ANSYS 的建模方法讨论摘 要：随着计算机硬件升级更新速度的不断加快，有限元技术得到空前的发展，越来越多地应用于各个领域。ANSYS 软件具有建模简单、快速、方便的特点，因而成为大型通用有限元软件的代表。本文对有限元作了一个总体的介绍，简要叙述了 ANSYS 软件的主要特点，着重介绍了 ANSYS 软件的建模方法。关键词：有限元 ANSYS 建模 CAD 一 、有限元简介有限单元法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，上世纪 50 年代首先在连续体力学领域飞机结构静动态特性分析中得到应用，随后很快广泛应用于热传导、电磁场、流体力学等连续性问题的分析。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对实际结构的分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。二 、ANSYS 软件介绍1、概况ANSYS 是一种应用广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析，主要是机械结构系统受到外力载荷时所出现的反应，例如应力、位移、温度等。根据该反应可知道机械结构系统受到外力载荷后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的载荷也相当多，理论分析往往无法进行。想要得到解答，必须先简化结构，采用数值模拟的方法进行分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS就是其中一种。它是由美国匹兹堡大学力学系教授 JohnSwanskon 博士开发出的颇有影响的大型通用有限元分析软件。该软件在原有结构的基础上，又融热、流体、电磁、声学于一体，可广泛用于机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域。它具有结构静力分析、结构动力学分析、声场分析、压电分析等功能，同时它还具有良好的用户界面，前后处理和图形功能，因而受到国际工程界和学术界的普遍欢迎和重视。ANSYS 软件的分析过程分为前处理，求解和后处理三个过程。分析过程如图 1。 图 1 ANSYS 分析计算的基本流程2、特点（1）完备的前处理功能ANSYS 不仅提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 ，可以方便地构造数学模型及有限元模型 ，而且还专门设有与我们所熟悉的一些大型通用有限元分析软件的数据接口（如 MSC/NSSTRAN，ALGOR ，ABAQUS 等） ，允许从这些程序读取有限元数据，甚至材料特性与边界条件，完成 ANSYS 中的初步建模工作。此外，还具有近 190 种单元类型 ，这些丰富的单元类型使工程人员方便而准确地建反映实际结构的仿真计算模型。（2）强大的求解器ANSYS 提供了对各种物理场量的分析，是目前世界范围内唯一能融结构、热、电磁、流体、声学等于一体的有限元分析软件。除了常规的线性、非线性结构静、动力分析外 ，还能解决高度非线性结构动力分析、结构线性及非线性屈曲分析。（3）方便的后处理器ANSYS 的后处理器分为通用后处理模块（POST1）和时间历程后处理模块（POST26）两部分。该后处理器可以很容易获得求解过程中的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。（4）提供了多种进行二次开发的工具ANSYS 除了具有较为完善的分析功能外，同时还为用户进行二次开发提供了多种实用工具。如宏（Marco） 、用户界面设计语言 (UIDL) 、参数设计语言(APDL) 及用户编程特性(UPFS)。三、ANSYS 的建模直观、方便、快捷和有效的建模技术，是 ANSYS 得到广泛应用的重要原因之一。对于那种结构外形尺寸比较简单的计算模型，可采用直接建模方法，即先确立节点，然后创建单元。这种方法在土木工程中应用比较广泛；若结构外形尺寸比较复杂，ANSYS 则采用立体模型建立法，即间接建模法。一般航天航空和机械工程中大多采用间接建模方法。ANSYS 的前处理器的实体建模功能，允许用户直接同模型的几何特性打交道而不必关心有限元模型的特定图元（点和单元） 。为了便于建模，该程序把几何特性和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行。用户首先描述实体模型的几何结构，当通过交互方式和命令方式完成后，可以容易地验证输人的数据，最后该程序对最终模型进行网格划分，该过程实质上就是一个 CAD 过程。ANSYS 程序提供了两种实体建模的方法：即自顶向下和自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户只要定义一个模型的最高级图元，较为常用的实体建模形状（如球，棱柱 ） ，称为几何体素，可以用单独的 ANSYS 命令来生成。自底向上进行实体建模时，用户从最低级图元向上构建模型，即用户首先定义关键点然后依次是相关的线、面、体。自顶向下与自底向上建模技术可在任何模型中自由组合使用。各图元之间的关系如下图：ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动或拷贝实体模型图元的功能，这些操作都近似于 CAD 软件的操作。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自倒角生成、硬点（用于网格划分）的建立、移动、拷贝和删除，除此之外，还可以根据需要控制网格密度、计算质量特性以及进行组元组合。在 ANSYS 实体建模中，所有线均用非均匀有理 B 样条（NURBS）表示。线是两端的关键点围成的样条的一部分，面是由线完全围成的，体是由面围成的实体部分。利用 NURBS的实体模型图元表示法，称为蒙皮的表面构造技术更易于使用、利用该技术，用户可定义一组截面曲线，然后指示 ANSYS 程序自动生成一个通过这些曲线的面。蒙皮技术可使用户快捷地建立变截面的复杂形状模型。四、基于 CAD 软件的 ANSYS 实体建模ANSYS 提供了强大的实体建模工具 ，可以方便地构造有限元模型。但有限元软件的建模功能不如专门的 CAD 软件强 ，所以对于不规则三维实体及大而复杂的结构，譬如联体异形网壳、斜齿轮等采用在 CAD 系统实体建模的方法会更为实用、方便、精确和快捷。特别对于熟悉 CAD 系统 (如 Pro/ e ，solidedge ， solidwork 等软件)的工程技术人员来说，在 CAD 系统中建模更为方便，也避免了重复建模。但从 CAD 系统中输入三维模型到 ANSYS 系统中容易造成图元丢失及模型不适于网格划分等情况，这就需要大量的修补工作。本文针对这种情况提出了 CAD 系统建模与 ANSYS 建模相结合的方法 ，二者优势互补，避免了一些不必要的工作，从而提高了建模速度。这里以 Pro/e 为例，Pro/engineer 是美国 PTC 公司开发的大型 CAD/ CAE/CAM 软件，它具有强大的建模功能，尤其是对一些曲面较复杂的模型。对于熟悉 Pro/ e 的用户来说，在 Pro/ e 中建模更为方便。为避免在模型输入 ANSYS 后做大量的修补工作，可只建立部分实体，即先建立不规则部分; 对于组件来说，先建立基体部分，基体是最简单的实体，没有任何细节特征，但它是进行后续细节特征的基础，一般创建基体特征应以零件整体几何形状或保证零件各组成特征的尺寸基准体形为前提，创建最佳的基体特征。对于已建好的完整实体 ，输入其中一部分到 ANSYS 中。 如一形状不规则且截面不等厚的刀具，刀片铰孔处有一阶梯轴与其固接，如在 ANSYS 中建模，则需大量的坐标数据，需花费大量的时间，但在 Pro/ e 中建模就非常简便。IGES 是一种被普遍接受的中间标准格式 ，用来在不同的 CAD 和 CAE 系统之间交换几何模型。ANSYS 的 IGES 输入能力在工业界是最强的，因为过滤器程序可以输入部分文件，所以至少可以输入模型的一些部分。Pro/ e 中建模完成后，点击工具菜单中的“ 文件 命令，在下拉菜单中击“保存副本 ，在随后的对话框的类型选项中点选 IGES( 3 .igs) 文件格式。 确定后，在出现的对话框选取不同的输出类型，对实体模型可点选“ 实体、 “ 壳、 “ 基准曲线和点。输入 IGES 文件时需要更多的内存 ，所以输入模型时打开自动合并和生成体的开关选项(缺省的条件) 。对于大的文件 (5MB 或更多) ，在输入模型之前先增加 ANSYS 的内存分配。通常情况下，如果文件包含一些不必要(或无限制的) 的图元，则自动合并就会失败或要求更多的内存，这时可以进行逐步的拓扑修改以删除那些图元，然后进行合并。否则必须在输入文件时不必进行合并和体的生成或通过拓扑和几何修整程序删除不想要的实体。对于输入 1GES 文件，ANSYS 提供了 Defeature Model 和 No defeaturing 两种选项。它们各有自己特点。在 Defeature Model 和 No defeaturing 两种选项下有 3 个子选项 ，分别为 Merge、 Solid 与 Small。其中 Merge 选项的特点:缺省为 yes ，导入时自动合并模型的重叠部分，使相邻面只有公用边界线 ，但仅适用于 Defeature Model 方法 ，当运行超出内存时将其设置为 no。Solid 选项的特点:缺省为 yes ，导入时将所有体合并成一个体。如果只需导入面时 ，将其设置为 no。Small 选项的特点: 缺省为 yes ，自动删除模型中引起划分网格困难的小碎片 ，但仅适用于 DefeaturModel 方法。 如果模型需要考虑缝隙或小洞 ，应将其设置为 no。Defeature Model 方法:导入图形文件并对其进行几何模型修改后才导入到 ANSYS 数据库中。用这种方法可忽略凸起、洞和小孔等 ，但只能对实体模型执行某些有限的操作。同时内存需求大，速度慢，对单个实体模型的导入、划分网格和求解等比较有利 ，但精度不高。由于 CAD 几何模型和有限元几何模型记录数据和保存文件的格式不同 ，三维模型转化为有限元模型时还必须经过模型修改 ，修复丢夫的信息 ，即可用拓扑修复用间隙检查调整间隙容差的方法对所有间隙进行合并;几何修复 ，通过创建体素和使用布尔操作来完成;几何简化 ，通过删除小线或小特征，分开、去掉或合并小于指定尺寸的线、 环或面 ，创建一个更简化的几何模型以便划分网格 ，消除那些在划分网格时导致问题的特征。Defeature Model 选项不能转换诸如面积、文本注解图元、结构图元等数据。 而且，ANSYS 也会忽略这个选项不能识别的 IGES 图元。但是 ，这个选项会转换所有的 IGES拓扑和几何图元。在输入文件后 ANSYS 将不容许从 Defeature Model 选项转换到 No Defeaturing 选项 ，因而 ，不容许自底向上的模型生成方法。No defeaturing 方法: 直接导入图形文件到 ANSYS 数据库中 ， 是 ANSYS 缺省的导入方法。No defeaturing 方法可靠且快 ，并允许进行 ANSYS 的任何实体模型操作 ，不允许忽略微小几何特征的处理与操作。这个选项使用标准的 ANSYS 几何数据库 ，如果 ANSYS 检测到模型中包含有多个连接在一起的体 ，程序就会将生成体的开关关掉 ，而用户必须自己生成这些体。选择 No Defeaturing 选项来输入 IGES 模型 ，在 CAD 系统中建模时 ，应当注意以下准则: 在 CAD 系统中建模时 ，考察 ANSYS 实体建模的程序、 相关计划、 对称性和对有限元分析来说所必须的细节。例如 ，对于轴对称模型 ，ANSYS 程序要求总体坐标的 Y 轴是旋转轴。 避免生成闭合曲线(也就是说 ，一条线的起点和终点是同一个点)和闭合曲面 (例如曲面的起点和终点是同一条线 ) 。 ANSYS 不能存储闭合曲线或闭合曲面(它要求至少两个关键点 ) 。 如果一段闭合曲线 ，闭合曲面 ，或“ 修整好的闭合曲面(由 IGES 图元 120 和 144 或 128 和 14