體模型）即根據(jù)實(shí)物研究對(duì)象繪制出的，由關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體組成的幾何體，是實(shí)物的直接仿真模型。2、有限元模型幾何模型通過(guò)定義各種屬性，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后得到的可用于ANSYS計(jì)算的模型二、建模方法1、直接建模：直接在ANSYS中建立有限元模型，而不必先建幾何模型。先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)，然后輸入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立節(jié)點(diǎn)，再輸入每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，從而建立有限元模型。該方法缺點(diǎn)是大量輸入數(shù)據(jù)令人無(wú)法忍受，且對(duì)于復(fù)雜的3D實(shí)體靠人工去劃分網(wǎng)格極易出錯(cuò)。2、幾何建模：在ANSYS軟件中建立模型和從其它CAD軟件導(dǎo)入模型。如建模軟件如AutoCAD、Pro/E、SolidWork、UG、SolidEdge等。3、混合建模：在幾何建模并網(wǎng)分后，再增加其它單元或特征的方法。該法基本是在有限元模型生成后，再建立少量的單元，例如接觸單元、約束方程、耦合自由度等。ANSYS中幾何模型等級(jí)由低向高依次為關(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體（稱(chēng)為幾何圖素或圖素）。幾何模型的創(chuàng)建，可采用自底向上或自頂向下的方法。所謂自底向上建模就是首先創(chuàng)建最低級(jí)的圖素---關(guān)鍵點(diǎn)，再通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)生成較高級(jí)的圖素（如線、面、體）。而自頂向下建模就是首先創(chuàng)建較高級(jí)的圖素（體或面），而自動(dòng)生成較低級(jí)的圖素，通過(guò)體或面的組合得到較復(fù)雜的模型。在實(shí)際建模時(shí)，不必區(qū)分自底向上建?；蚴亲皂斚蛳陆?，也不必按其順序建模，可以混合使用自底向上建模和自頂向下建模。例如某些情況下，通過(guò)創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)再創(chuàng)建面或體方便，而有些情況下可能直接建立體或面更方便，均視模型情況而定。2.1創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)2.1創(chuàng)建線倒角（LineFillet）倒角前輸入半徑倒角后2.1創(chuàng)建面2.1創(chuàng)建體三、模型操作對(duì)已經(jīng)建立的模型進(jìn)行拉伸、布爾運(yùn)算等操作拉伸布爾運(yùn)算3.1拉伸操作Preprocessor/Modeling/Operate/Extrude/Areas/AboutAxis可以得到什么圖形？3.2布爾運(yùn)算創(chuàng)建復(fù)雜的幾何模型，可運(yùn)用布爾運(yùn)算對(duì)模型進(jìn)行加工和修改。無(wú)論是自頂向下建?；蚴亲缘紫蛏辖?chuàng)建的圖素都可進(jìn)行布爾運(yùn)算，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何模型進(jìn)行一系列布爾操作可創(chuàng)建復(fù)雜的模型，使得建模較為容易和快捷。對(duì)于包含退化的模型，有時(shí)布爾運(yùn)算是無(wú)法完成的。對(duì)于已經(jīng)劃分網(wǎng)格的圖素不能進(jìn)行布爾運(yùn)算，在操作前應(yīng)清除網(wǎng)格，否則提示錯(cuò)誤信息；同樣地，如果定義了荷載和單元屬性，在布爾運(yùn)算后這些屬性不會(huì)轉(zhuǎn)換到新圖素上，需重新定義。布爾運(yùn)算布爾交運(yùn)算布爾加運(yùn)算布爾減運(yùn)算布爾粘接運(yùn)算布爾分割運(yùn)算布爾運(yùn)算：交運(yùn)算(Intersection)交運(yùn)算是由圖素的共同部分形成一個(gè)新的圖素，其運(yùn)算結(jié)果只保留兩個(gè)或多個(gè)圖素的重疊部分。交運(yùn)算分為公共相交和兩兩相交兩種。公共相交就是僅保留所有圖素的重疊部分，即只生成一個(gè)圖素，當(dāng)圖素很多時(shí)可能不存在公共部分，這時(shí)布爾運(yùn)算不能完成。兩兩相交是保留任意兩個(gè)圖素的公共部分，有可能生成很多圖素。公共交運(yùn)算對(duì)圖素沒(méi)有級(jí)別要求，即任何級(jí)別的圖素都可作公共交運(yùn)算，而不管其相交部分是何級(jí)別的圖素。例如線、面、體的兩兩與相互交運(yùn)算都可；再如體的交運(yùn)算中，其相交部分可以是關(guān)鍵點(diǎn)、線、面或體等。兩兩相交運(yùn)算要求為同級(jí)圖素，但相交部分可為任何級(jí)別的圖素。例如只能作線與線、面與面、體與體的兩兩相交。交運(yùn)算公共交運(yùn)算兩兩交運(yùn)算例如：四個(gè)圓面兩兩交運(yùn)算例如：圓柱體與球體交運(yùn)算布爾運(yùn)算：加運(yùn)算(Addition)加運(yùn)算是由多個(gè)幾何圖素生成一個(gè)幾何圖素，而且該圖素是一整體即沒(méi)有“接縫”（內(nèi)部的低級(jí)圖素被刪除），當(dāng)然帶孔的面或體同樣可以進(jìn)行加運(yùn)算。加運(yùn)算僅限于同級(jí)幾何圖素，而且相交部分最好與母體同級(jí)，但在低于母體一級(jí)時(shí)也可作加運(yùn)算。如體與體的相加，其相交部分如為體或面，則加運(yùn)算后為一個(gè)體；如相交部分為線，則運(yùn)算后不能生成一個(gè)體，但可公用相交的線；如相交部分為關(guān)鍵點(diǎn)，同樣加運(yùn)算后公用關(guān)鍵點(diǎn)，但體不是一個(gè)，不能作完全的加運(yùn)算。如面與面相加，其相交部分如果面或線，則可完成加運(yùn)算。如果相交部分為關(guān)鍵點(diǎn)，則可能生成的圖素會(huì)有異常，當(dāng)然一般情況下不會(huì)出現(xiàn)這種加運(yùn)算。加運(yùn)算操作界面例如：兩個(gè)圓面與一個(gè)矩形加運(yùn)算布爾運(yùn)算：減運(yùn)算(Subtract)減運(yùn)算就是“刪除”母體中一個(gè)或多個(gè)與子體重合的圖素。與加運(yùn)算不同的是減運(yùn)算可在不同級(jí)圖素間進(jìn)行，但相交部分最多與母體相差一級(jí)；例如體體減運(yùn)算時(shí)，其相交部分不能為線，為面或體均可完成運(yùn)算。減運(yùn)算結(jié)果的最高圖素與母體圖素相同。例如：新月形面例如：具有多邊形柱空心的球體布爾運(yùn)算：分割運(yùn)算(Partition)分割運(yùn)算是將多個(gè)同級(jí)圖素分為更多的圖素，其相交邊界是共享的，即相互之間通過(guò)共享的相交邊界連接在一起。分割運(yùn)算與加運(yùn)算類(lèi)似，但加運(yùn)算是由幾個(gè)圖素生成一個(gè)圖素，分割運(yùn)算是由幾個(gè)圖素生成更多的圖素，并且在搭接區(qū)域生成多個(gè)共享的邊界。分割運(yùn)算生成多個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域，而加運(yùn)算生成的是一個(gè)復(fù)雜的區(qū)域，因此分割運(yùn)算生成的圖素更易劃分網(wǎng)格。分割運(yùn)算不要求相交部分與母體同級(jí)，相差級(jí)別也無(wú)限制。例如體的相交部分如果為關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行分割運(yùn)算后，體則通過(guò)共享關(guān)鍵點(diǎn)連接起來(lái)。面的相交部分如果為線，則共享該線并將輸入面分為多個(gè)部分，分割運(yùn)算容許不共面。分割前分割后布爾運(yùn)算：粘接運(yùn)算(Glue)把兩個(gè)或多個(gè)同級(jí)圖素粘在一起，在其接觸面上具有共享的邊界，也稱(chēng)“合并”。粘接運(yùn)算要求參加運(yùn)算的圖素不能有與母體同級(jí)的相交圖素。例如體體粘接時(shí)，其相交部分不能為體，但可為面、線或關(guān)鍵點(diǎn)，即相交部分的圖素級(jí)別較母體低即可；面面粘接時(shí)，其相交部分只能為線或關(guān)鍵點(diǎn)，并且這些面必須共面。線線粘接時(shí)，其相交部分只能為線的端點(diǎn)，例如兩個(gè)不在端點(diǎn)相交的線是不能粘接的。粘接運(yùn)算與加運(yùn)算不同，加運(yùn)算是將輸入圖算合為一個(gè)母體，而粘接運(yùn)算后參與運(yùn)算的母體個(gè)數(shù)不變，即母體不變但公共邊界是共享的。粘接運(yùn)算在網(wǎng)格劃分中是非常有用的，即各個(gè)母體可分別有不同的物理和網(wǎng)格屬性，進(jìn)而得到優(yōu)良的網(wǎng)格。也不是分割運(yùn)算的逆運(yùn)算，因?yàn)榉指钸\(yùn)算后圖素之間共享邊界，此時(shí)無(wú)需粘接運(yùn)算。練習(xí)題：1、對(duì)該圖形進(jìn)行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：2、對(duì)該圖形進(jìn)行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：3、對(duì)該圖形進(jìn)行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：4、練習(xí)題：5、對(duì)該圖形進(jìn)行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：6、建立圖示軸承座幾何模型，尺寸自己給定練習(xí)題：7、練習(xí)題：8、殼實(shí)體梁對(duì)該圖形進(jìn)行幾何建模，尺寸自己給定作業(yè)：將本次課課件當(dāng)中練習(xí)1、2、3進(jìn)行幾何建模，要求：1、模型幾何尺寸根據(jù)自己的意愿來(lái)選取，但每個(gè)同學(xué)所建模型尺寸均不能相同。2、作業(yè)可在下周上機(jī)時(shí)間做，也可課下做，儲(chǔ)存格式為：姓名學(xué)號(hào)模型名稱(chēng).db。3、每人一個(gè)文件夾，課代表課下收齊電子版，下次理論課統(tǒng)一交上第四章幾何建模一、ANSYS中的模型分類(lèi)1、幾何模型（也稱(chēng)實(shí)體模型）即根據(jù)實(shí)物研究對(duì)象繪制出的，由關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體組成的幾何體，是實(shí)物的直接仿真模型。練習(xí)題：3、對(duì)該圖形進(jìn)行幾何建模，尺寸自己給定練習(xí)題：6、建立圖示軸承座幾何模型，尺寸自己給定105建立矩形平面四個(gè)圓面：半徑0.3，位置（1,1）（1,4）（9,1）（9,4）布爾減運(yùn)算拉伸alongnormal建立矩形塊建立關(guān)鍵點(diǎn)，并將坐標(biāo)系移至該點(diǎn)offsetwptokeypoint建立矩形繞矩形左側(cè)邊Aboutaxis旋轉(zhuǎn)剛建立的矩形布爾加運(yùn)算所有實(shí)體創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，并將該關(guān)鍵點(diǎn)與圓心連線將該線繞左端旋轉(zhuǎn)為圓面拉伸圓面為圓柱體布爾減運(yùn)算將坐標(biāo)系移至原位創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)（3,4,1）、（3,4,5）、（3,0,1），將該三點(diǎn)連線、成面拉伸該面成實(shí)體筋板作業(yè)：例題6幾何建模第五章單元類(lèi)型選擇一、結(jié)構(gòu)分類(lèi)及仿真單元在結(jié)構(gòu)分析中，“結(jié)構(gòu)”一般指結(jié)構(gòu)分析的力學(xué)模型。按幾何特征和單元種類(lèi)，結(jié)構(gòu)可分為桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)。桿系結(jié)構(gòu)：其桿件特征是一個(gè)方向的尺度遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的尺度，例如長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于截面高度和寬度的梁。單元類(lèi)型有桿、梁和管單元（一般稱(chēng)為線單元）板殼結(jié)構(gòu)：是一個(gè)方向的尺度遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向尺度的結(jié)構(gòu)，如平板結(jié)構(gòu)和殼結(jié)構(gòu)。單元為殼單元。實(shí)體結(jié)構(gòu)：則是指三個(gè)方向的尺度約為同量級(jí)的結(jié)構(gòu)，例如擋土墻、堤壩、基礎(chǔ)等。單元為3D實(shí)體單元和2D實(shí)體單元。桿系結(jié)構(gòu)：①當(dāng)構(gòu)件15>L/h≥4時(shí)，采用考慮剪切變形的梁?jiǎn)卧＂诋?dāng)構(gòu)件L/h≥15時(shí),采用不考慮剪切變形的梁?jiǎn)卧?。③BEAM18X系列可不必考慮的上限，但在使用時(shí)必須達(dá)到一定程度的網(wǎng)格密度。對(duì)于薄壁桿件結(jié)構(gòu)，由于剪切變形影響很大，所以必須考慮剪切變形的影響。板殼結(jié)構(gòu)：當(dāng)L/h<5～8時(shí)為厚板，應(yīng)采用實(shí)體單元。當(dāng)5～8<L/h<80～100時(shí)為薄板，選2D體元或殼元。當(dāng)L/h>80～100時(shí),采用薄膜單元。對(duì)于殼類(lèi)結(jié)構(gòu)，一般R/h≥20為薄殼結(jié)構(gòu)，可選擇薄殼單元，否則選擇中厚殼單元。對(duì)于既非梁亦非板殼結(jié)構(gòu)，可選擇3D實(shí)體單元。二、選擇單元類(lèi)型的原則★力學(xué)行為原則桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)劃分，分別采用與之力學(xué)行為相符的線單元、板殼單元和實(shí)體單元?！飭卧S數(shù)原則在保證一定精度的前提下，采用的單元維數(shù)越低越好。因此，建議優(yōu)先選擇梁桿單元，其次是板殼單元，最后是實(shí)體單元?！飭卧A數(shù)原則在保證計(jì)算精度的情況下，優(yōu)先選擇低階單元，但一般言，高階單元具有較好的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，建議采用高階單元以獲得較好的計(jì)算結(jié)果?！锝７奖阍瓌t當(dāng)確定了單元類(lèi)型后，應(yīng)選擇該類(lèi)單元建模方便者。例如對(duì)于梁?jiǎn)卧?，采用BEAM4、BEAM188/189均可行時(shí)，應(yīng)該選擇BEAM188/189單元。三、模型深度★桿系級(jí)：主要采用桿單元和梁?jiǎn)卧⒛Ｐ?，以便獲得結(jié)構(gòu)總體的力學(xué)行為。平面模型的計(jì)算結(jié)果可用于方案設(shè)計(jì)，空間模型的計(jì)算結(jié)果可用于技術(shù)設(shè)計(jì)。★板殼級(jí)：主要采用板殼單元或與桿梁?jiǎn)卧Y(jié)合建立模型，以便獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)行為。例如橋梁的主梁或主拱、主墩等可采用板殼單元模擬，其它構(gòu)件可采用桿梁?jiǎn)卧M，以得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件較為精確的內(nèi)力和變形。★實(shí)體級(jí)：主要采用實(shí)體單元或與桿梁、板殼單元結(jié)合建立模型，以便獲得結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或局部的力學(xué)行為。例如墩梁連接處、支承處、預(yù)應(yīng)力筋錨固端、斜拉索錨固區(qū)等應(yīng)采用實(shí)體單元模擬，其它部分可采用桿梁?jiǎn)卧虬鍤卧M。在實(shí)體級(jí)模型中，一般不全部采用實(shí)體單元，而是采用多種單元的組合進(jìn)行模擬。四、單元舉例1、實(shí)體單元2、梁?jiǎn)卧簶?gòu)架受力分析3、殼單元：廣告牌承受風(fēng)載荷

五、選取單元類(lèi)型界面選擇單元類(lèi)型添加、編輯、刪除單元類(lèi)型添加單元類(lèi)型編輯選項(xiàng)刪除單元類(lèi)型桿單元梁?jiǎn)卧軉卧獙?shí)體單元?dú)卧獑卧?lèi)型圖示單元類(lèi)型圖示類(lèi)別形狀和特性單元類(lèi)型桿普通LINK1,LINK8雙線性LINK10梁普通BEAM3,BEAM4截面漸變BEAM54,BEAM44塑性BEAM23,BEAM24考慮剪切變形BEAM188,BEAM189結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中用到的單元類(lèi)別形狀和特性單元類(lèi)型管普通PIPE16，PIPE17，PIPE18浸入PIPE59塑性PIPE20，PIPE60二維實(shí)體三角形PLANE2四邊形PLANE42，PLANE82，PLANE182超彈性單元HYPER84，HYPER56，HYPER74粘彈性VISCO88大應(yīng)變VISO106，VISO108諧單元PLANE83，PLANE25P單元PLANE145，PLANE146類(lèi)別形狀和特性單元類(lèi)型三維實(shí)體塊SOLID45，SOLID95，SOLID73，SOLID185四面體SOLID92，SOLID72層SOLID46各向異性SOLID64，SOLID65超彈性單元HYPER86，HYPER58，HYPER158粘彈性VISO89大應(yīng)變VISO107P單元SOLID147，SOLID148殼四邊形SHELL93，SHELL63，SHELL41，SHELL43，SHELL181軸對(duì)稱(chēng)SHELL51，SHELL61層SHELL91，SHELL99剪切板SHELL28P單元SHELL150類(lèi)別形狀和特性單元類(lèi)型接觸單元