第02章 建立模型.pdf

第 2 章 建立模型 ANSYS 软件含有进行多种有限元分析的能力，包括从简单的线性静态分析到复杂非线性动态分析。从本章开始将分三章描述对绝大多数分析过程皆适用的一般步骤。一个典型的 ANSYS 分析过程可以分为三个步骤：?建立模型?加载并求解?查看分析结果 我们将以 3 章的内容分别对这三个步骤进行详细的介绍。本章将首先介绍建立模型的步骤和一些需要注意的事项。建立模型在整个分析过程中所花费的时间应该远远多于其它过程。首先必须指定作业名和分析标题（也可使用 ANSYS 程序默认的作业名和标题，但不推荐这样做），然后使用 PREP7（前处理）处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何模型。2.1 设置工作目录 工作目录一旦设定好，以后 ANSYS 程序所有操作所产生的文件都存在此目录下面，因此，建议对不同的分析用不同的工作目录，这样可确保每次分析所产生的文件不会有被覆盖的危险。如果没有指定工作目录，默认的工作目录为系统所在盘的根目录。工作目录的设置方式有两种：?在进入 ANSYS 程序之前通过入口选项设定的设定（参见 1.2.2 节）。?进入 ANSYS 程序后，可通过如下方法实现：Command：/CWD GUI：Utility Menu|File|Change Dirctory，如图 2.1 所示。在出现的 Change Directory（改变工作目录）对话框中，填入工作目录的全名称（此名称表示的目录必须已经存在，否则 ANSYS 会出现错误信息）即可。图 2.1 设置工作目录 2.2 指定作业名和分析标题 该项工作与设定工作目录一样，不是进行一个 ANSYS 分析过程必须的，但 ANSYS推荐使用作业名和分析标题。2.2.1 定义作业名 作业名被用来识别 ANSYS 作业。当为某个分析定义了作业名，作业名就成为分析过程所产生的所有文件名的第一部分（Jobname）（这些文件的扩展名是文件类型的标识）。通过为每一次分析指定不同的作业名，同样可以确保档不会在以后的操作中无意间被覆盖。如果没有指定作业名，所有文件的作业名默认为 file 或者 FILE（大小写取决于所使用的操作系统，本书默认为小写）。可按下面的方法改变作业名。?进入 ANSYS 程序时通过入口选项改变作业名（参见 1.2.2 节）。?进入 ANSYS 程序后，可通过如下方法实现：Command：/FILNAME GUI：Utility Menu|File|Change Jobname，如图 2.2 所示，单击 Change Jobname（改变作业名）菜单项，在弹出的对话框中填入指定的作业名。需要注意的是，设置作业名仅在 Begin level（开始级，此时 ANSYS 不处于任何一个处理器之中，如果已经进入了任何一个处理器：比如运行了/PREP7 或者单击了菜单路径 Main Menu|Preprocessor 后，ANSYS 就不再处于开始级）才有效。即使在入口选项中给定了作业名，ANSYS 仍允许改变作业名，不过此时作业名仅适用于/FILNAME 命令后打开的文件。在执行/FILNAME 命令前打开的文件，如记录文件、错误信息文件等仍然是原来的作业名（如果想使用新指定的作业名重新建立这些文件，可以将 New log and error files 选项选上即可，单击图 2.2 中的复选框即可，在选中此选项后，复选框后的提示文字将由“No”变成“Yes”）。图 2.2 设置作业名 2.2.2 定义分析标题/TIITLE 命令（Utility Menu|File|Change Title）可用来定义分析标题（如图 2.3 所示）。ANSYS 将在所有的图形显示、所有的求解输出中包含该标题。图 2.3 设置分析标题 2.3 定义图形界面过滤参数 为了得到一个相对简洁的分析菜单，可以通过下面的方式过滤掉与当前所要进行的分析类型无关的选项和菜单项。Command：KEYW GUI：Main Menu|Preference，如图 2.4 所示。图 2.4 设置图形界面过滤选项 选取某个选项使以后出现的图形界面中过滤掉与选定分析选项无关模块的内容，本书主要讲述结构分析，因此选取 Structural（结构）选项。本书中，没有特别说明时均选取Structural 选项。2.4 ANSYS 的单位制 ANSYS 软件并没有为分析指定系统单位，在结构分析中，可以使用任何一套自封闭的单位制（所谓自封闭是指这些单位量纲之间可以互相推导得出），只要保证输入的所有数据的单位都是正在使用的同一套单位制里的单位即可。所有的单位基本上都与长度和力有关，因此可由长度、力和时间（秒）的量纲推出其它的量纲，下面列出常用输入数据的量纲关系：面积长度 2体积长度 3惯性矩长度 4应力力/长度 2弹性模量（剪切模量）力/长度 2集中力力 线分布力力/长度 面分布力力/长度 2弯矩力长度 重量力 容重力/长度3 质量重量/重力加速度力秒/长度 2重力加速度长度/秒 2密度容重/重力加速度力秒/长度 24例如长度单位为 mm，力单位为 N 时，得出的一套单位如下：质量重量/重力加速度力秒/长度 2 N秒/mm（N秒/m）10 kg10 Ton（吨）2233应力力/长度=N/mm（N/m）10 MPa 2226读者可以根据自己的需要由上面的量纲关系自行修改单位系统，只要保证自封闭即可。ANSYS 提供的/UNITS 命令可以设定系统的单位制系统，但这项设定只有当 ANSYS与其它系统比如 CAD 系统交换数据时才可能用到（表示数据交换的比例关系），对于ANSYS 本身的结果数据和模型数据没有任何影响。2.5 定义单元类型 ANSYS 6.1 的单元库中提供有超过 150 种的不同单元类型，每种单元类型有一个特定的编号和一个标识单元类型的前缀，如 BEAM4，PLANE82，SOLID95，其中的数字部分表示其编号，前面的字母表示其类型的分别为梁单元、板单元和实体元。单元类型决定了单元的：?自由度数?单元位于二维空间还是三维空间 必须在通用处理器 PREP7（前处理器）中定义单元类型，使用 ET 族命令或基于 GUI的等效命令来实现。Command：ET GUI：Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete 定义了单元类型后，ANSYS 会自动生成一个与此单元类型对应的单元类型参考号，如果模型中定义了多种单元类型，则与这些单元类型相对应的类型参考号组成的表称为单元类型表。在创建实际单元时（直接创建单元或者划分网格）需要从单元类型表中为其分配一个类型参考号以选择合适的单元类型生成有限元模型。许多单元有一些另外的选项（KEYOPTs），称之为 KEYOPT（1），KEYOPT（2）等。这些选项用于控制单元刚度矩阵生成、单元的输出和单元坐标系的选择等等。例如对于BEAM4 的 KEYOPT（9）允许选择在每个单元的中间位置处计算结果。KEYOPTs 可以在定义单元类型时指定。下面给出添加单元类型具体的 GUI 操作路径，对于单元的选项，由于和具体的单元类型有关，因此，在这里不作具体的介绍，在后面的实例中涉及到的地方再另行介绍，至于其它的单元类型，可以在需要时查阅 ANSYS 帮助系统的单元库参考文档。此处假定已经添加了 BEAM4 单元，将要继续添加 PLANE42 单元。具体操作步骤：（1）单击 Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete，Element Type（弹出单元类型）对话框，如图 2.5 所示。图 2.5 添加单元类型对话框（2）单击按钮。弹出 Library of Element Types（单元类型库）的选择对话框,如图 2.6 所示。在图中左边列表中选择欲添加的单元类别（有梁、管，壳，实体等），此处选择 Solid（实体）类别，然后在右边的列表中选择具体的单元类型，此处选择四节点四边形单元，其编号为 42（即 Quad 4node 42）。图中 Element type reference number（单元类型参考号）一般不用指定，使用默认值即可。图 2.6 单元类型库（3）选择完毕单击 OK 按钮，如果确定了当前选择后还想继续添加单元类型，单击按钮。将返回到 Element Types 对话框。如图 2.7 所示。图 2.7 添加单元类型对话框（4）如果想改变单元的其它输入选项（即上文提及的 KEYOPTs）单击按钮。出现如图 2.8 所示的 element type options（单元类型选项）对话框。图 2.8 单元类型选项（5）确定后单击 OK 按钮，需要帮助时可以单击 HELP 按钮获得在线帮助。由于各个输入选项（KEYOPT（n）相应于不同的单元有不同的意义，因此这里就不予解释，具体的意义根据具体的单元类型可以查看 ANSYS 在线帮助文档（单击图 2.8 中的按钮，可以得到关于单元类型的在线帮助）。（6）返回到图 2.7 所示的对话框后单击 Close 按钮，结束单元类型的添加。2.6 定义单元实常数 可通过 R 族命令或相应的等效菜单路径来定义实常数。Command：R GUI：Main Menu|Preprocessor|Real Constants|Add/Edit/Delete 2.6.1 实常数简介 单元实常数是依赖单元类型的单元特性，如梁单元的横截面特性。例如 2D 梁单元BEAM3 的实常数：面积（AREA）、惯性矩（IZZ）、高度（HEIGHT）、剪切变形常数（SHERZ）、初始应变（ISTRN）和单位长度质量（ADDMAS）等。并不是所有的单元类型都需要实常数，同一类型的不同单元可以有不同的实常数值，即模型中，采用同一单元类型的不同部分中可以应用不同的实常数。对应于特定单元类型，每组实常数有一个参考号，与每组实常数相对应的参考号组成的表称为实常数表。在创建单元（直接创建单元或者划分网格）时，可以为将要创建的单分配实常数号。在分配实常数号时，要注意实常数参考号和要创建单元的单元类型参考号的对应性（因为实常数是和单元类型有关系的，选用不同的单元类型划分网格时，需要采用为这种单元类型所定义的一组实常数），这种对应性是由使用者自己保证的，否则在划分网格时将会报错或出现不可预知的错误。在定义实常数时，有以下规则：（1）当使用 R 族命令时，必须按照 ANSYS 单元参考手册（ANSYS Elements Reference）中相应于具体的单元所描述的实常数输入顺序输入相应的实常数（GUI 方式只需在相应的实常数项输入框中输入合乎要求的数值即可）。（2）当用多种单元类型建模时，每种单元类型应使用独自的实常数组（即不同的实常数参考号）。如果多个单元类型使用相同的实常数号，ANSYS 会发出警告信息，然而每个单元类型可以拥有多个实常数组。需要注意的是此处所述的是关于单元类型而不是单元，多个单元可以使用相同的单元类型，当然也可以使用相同的实常数。（3）使用 List 功能命令或者对应的菜单路径可以校验输入的实常数。Command：ELIST GUI：Utility Menu|List|Elements|Attributes+RealConst Utility Menu|List|Elements|Attributes Only Utility Menu|List|Elements|Nodes+Attributes Utility Menu|List|Elements|Nodes+Attr+RealConst Command：RLIST GUI：Utility Menu|List|Properties|All Real Constants Utility Menu|List|Properties|Specified Real Const（4）一维单元和面单元需要几何数据（截面积、厚度等），这些数据也都被作为实常数。可以通过以下命令查看输入值。Command：/ESHAPE 和 EPLOT GUI：Utility Menu|PlotCtrls|Style|Size and Shape Utility Menu|Plot|Elements ANSYS 可以以实体形式显示这些带有实常数的一维单元和面单元，对于 LINK（连接）单元和 SHELL（壳）单元默认使用矩形截面。PIPE（管）单元使用圆形界面。截面部分取决于实常数值。在使用梁单元系列的 BEAM44、BEAM188 和 BEAM199 创建模型时，可以在建模时使用截面命令来定义或使用梁横截面。2.6.2 定义实常数的 GUI 操作步骤 本节以 SHELL63 壳单元为例说明实常数添加的步骤。（1）单击 Main Menu|Preprocessor|Real Constants|Add/Edit/Delete，弹出 Real Constants（定义实常数）对话框，如图 2.9 所示。图 2.9 定义实常数（2）单击按钮，添加新的实常数组。弹出 Element Type for Real Constants（选择要定义实常数的单元类型）对话框。如图 2.10 所示。图 2.10 选择单元类型（3）从已定义单元类型列表中选择欲定义实常数的单元类型后（选择 SHELL63），单击 OK 确定。将会弹出定义实常数组的对话框。图 2.11 是对应于 SHELL63 单元类型的实常数对话框。图 2.11 单元实常数（4）在图 2.11 中，实常数参考号使用 ANSYS 的默认值即可，其余内容随具体单元类型不同而不同，因此在这里也不打算详细介绍每一项的具体含义，实际中可以参考 ANSYS单元参考手册（本例中，对于 SHELL63 单元类型，当其为等厚壳时，只需在图示文本框中输入厚度值“5”即可）。输入完毕确认无误后单击 OK 按钮。结束实常数的定义。2.6.3 梁单元截面 对于梁和壳单元类型，ANSYS 可以通过给定的截面直接计算出所需的实常数，而不需手工一一计算和指定。ANSYS 截面定义既可以使用常见的通用截面形状（ANSYS 已经提供截面形状类型，只需指定截面参数尺寸定义出具体的截面即可使用），也可以使用自定义的复杂截面形状，下面分别给出两种情况下定义截面并为要创建的单元分配截面属性GUI 操作路径（以 BEAM44 单元为例）。2.6.3.1 定义通用梁截面 本小节以圆管梁截面为例说明定义通用连接面的 GUI 操作步骤（1）单击 Main Menu|Preprocessor|Common Sectns，弹出 Beam Tool（梁截面工具）对话框，如图 2.12 所示。图 2.12 梁工具对话框（2）在 ID（参考号）文本框中输入截面（Section）的参考号，通常情况下使用 ANSYS提供的默认值即可（此处为 1）。（3）在 Name（名字）文本框中输入截面的名字，可以是任意一个符合要求的 8 位字符组成的字符串，名字中不能包含特殊字符、标点符号和空格。此项也可以为空白。本例中输入“CTUBE”。（4）在 Sub-Type（截面形状类型）下拉列表选择一种截面类型。ANSYS 提供了矩形截面、工字梁、T 型梁等多种通用截面类型。如图 2.13 所示。图 2.13 ANSYS 提供的通用梁截面形状 本例中选择空心圆管梁截面类型“”。（5）在 Offset To（截面偏移方式）下拉列表中选择梁单元节点和梁截面的偏移形式，对于梁来说有四种方式：?Centroid 梁单元节点和截面中心对齐（缺省的偏移方式）?Shear Cen 梁单元节点与剪切中心对齐?Origin 梁单元节点与截面的原点对齐?Location 用户自定义梁单元节点相对于截面原点的位置 本例中采用缺省设定，即选择“Centroid”。（6）定义截面形状控制参数。在图 2.12 标识为 6 的区域以图形方式列出了确定截面形状尺寸所需的控制参数。此处出现的尺寸控制参数个数与意义与在第 4 步中的选择的截面形状类型有关。本例中的尺寸控制参数为圆管内径 Ri 和外径 Ro。可以在对应的文本框中输入截面形状尺寸参数的具体值和截面网格控制参数值。本例中，在 Ri（内径）文本框中输入“2.9”，在 Ro（外径）文本框中输入“6”，在 N（网格份数）文本框中输入“50”。（7）截面定义完毕后，可以预览截面形状。单击按钮，则在图形窗口显示截面形状如图 2.14 所示。图 2.14 截面形状预览（8）还可以在图形窗口中预览带有网格的截面形状。单击按钮，在图形窗口中显示带有网格的截面形状如图 2.15 所示。图 2.15 带有网格的截面形状预览（9）确认无误后，单击 OK 按钮，保存所定义的截面到数据库，同时退出截面定义工具。2.6.3.2 自定义梁截面 本小节中将自定义一正六边形截面，并将其作为梁截面保存以备划分网格时使用。需要注意的是，创建的截面必须位于总体笛卡儿坐标系的 XY 平面内。步骤如下：（1）用 ANSYS 的建模工具创建梁的截面（本书没有专门讲述创建模型的各种命令的具体用法，可以参见各章模型建立的有关内容或者查阅在线帮助）。本例中需要建立一个边长为 10 的正六边形，单击 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Polygon|By Side Length，弹出如图 2.16 所示 Polygon by Side Length（根据边长创建正多边形）对话框。图 2.16 创建正多边形对话框（2）在 Number of sides（边数）文本框中输入“6”；在 Length of each side（边长）文本框中输入“10”，单击 OK 按钮，创建出指定的正六边形，并显示在图形窗口中，如图 2.17 所示。图 2.17 自定义的截面形状（3）单击 Main Menu|Preprocessor|Meshing|Mesh Tool 弹出 Mesh Tool（网格工具）对话框，如图 2.18 所示。通过网格工具对正六边形的边线设定单元分划数。图 2.18 网格工具 提示：也可通过 Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines|Picked Lines 设置线的单元分划数。（4）在 Size Controls（尺寸控制）选项区域中单击 Lines 按钮，弹出线选择对话框。如图 2.19 所示。要求选择欲对其设置单元分划数的线。图 2.19 典型的选择对话框 本例中，用鼠标在图形窗口中点取正六边形的六条边后单击线选择对话框（图 2.19）上的 OK 按钮，弹出如图 2.20 所示的 Element Size on Picked Lines（设置选定线上的单元尺寸）对话框。图 2.20 单元尺寸设置对话框（6）在 No.of elements divisions（单元分划数）文本框中填入线的分段数，这里填入“6”（注意：Element edge length 文本框应保持空白）。（7）单击 OK 按钮，结束设定。（8）本步骤将截面数据写入文件中。单击 Main Menu|Preprocessor|Sections|Beam|Custom Sectns|Write From Areas，出现一个面选择对话框（类似于图 2.19 所示的选择对话框，这里就不再赘述），要求选择欲作为梁截面写出的面。同时还会出现一个警告消息对话框（如图 2.21 所示），不必理会警告消息，单击警告对话框上的按钮关闭警告对话框。图 2.21 选择截面（9）用鼠标在图形窗口中选取所创建的截面，然后单击选择对话框上的按钮，ANSYS 将会自动添加 PLANE82 单元（PLANE 系列单元要求平面必须位于总体笛卡儿坐标系 XY 平面内）并用此单元类型对所选截面划分网格，然后弹出 Write Section Library File（写截面数据文件）对话框询问截面数据文件保存的位置及文件名如图 2.22 所示。图 2.22 保存截面数据文件（10）选择好存储位置和文件名后单击 OK 按钮，ANSYS 写入截面数据，结束截面的定义。以后在任何时候都可以使用此梁截面。本例中直接在文本框中输入文件名“AHEX”，然后单击 OK 按钮，截面数据文件将会被以 AHEX.SECT 作为文件名保存于当前工作目录下。2.6.3.3 读入自定义梁截面 使用通用梁截面和自定义梁截面的过程有些许不同，使用通用梁截面时，在截面定义完成之后划分网格时可以直接将其分配给某些单元；而使用自定义梁截面时，首先需要将其读入数据库中，并为其分配参考号和指定名称才能在划分网格时对其引用。读入自定义梁截面数据的 GUI 操作步骤如下：（1）单击 Main Menu|Preprocessor|Sections|Beam|Custom Sectns|Read Sect Mesh，会弹出用户 User Defined Mesh（自定义截面网格）对话框，如图 2.23 所示。图中大部分的选项的意义和通用梁截面部分中所叙述的相同。图 2.23 读入定义好的截面数据（2）在 Section ID number（参考号）文本框中输入参考号，在 Section Name（名称）文本面文件）文本框中指定截面文件，这里选择上节生成的截面框中输入截面名称“my”。（3）在 Section library file（截文件“AHEX.SECT”，也可以通过单击按钮，在弹出的打开文件对话框中进行定位。（4）单击 OK 按钮，ANSYS 将指定的截面数据文件读入到数据库中，并为截面分配指定配截面属性 面在梁截面数据被读入后）已经存在于数据库中，在生Main Menu|Preprocessor|Meshing|Mesh Attributes|Default Attribs 弹出如图 2.24所示的参考号和名称。2.6.3.4 为单元分通用梁截面在定义后（自定义的梁截成有限元模型时可以通过在梁截面的参考号和名称对其进行引用。下文所述假定读者已经按照要求定义了 BEAM44 梁单元类型和梁截面（这里采用 2.6.3.1 节定义的通用梁截面）。单击网格属性（Mesh Attributes）对话框，设定单元属性。图 2.24 网格属性对话框 在 Section number（截面参考号）下拉列表中可以选择已经定义并存在于数据库中的梁截面，本例中存在通用梁截面 Ctube 和自定义的梁截面 AHEX，选择 Ctube 然后，单击 OK按钮接受设定。在划分时，生成的单元将采用本操作中分配的截面。需要指出的是，如果模型中包含变截面梁，则需要定义多个梁截面或者实常数组，在创建单元前，首先指定实常数参考号引用正确的实常数组或者通过指定梁截面参考号引用正确的梁截面，在对模型其他部分划分网格时，需要重新指定这些参考号为相应的正确数值。2.6.3.5 用实体形式显示梁单元 使用通用梁截面或者自定义的梁截面创建梁单元网格后，可以查看用实体显示的梁单元的效果图（其包含了梁截面的形状）。操作如下：（1）单击 Utility Menu|PlotCtrls|Style|Size and Shape 出现如图 2.25 所示 Size and Shape（形状和尺寸显示控制）对话框，将 Display of Element（显示单元）选项选上即可。图 2.25 设定显示选项（2）确定后，单击 Utility Menu|Plots|Replot 就可以得到用实体显示的梁的效果图。如图 2.26 所示。图 2.26 实体显示的梁单元效果图 2.7 定义材料属性 绝大多数单元类型都需要材料属性。根据应用的不同，材料属性可以是?线性或者非线性?各向同性、正交异性或非弹性?不随温度变化或者随温度变化 像单元类型和单元实常数一样，每一组材料属性也有一个材料属性参考号。与材料属性组对应的材料属性参考号表称为材料属性表。在一个分析中，可能有多个材料属性组（对应模型中有多种材料）。在创建单元时可以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分配其采用的材料属性组。定义材料属性时应当注意以下几点：一般情况下杨氏模量（EX）必须定义；若加惯性载荷，必须定义能求出质量的参数，如密度；若模型中存在热载荷，需定义膨胀系数（ALPX）。可以通过以下方式定义材料属性：Command：MP GUI：Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models 下面给出定义材料属性的详细 GUI 操作步骤：（1）单击菜单路径 Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models，弹出Define Material Model Behavior（定义材料模型）对话框，如图 2.27 所示。材料模型定义对话框中，右边的列表框通过树形结构列出了可用的材料模型类别，可以通过双击的方式展开一个材料模型类别而得到其所包含的子类，例如双击 Structural（结构）类，将展开适用于结构分析的可用的材料模型类别，如线性材料，非线性材料等等。对于一般的线性结构分析，只需用到线弹性，各向同性的材料本构关系，本节即以此为例进行讲述。图 2.27 定义材料模型（2）在右边列表框中依次双击 Structural|Linear|Elastic|Isotropic 将会弹出一个线弹性、各向同性材料模型属性定义对话框。如图 2.28 所示。在对应的文本框中分别输入所用材料的弹性模量和泊松比后单击 OK 按钮。图 2.28 定义材料属性（3）在涉及到惯性载荷的分析比如动力分析以及需要施加离心载荷的分析的时候，还需要定义材料的密度。在定义材料模型对话框中右边的列表框中依次双击 Structural|Density，弹出定义材料密度对话框，如图 2.29 所示。在 DENS（密度）文本框中输入材料的密度值，确认后单击 OK 按钮。图 2.29 定义材料密度（4）定义完毕后，单击定义材料模型对话框（如图 2.27 所示）Material|Exit，退出材料模型定义对话框。2.8 关于建立模型的基本概念 一旦定义了材料特性，在分析中下一步的工作是生成能够恰当地描述模型几何性质的有限元模型。通常情况下需要首先建立几何模型（直接生成法建模时可能不需要建立几何模型），然后根据几何模型生成有限元模型。建立几何模型时，原则上应尽量准确地按照实际物体的几何结构来建立，但对于结构形式非常复杂，而对于要分析的问题来讲又不是很关键的局部位置，在建立几何模型时可以根据情况对其进行简化，以便降低建模的难度，节约工作时间。2.8.1 建模概述 ANSYS 中有两种建立有限元模型的方法：实体建模和直接生成。使用实体建模，首先生成能描述模型的几何形状的几何模型，然后指示 ANSYS 程序按照指定的单元大小和形状对几何体进行网格划分产生节点和单元。对于直接生成法，需要手工定义每个节点的位置和单元的连接关系。一般来说对于规模较小的问题才适于采用直接生成法，常见的问题都需要先通过实体建模生成几何模型，然后再对其划分网格生成有限元模型。在实体建模建立模型时，建立几何模型和生成有限元模型这两个步骤通常是交织进行的。建立几何模型的目的是生成有限元模型，在建立几何模型时要考虑到有限元模型的生成，生成有限元模型时如果出现问题或者单元形状不能满足要求还需要对几何模型进行修改或者简化，因此这两步通常要放在一起进行考虑。本书不打算专门讨论如何通过具体的实体建模操作建立几何模型，而侧重讲述实体建模中的一些基本概念和注意事项。至于如何利用 ANSYS 的实体建模工具（Main Menu|Preprocessor|Modeling）建立几何模型，可以参考后面有关章节的实例的几何模型的建立过程和 ANSYS 在线帮助（单击相应对话框上的 HELP 按钮）。2.8.2 建立模型的方法 ANSYS 程序为用户提供了下列生成几何模型以及有限元模型的方法：?在 ANSYS 中创建几何模型?导入在其它 CAD 系统创建的模型?直接生成 2.8.2.1 实体建模和直接生成法 对于实体建模，需要描述模型的几何边界，以便生成有限元模型前建立对单元大小和形状的控制，然后让 ANSYS 自动生成所有的节点和单元。与之对比，直接生成方法必须直接确定每个节点的位置，以及每个单元的大小、形状和连接关系。采用用命令流方式往往更便于实现有限元模型的直接生成。实体建模和直接生成方法都有各自的优缺点，具体采用那种方法需要在具体工作中根据具体的情况进行选择。表 2.1 列出实体建模和直接生成的优缺点。表 2.1 模型生成方法的优缺点比较 建模的方法 优 点 缺 点 实体建模 1.对于庞大而复杂的模型，特别是对三维实体模型，一般要采用实体建模的方法。2.相对而言需要处理的数据少一些。3.可以使用 ANSYS 建模工具建立模型。4.便于几何上的改进。5.便于改变单元类型。1.需要大量的计算机时。2.对小型、简单的模型有时很繁琐，比直接生成需要更多的数据。3.在某些条件下可能ANSYS可能不能生成有限元网格。直接生成 1.对于小型模型的生成比较方便。2.使用户对几何形状及每个节点和单元的编号有完全的控制。1.往往比较耗时，大量需要处理的数据让人无法忍受。2.改变网格和模型十分困难。3.易出错。实体建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是一般建模的首选方法，本书中的模型均是通过实体建模建立的。如果模型过于复杂，可以考虑在专用的 CAD 中建立几何模型，然后通过 ANSYS 提供的接口导入模型，然后再进行网格的划分，生成 ANSYS 分析所需的有限元模型。无论采用那种方法，在建模过程中都要遵循如下要点：（1）分析前确定分析方案。在开始进入 ANSYS 之前，首先确定分析目标，决定模型采取什么样的基本形式，选择合适的单元类型，并考虑控制适当的网格密度。（2）注意分析问题的类型，尽量采用理论上的简化模型。比如，能简化为平面问题的分析就不要用三维实体单元进行分析等。（3）注意模型的对称性，采用模型上的简化。比如采用周期对称模型，可以减少建立模型的时间和计算所消耗的机时。（4）建模时注意对模型作一些必要的简化，去掉一些不必要的细节。如倒角等。过多的考虑细节有可能使问题过于复杂而导致分析无法进行。（5）采用适当的单元类型和网格密度，结构分析中尽量采用带有中节点的单元类型（二次单元），非线性分析中优先使用线性单元（没有中节点的直边单元），尽量不要采用退化单元类型。2.8.2.2 导入CAD生成的模型 通常情况下，对于非常复杂的不规则线、面或体，在 ANSYS 中建立其几何模型将会非常复杂。这时可以采用在熟悉的专用的 CAD 系统中建立几何模型，然后通过 ANSYS 提供的接口导入到 ANSYS 中，进行一些处理后得到适用的模型。ANSYS 支持的接口通常包括：IGES CATIA Pro/E UG SAT PARA IDEAS 可以在专用的 CAD 系统建立模型后通过适当的接口（Utility Menu|File|Import）将模型导入到 ANSYS 当中。2.9 坐标系 在不同的分析阶段，ANSYS 使用到了多种坐标系。?总体和局部坐标系。用来定位几何形状参数（节点、关键点等）的空间位置。?显示坐标系。用于几何形状参数的列表和显示。?节点坐标系。定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。?单元坐标系。确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。?结果坐标系。用来列表、显示节点或单元结果。2.9.1 总体坐标系 总体和局部坐标系是用来定位几何体。缺省状态下，建模操作时使用的坐标系是总体笛卡儿坐标系。但是很多情况下，采用其它坐标系往往会更为方便，比如旋转模型时需要用到柱坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS 提供了三种总体坐标系：笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系。所有这三种系统都是右手系，且有相同的原点。它们由其坐标系参考号识别：0 是笛卡儿坐标系，1 是柱坐标系，2 是球坐标系（见图 2.30）（a）总体笛卡儿坐标系，其识别号是 0（b）总体柱坐标系，其识别号 1（c）总体球坐标系，其识别号 2（d）以总体笛卡儿坐标系的 Y 轴为轴的总体柱坐标系，其识别号是 5 图 2.30 ANSYS 的总体坐标系 ANSYS 引用坐标值总是采用固定的方式：X 轴、Y 轴和 Z 轴，而不管实际激活坐标系的形式，因此在不同的坐标系下，X 轴、Y 轴和 Z 轴代表的意义也不同：?笛卡儿坐标系，X 轴、Y 轴、Z 轴分别代表其原始意义；?柱坐标系，X 轴、Y 轴、Z 轴分别代表径向 R、周向和轴向 Z；?球坐标系，X 轴、Y 轴、Z 轴分别代表 R、和。2.9.2 局部坐标系 在许多情况下由于特定的用途而需要建立各种各样的局部坐标系。其原点可能与总体坐标系有一定的偏移，其坐标轴也可能与总体坐标系有一定的转角。与三个预定义的总体坐标系类似，局部坐标系的类型可以是笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系。总体坐标系和局部坐标系也是构建其它坐标系（节点坐标系、单元坐标系等）的基础。2.9.2.1 局部坐标系的创建 可通过下列方法建立局部坐标系：1、按总体笛卡儿坐标系定义局部坐标系。Command：LOCAL GUI：Utility Menu|WorkPlane|Local Coordinate Systems|Create Local CS|At Specified Loc 操作步骤如下：（1）单击 Utility Menu|WorkPlane|Local Coordinate Systems|Create Local CS|At Specified Loc，将会弹出一个点拾取对话框要求选择欲建立的坐标系的坐标原点，如图 2.31所示。图 2.31 选取坐标原点（2）可以用鼠标在图形窗口中点取坐标原点的位置，用鼠标点取的位置可能并不精确，此时可以随意点取一点，在以后的操作步骤中，可以通过坐标值精确地确定原点位置；也可以直接在选择对话框的的输入文本框中输入坐标原点坐标（在总体笛卡儿坐标系或者当前工作平面内），然后回车的方式来选择坐标原点。选定后单击按钮，将会弹出 Create Local CS at Specified Location（在指定位置创建局部坐标系）对话框，如图 2.32 所示。图 2.32 在指定位置创建局部坐标系（3）在图 2.32 所示的对话框中要求：Ref number of new coord sys（新建立坐标系的识别号）文本框需要输入大于 10 的数字作为新建坐标系的识别号；在 Type of coordiate system（坐标系类型）下拉列表选择的新建坐标系的坐标类型，可供选择的有：Cartesian（笛卡儿坐标系）、Cylindrical（柱坐标系）和 Spherical（球坐标系）；Origin of coord system（坐标系原点的坐标值）文本框中的数值指的是新建坐标系的坐标原点在总体笛卡儿坐标系下的 X、Y、Z 坐标值；Rotation about Z，Rotation about X，Rotation about Y（新建坐标系的方位角）分别表示新建坐标系的三个坐标轴相对于总体坐标系的坐标轴的转角。确定新建坐标系的各个参数后单击按钮，结束坐标系的创建。如图 2.32 所示，本例中所创建的坐标系为原点总体笛卡儿坐标值为（28.15,-4.95,0），参考号为 11 的柱坐标系，柱坐标系的三个轴 R、和 Z 分别与总体笛卡儿坐标系的三个坐标轴 X、Y、Z 平行。2、通过已有节点定义局部坐标系。Command：CS GUI：Utility Menu|WorkPlane|Local Coordinate Systems|Create Local CS|By 3 Nodes 操作步骤：（1）单击指定的菜单路径 Utility Menu|WorkPlane|Local Coordinate Systems|Create Local CS|By 3 Nodes,弹出节点选取