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Ansys复合材料结构分析操作指导书


Ansys10.0 复合材料结构 分析操作指导书

第一章

概述

复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成 的一种多相固体材料, 具有很高的比刚度和比强度 (刚度和强度与密度的比值) , 因而应用相当广泛,其应用即涉及航空、航天等高科技领域,也包括游艇、风电 叶片等诸多民用领域。由于复合材料

结构复杂,材料性质特殊,对其结构进行分 析需要借助数值模拟的方法,众多数值模拟软件中 Ansys 是个不错的选择。 Ansys 软件由美国 ANSYS 公司开发,是目前世界上唯一一款通过 ISO9001 质 量体系认证的分析设计软件,有着近 40 年的发展历史,经过多次升级和收购其 它 CAE(Computer Aided Engineering )软件,目前已经发展成集结构力学、流体力 学、电磁学、声学和热学分析于一体的大型通用有限元分析软件,是一款不可多 得的工程分析软件。Ansys 在做复合材料结构分析方面也有不俗的表现,此书将 介绍如何使用该款软件进行复合材料结构分析。 在开始之前有以下几点需要说明, 希望大家能对有限元法有大体的认识,以及 Ansys 软件有哪些改进,最后给出一 些学习 Ansys 软件的建议。 1、 有限元分析方法应用简介

有限元法(Finite Element Method,简称 FEM)是建立在严格数学分析理论上 的一种数值分析方法。该方法的基本思想是离散化模型,将求解目标离散成有 限个单元(Element),并在每个单元上指定有限个节点(Node),单元通过节点相 连构成整个有限元模型,用该模型代替实际结构进行结构分析。在对结构离散 后,要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys 中称之为 DOF(Degree Of Freedom),试想一下,节点的位移包括沿 x,y,z 轴的平动和转动,也就是节点的 自由度),节点位移通过求解一系列代数方程组得到,在求得节点位移后,利用 节点位移和应力、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应力、应变,应 用线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等信息。 2、 Ansys 软件的发展近况

Ansys 软件目前已发展到 Ansys V12 版本,从 V10 开始 Ansys 加入了一个新 的工作环境 Workbench,原先的 Ansys 被称为 Ansys (classic),虽然操作界面不同, 但两者的求解器是一样的。Ansys (classic)的前处理功能相对较弱(主要是建模方 面),因而往往需要借助第三方软件,如 CAD 软件。也许是迫于另一个有限元 分析软件 ABQUS 的竞争压力, Ansys 推出了新的 Workbench 工作环境, Workbench 在建模、划分网格、求解和后处理上都作了改进,尤其在建模和划分网格方面有 了巨大进步,建模方面与传统 CAD 软件一样采用图形界面,极大地提高了图形 的可视性,划分网格采用了 Ansys ICEM CFD 的功能,使划分的网格更加易控,最 重要的是免去了从第三方软件导入模型、网格过程中可能存在的各种问题,实现

了真正的 “无缝” 连接。 顺便提一下, 有些人认为 Ansys 不适合进行非线性分析, 我这里想说的是,Ansys 中定义了非常多的针对非线性分析的单元,并专门设计 了非线性分析求解器, 细心的同事可能发现, EUROS 公司做叶片结构分析采用的 软件就是 Ansys (classic),因而大家对 Ansys 作复合材料分析应有足够的信心。 3、 学习 Ansys 软件的一些个人建议

⑴、Ansys 软件其实就是一种工程模拟工具,是对实际问题模型化后进行计 算模拟,因而结果正确与否,是否符合实际情况需要丰富的工程经验进行判别, 切忌盲目相信计算结果; ⑵、在学习 Ansys 软件之前有必要知道材料力学、弹性力学、有限元的一些 知识,比如平面假设是什么意思,其物理意义是什么。有了这些基础知识就能避 免犯一些低级错误,在看参考资料时也比较容易理解,此外,由于设计复合材料 的计算,因而对复合材料及复合材料板件的性质要有一定的了解,这样在进行材 料参数设置时避免出错; ⑶、碰到问题要多看看 Ansys 的帮助文档,Ansys 软件自带的帮助文档非常 全面,简直就是一本百科全书,在每个对话框都有“Help”按钮,点击就能打开 有针对性的帮助,使用起来很方便; ⑷、要注意与周围的人多讨论和交流,这是获取知识解决问题最快的途径, 另外可以多上些论坛网站,很多有限元分析大牛就隐藏在这些论坛里面,上这 些论坛会给你带来意想不到的收获,推荐的网站有:机械 CAD 论坛 (http://www.jxcad.com.cn)、仿真论坛 (http://www.simwe.com)、复合材料在线 (www.frponline.com.cn)、百思论坛(http://www.baisi.org)等。

第二章

Ansys10.0 入门

在这一章中,读者将会对 Ansys10.0 的界面、各个功能模块的作用、Ansys 在进行结构分析所采用的一般流程和 Ansys 在求解过程中产生的具有不同扩展名 的文件, 共四个方面有全面的了解。 在这章的学习过程中读者不必深究每个细节, 只需要知道 Ansys 中都有哪些功能,这些功能在哪里可以找到即可,在后面的章 节将详细讲述这些功能的使用。 1、Ansys10.0 图形用户界面 推荐启动路径:【开始】|【所有程序】|【Ansys】,启动后的界面如图 1 所示。
应用菜单(utility menu) 命令流输入窗口

主菜单(main menu)

图形显示窗口

图 1 Ansys10.0 图形用户界面

状态栏 钮

快捷按

应用菜单(Utility Menu):包含文件管理、选择、列表显示、单项显示、显示 控制、参数设置、宏设置以及帮助查询等功能; 主菜单(Main Menu): 该菜单下包含了有限元分析所有的模块, 分为前处理、 求解、后处理、优化设计等 Ansys 主要功能,是操作最频繁的区域; 命令流输入窗口:该窗口为 Ansys 命令的输入区域,在输入命令的同时,会 显示相应的提示,点击右边的倒三角可以浏览之前已经输入的命令; 图形窗口:该窗口用于显示几何模型以及处理的结果,比如云图显示变形、 应力、应变等; 快捷按钮:为用户提供快捷的图形显示提供辅助,包括快速调整视角、左右 上下移动显示模型、放大缩小模型等。小技巧:用 Ctrl 键+鼠标左中右建组合也 能实现这些快捷操作。 2、Ansys 各功能模块介绍 Ansys 软件的主菜单(Main Menu)中按照一般分析的顺序将各个模块从上到 下排列,即,前处理、求解、后处理的顺序。当然在实际求解的过程中没有必要 严格按照这一顺序进行, 但对于初学者而言, 推荐按照这个顺序来进行结构分析, 这样有助于在日后进行复杂的有限元分析中仍能保持良好的条理性。 下面就各个 模块进行分别介绍。

⑴、前处理模块(Preprocessor):在这个模块中用户可以完成定义单元类型 (Element Type)、设定单元实常数(Real Constants)、定义材料属性(Material Props)、建立模型(Modeling)、划分网格(Meshing)等操作,如图 2 所示。 正如第一章所述,Ansys 在建模方面不擅长,往往需要借助其它 CAD 建模软件, 将建好的模型导入 Ansys 中, 导入的操作为: 【Utility Menu】 File】 Import…】 | 【 | 【 , 选择合适的格式,然后选择要导入的文件即可。 ⑵、求解模块(Solution):在这个模块中用户可以指定分析类型(Analysis Type)、定义载荷(Define Loads)、对载荷步进行设置(Load Step Opts)、激活求解 (Solve),见图 3 所示。小提示:点击 Unabridged Menu/Abridged Menu 可以控制 该模块下功能项是以精简模式还是以全部模式显示。

图 2 Preprocessor 模块

图 3 Solution 模块

⑶、一般后处理模块(General Postproc):用于显示(Plot)、查看、输出整个模型 在某个子载荷步(Sub Load Step)、或者特定时间或频率下的结果,也可以将计算 和分析结果以文件的形式输出(Write Results),见图 4 所示。操作中需首先读入 计算结果(Read Results),例如查看结构分析中某个时刻模型各个位置的变形、应 力、应变等信息,图 5 显示的是某个时刻玻璃钢板在均布压力下的变形云图。

图 4 General Postproc 模块

图 5 玻璃钢板变形云图

⑷、时间历程后处理器(TimeHist Postpro):用于分析处理指定某个时间范围 内模型指定节点上某个结果(比如应力、应变等)随时间或频率变化的情况,对 应的菜单项如图 6 所示。对比两种后处理器可以发现,一般后处理器固定某个时 间,查看模型各个节点或单元的结果,时间历程后处理器则是固定某个节点或单 元,查看指定物理量随时间的变化情况。

图 6 TimeHist Postpro 模块 当然,Main Menu 中还有其他一些模块,但对于复合材料结构分析,主要用 到的模块就是这些,当需要有其他特殊处理时,相信到那时大家已经拥有相当丰 富的经验了,读者完全可以参考 Ansys 帮助文档或其他资料作进一步学习。

3、 Ansys 结构分析 结构分析采取的一般步骤 本节介绍 Ansys 结构分析的典型步骤 实际应用中不一定要严格遵照这些步 结构分析的典型步骤, 骤。一般结构分析的流程图如图 7 所示。 一般结构分析的流程图如图

选取单元类型, 设置单元实常数

定义材料属性

建立(或导入)模 型,划分网格

设定边界条件, 加载

求解

处理计算结果, 导出结果文件
图 7 Ansys 结构分析流程图 步骤一:Ansys 对每一个有限元分析都 对每一个有限元分析都默认以’file.ext’的形式创建相关文 的形式创建相关文 件,’ext’代表扩展名,而且文件的存放路径默认为 而且文件的存放路径默认为【安装盘】/【Documents and Documents Settings 】/【User】。因而 因而,在开始一个新的结构分析前,有必要修改文件的存 有必要修改文件的存 放路径和文件名, 以防止将以前的文件覆盖。 以防止将以前的文件覆盖 指定新的存放路径的操作方法 【File】 指定新的存放路径的操作方法: |【Change Directory…】。 】。更改文件名操作方法: 【File】|【Change Jobname Change Jobname…】, 此时会弹出对话框,输入新的文件名 输入新的文件名,注意输入框下面有个’New log and error New files ?’,笔者建议勾选这一选项 这样就会创建新的日志文件和错误记录文件, 笔者建议勾选这一选项,这样就会创建新的日志文件和错误记录文件 便于将来找出出错原因。 。

步骤二:选取单元类型 (Element Type) 并设定单元实常数 (Real Constants) , 定义单元类型:【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Element Type】;设定单元 实常数:【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Real Constants】。Ansys 中提供的 单元类型多达 200 多种,每种单元都有各自的特点和适用范围,不可随便选择。 总的来说所有单元可以分为三大类:杆单元类(一维 BEAM)、平面单元类(二 维 PLANE)、体单元类(三维 SOLID),每种单元都有各自的名字,名字由单元 类 + 数字编号组成。例如:PLANE42,PLANE 表示该单元属于平面类单元,由于 平面类单元中还包含其他很多种单元,所以用 42 来标识此特定单元。实际上每 种单元的数字编号都是独一无二的。单元实常数主要用来进一步描述单元特性, 比如你选择梁分析单元 BEAM23, 可以定义其梁的面积、 Real 惯性矩和截面高度, 如果你选择的是应用于复合材料层合板分析的 SHELL91 单元, Real 可以指定铺层 数、铺层方向角、每层的厚度等参数。至于单元类型如何选择,这与分析问题的 类型和材料特性有关,后面的章节将详细讲解。 步骤三:定义材料属性,菜单路径:【Main Menu】|【Preprocessor 】| 【Material Props】|【Material Models】,弹出 Define Material Model Behavior 对 话框,在对话框左侧窗口选择合适的材料模型。对于复合材料结构分析而言, 通 常选择 Structural 里面的材料模型,需要设定的材料参数一般包括弹性模量、剪 切模量、泊松比。 步骤四:建立(导入)模型和划分网格。对于形状复杂的模型建议采用专门 的建模软件, 建立模型菜单路径: 【Main Menu】 | 【Preprocessor 】 | 【Modeling】 , 划分网格菜单路径:【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Meshing】。模型的建 立可以采用自下向上的建模方法或者自上向下的建模方法,这里不做详述,有兴 趣的读者可以参考相关 Ansys 建模书籍。模型建好剩下的就是划分网格了,划分 网格前需要先对网格尺寸进行设置, 然后将步骤二选好的单元类型应用到需要划 分网格的模型上,程序就会自动将网格划分好,如果对划分的网格不满意还可以 对局部网格进行优化。 步骤五:设定边界条件和加载,菜单路径:【Main Menu】|【Solution 】| 【Define Loads】。边界条件的设定主要包括对需要限定位移的节点的位移(DOF) 进行设置,Ansys 中认为边界约束也是一种载荷。载荷包括集中力载荷、 面载荷、 体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。载荷可以施加在实体模型上也可以施加在有限 元模型上。当载荷施加在实体模型上,ANSYS 求解时会自动将这些荷载转换到相 应的节点和单元上,当改变模型的单元网格划分时,在实体模型上所施加的荷载 不受影响,相比较而言,这种方法施加载荷更容易些。 步骤六:求解,菜单路径:【Main Menu】|【Solution】|【Solve】。在执 行求解之前一般需要先指定求解类型,指定的方法路径 【Main Menu】 Solution】 【 |

|【Analysis Type】|【New Analysis】,求解类型包括 Static、Model、Harmonic、 Transient、Spectrum、Eigen Buckling、Substructuring。 步骤七:后处理,【Main Menu】|【General Postproc】。在后处理模块, 需要先读入计算的结果,然后就可以查看节点计算结果(Nodal Solution),一般以 云图的方式显示应力、应变、位移等信息,还可以将结果以图片的形式保存下 来。有时为了更精确地查看信息,需要将结果以文件的形式输出,这时可以采 用 【Main Menu】【General Postproc】【Write Results】 | | 的方法输出结果到文件。 4、 Anysis 有限元分析中产生的文件 Ansys 分析过程中可能产生的文件有 10 种之多, 各种扩展名所包含的意义如 下: .db 是数据库文件,里面存储着当前模型数据,以及单元属性、材料性质等 信息,是 Ansys 最重要的文件之一; .dbb 是 ANSYS 自动生成的当前 database 的备份。比如你已经有一个 file.db, 当你点击 save 时,ANSYS 先把原来的 file.db 另命名为 file.dbb 后,新生成 一个 file.db。db 文件中可以包含部分结果; .log 是日志文件,以追加时记录所有执行过的命令; .emat 是单元矩阵文件,记录有限元单元矩阵数据; .esav 是单元数据存储文件,保存单元求解数据; .err 是出错记录文件,记录所有运行中的警告错误信息; .rst 是结果文件,记录一般结构分析的结果数据; .rth 是结果文件,记录一般热分析的结果数据; .rmg 是结果文件,记录一般磁场分析的结果数据; .snn 是载荷步文件,记录载荷步的载荷信息; .out 是输出文件,记录命令执行情况;

第三章

Ansys 复合材料结构分析专题 复合材料结构分析专题

复合材料结构分析包括复合材料层合板结构和复合材料夹芯结构分析。 与一 般各向同性材料(isotropic material)相比,复合材料的建模过程要复杂些,复 合材料各层为正交各向异性材料(orthotropic material),材料的性能与材料主 轴的取向有关, 因而在开始复合材料分析之前,笔者认为非常有必要对相关的 单元类型及如何选择单元、 模型建立、 划分网格、 施加载荷等基本知识有所认识。 建议读者在后面实战过程中能经常返回本章节参考相应的说明,从而加深理解, 做到融会贯通。

3.1 适用于复合材料结构分析的单元类型 适用于复合材料结构分析的单元类型
针对复合材料结构分析,Ansys 程序中提供了 7 种单元类型,分别是 SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186、SOLID191 单元。 单元类型的选择主要依据分析类型和所需的计算结果来确定。 下面详细介绍每个 单元类型及其应用范围。 1、 SHELL99 单元 、 SHELL99 单元为 3D 线性结构壳单元,包含 8 个节点,每个节点有 6 个自由 度。该单元适用于薄到中等厚度的板和壳体结构,要求结构的宽(长)厚比大于 10(目的使得平面应力假设能够成立)。对于宽(长)厚比小于 10 的结构则应 考虑使用 SOLID46 单元建模(生成有限元模型)。SHELL99 允许多达 250 层的等 厚度材料层, 或者是 125 层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。 如果 材料层大于 250 层,用户可以通过设置 keyopt(2)=3or4 来定义材料矩阵。 2、SHELL91 单元 、 SHELL91 单元与 SHELL99 单元类似, 不同之处在于它允许的复合材料最多 100 层,用户不能输入自定义的材料矩阵,另外,SHELL91 单元支持塑性、大应变等 大变形情况,并可以模拟“三明治”结构。 3、SHELL181 单元 、 SHELL181 单元是一种 4 节点 3D 壳单元,每个节点有 6 个自由度。该单元具 有包含大应变的完全非线性性能, 最多允许 255 层复合材料, 各层的信息可以通 过截面相关命令输入。

4、SHELL190 单元 、 SHELL190 单元是一种 4 节点 3D 单元,每个节点有 3 个自由度。该单元具有 包含大应变性能, 最多允许 255 层复合材料, 允许沿厚度方向的变形斜率可以不 连续,各层的信息可以通过截面相关命令输入。 5、SOLID46 单元 、 SOLID46 单元是 8 节点 3D 单元 SOLID45 的一种层叠形式,每个节点有 3 个 自由度, 每个单元最多允许 250 层的等厚度复合材料, 同样允许 125 层厚度在单 元面内成双线性变化的不等厚度材料层。 该单元的另一个特点是可以用几个单元 叠加的方式对多于 250 层的复合材料建模并允许沿厚度方向的横向变形斜率可 以不连续, 而且用户可以输入自定义的本构矩阵。 8 节点壳单元相比, 于 SOLID46 单元的阶次要低,因此,在壳结构分析中要得到与 SHELL99 或 SHELL91 单元相同 的求解结果,需要更密的网格, 6、SOLID186 单元 、 SOLID186 单元是 20 节点 3D 实体单元,每个节点有 3 个自由度。每个单元 最多允许有 250 层的等厚度材料层, 允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续, 支 持材料的非线性行为和大变形。 7、SOLID191 单元 、 SOLID191 单元是 20 节点 3D 实体单元 SOLID195 的一种层叠形式,每个节点 有 3 个自由度。 每个单元最多允许有 100 层的等厚度材料层, 允许沿厚度方向的 变形斜率可以不连续。SHELL191 单元不支持材料的非线性行为和大变形。

3.2 建立模型 建立模型
本节中将简要介绍 Ansys 中建模一般采用的两种方法, 分别是直接建模和从 CAD 软件中导入模型,以及根据分析类型的不同来选择模型类型。考虑到 Ansys 分析中绝大部分的模型都要从其他 CAD 软件中导入,而 CAD 模型文件有各种各 样的格式,比如:IGES、STEP、PARA、CATIA、UG 等等,如果对这些格式的特点 不熟悉的话,导入结果往往不尽人意。 3.2.1 建模方法

建立 Ansys 结构分析模型主要有两种方法: 直接建模和输入 CAD 软件中创建 好的模型。形状比较简单的模型可以采用直接创建模型,对于形状复杂的模型, 建议从 CAD 软件导入以节省建模时间,导入的 CAD 模型要尽量简化,放弃不重 要的细节,从而减少导入 Ansys 时过多信息丢失和划分网格失败的几率。

另外, 模型的建立需要根据实际分析类型的不同而不同, 例如对于板壳结构, 如果想采用壳体单元类型(SHELL),则模型只要建立曲面就可以了,不需要建 立有厚度的体模型,相应的,如果分析的问题为实体结构,采用的单元为实体单 元(SOLID),建立的模型就需要包含厚度信息。 鉴于 IGES 数据格式在当前数据交换领域有着非常广泛的应用,参考 ANSYS 帮助文档,编写了如何在 ANSYS 环境下导入 IGES 文件,以及相关的修复操作, 详细内容见附录 A。

3.3 网格划分
根据个人喜好,有的模型借助其他前处理软件也可以划分网格,然后导入 ANSYS 中进行有限元计算,这不是本文的关注内容。对于没有划分网格的模型, 由前面的介绍可知,ANSYS 的基本求解思想是离散化的思想,在求解前必须对其 划分网格,网格的划分分为定义单元类型、网格生成选项设置和生成网格三个步 骤。 3.3.1 定义单元类型

⑴、定义单元类型 GUI 路径为: 【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】,执行命令后 ANSYS 会打开如图 8 所示的对话框, 点击 Add 增加新的单元类型,弹出图 9 所示单元类型列表对话框。

图 8 单元类型定义

图 9 单元类型列表 图 9 中有两个列表框,左边一个为单元类列表框,右边列表框为该类单元下 包含的具体单元,每一种单元都对应一个数字号码。在“Element type reference number”输入框中的数字为单元参考号,这个号码代表了本次结构分析中该单 元类型,在划分网格时只要指定单元类型参考号即可将该单元类施加到模型上。 选择单元的原则基本原则是在满足求解精度的前提下尽量采用低维数的单 元,选择单元优先级从高到低依次为点、线、面、壳、实体。 ⑵、定义实常数 为了准确求解,有时要对所选单元的几何特征进行补充,这些补充通过定义 实常数的方式实现。单元实常数的定义通常包括壳单元的厚度、梁单元的截面面 积、惯性矩、平面单元的轴对称特性等。 定义实常数 GUI 路径为: 【Main Menu】|【Preprocessor】|【Real Constant】

图 10

SHELL99 单元实常数定义

SHELL99 单元是复合材料分析常采用的单元类型之一, 10 展示了 SHELL99 图 单元实常数定义对话框,对话框中 NL 用于指定该复合材料有多少层,最多可以 包含 250 层,LSYM 用于设定复合材料的铺层是否对称,若对称铺层,在输入框 中输入数字“1”,ADMSUA 用于指定单位面积质量,也就是惯性力。其他的很 多壳单元也需要设置类似的实常数。 3.3.2 网格密度控制

在划分网格时,仅仅定义了单元类型是不够的,还需要对单元网格的尺寸或 密度进行设定, 对网格密度设定后, ANSYS 程序会自动根据设定值进行网格划分。 网格密度设置 GUI 操作如下: 【Main Menu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【Size Cntrls】 在 Size Cntrls 菜单下有多种网格密度设置方法,可以手动设置也可以利用程 序进行智能控制。一般手动设置通过选定某条边线,指定该边线上点的分布,程 序将以这些点为节点划分网格。智能网格密度控制有两种方式,分别是“Basic” 和“Adv Opts”,见图 11 所示。

图 11 智能网格密度控制

Basic Smart Size Settings 包含三级网格密度,“1(fine)”级对应最密的网 格,“2”、“3”次之。Advanced Smart Size Settings 可以设定全局单元尺寸、 内部面积单元尺寸变化梯度, 单元扩张或收缩快慢程度以及小孔处单元紧缩度等 的设置。 3.3.3 网格划分方法

ANSYS 提供了方便快捷的划分网格方法,划分的网格具有较高的质量。主要 包括 4 种网格划分方法:自由网格划分、映射网格划分、延伸网格划分和自适应 网格划分。 ⑴、自由网格划分 ANSYS 程序的自由划分网格功能十分强大, 这种网格划分方法没有单元形状 的限制,网格也不遵循任何模式,适用于对复杂形状的面和体进行网格划分,这 可以帮助用户避免对模型的各个部分分别划分网格后进行组装时存在的部分网 格不匹配带来的麻烦。 12 为规则几何形状和不规则几何形状自由网划分结果。 图

图 12

自由网格划分

⑵、映射网格划分 映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几块, 然后选择合适的单元 属性和网格控制生成映射网格,映射网格划分适合于规则的面和体,单元成行并 且具有明显的规则形状,对面仅适合采用四边形单元,对体仅适合采用六面体单 元。对面划分网格时,所用单元必须全部是三角形单元或四边形单元,“全部” 之意是划分完毕后的有限元模型中的单元要么是三角形要么是四边形。 具体是三 角形单元还是四边形单元, 这取决于所选的单元类型以及单元形状的设置。 例如, 单元 PLANE42 是 4 节点单元,但也可以退化为 3 节点三角形单元。 3.3.4 网格质量好坏的判断 网格质量好坏的判断

⑴、网格质量标准:网格质量是指网格几何形状的合理性,网格质量的好坏 直接关系到计算精度,坏的网格甚至会导致计算终止。一般情况下,网格曲面不 能过分扭曲、各边各角相差不大、边节点位于边界等分点附近。 ⑵、网格质量检查工具:ANSYS 程序提供了对单元形状进行检查的工具。需 要提醒大家的是,ANSYS 程序有时会弹出单元警告信息,但这并不意味着这些单 元形状会导致计算结果的不准确。同时,即使程序没有弹出任何警告信息,也不 能保证能得到精确的计算结果。执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Checking Ctrls】|【Shaping Checking】,弹出如图 13 所示的 Shape Checking Controls 对话 框。从图中可以看出有四个功能项,分别进行介绍。

图 13

单元形状检查控制

打开单元形状检查和警告模式 每次划分网格时,ANSYS 默认执行单元形状检查。无论是通过何种方法生成 新单元,ANSYS 都会按照事先设置好的形状警告或错误限制参数进行检测。如果 有单元形状超过错误限制,系统不仅会给出错误信息,甚至会终止网格的划分, 需要对网格参数进行重新设定。 关闭形状检查

在有些情况下,用户希望关闭形状检查,只打开警告模式。这时,程序在划 分网格时不检查单元形状,只给出警告,这不会导致网格划分失败。 查看单元形状检查的结果 选择“Summary”项,程序将会以列表的形式将形状检查的信息显示出来, 显示的内容包括长细比、雅克比、角度等各项检查结果。 修改单元形状检查参数的限制 在 Shape Checking Controls 对话框中选择 Change Settings, 如图 14 所示, 弹 出如图 15 所示的单元形状参数设置对话框。

图 14 单元形状参数设置

图 15 单元形状参数设置 这里只介绍第一项:Aspect ratio(纵横比,也称为长细比),以矩形为例, 长于宽的比值就是纵横比,这个比值不能太大,也就是不能太瘦长。ANSYS 默认 的比值上限是 20,超过该比值就会提示警告,但不会影响划分网格,一旦超过 1000000,ANSYS 就会给出出错信息,并终止网格划分。

3.4 加载求解
有限元模型建立完毕后,下一步就是如何为模型施加一定的载荷了。 3.4.1 什么是载荷 在 ANSYS 中,载荷包括边界条件和激励。结构分析中常见的载荷包括集中 力/力矩、分布力、体积力(如重力、磁场力)、位移边界条件等。 3.4.2 如何施加载荷 在 ANSYS 中,载荷可以施加在实体模型上或者施加在有限元模型上,但最 终参与有限元计算的载荷都是施加在有限元模型上。 所以施加在实体模型上的载 荷最终都会转换到有限元模型上。两种方法都各有优缺点。 实体模型的加载 优点:实体模型加载不依赖于有限元网格,因此可以在不改变载荷的情 况下改变有限元网格的划分。 缺点:网格划分命令产生的单元处在当前激活坐标系中,而节点位于全 局坐标系中,实体模型和有限元模型有着不同的坐标系和载荷方向。 有限元模型的加载 优点:可将载荷直接加在主节点上。只需选择所需的节点。 缺点:任何有限元网格的修改都将使得之前施加的载荷失效,另外因为 需要先选择节点和单元,这种方法的工作量一般比较大。

载荷的具体施加请参看第四章的计算实例。

第四章

复合材料计算实例

在有了前几章知识做铺垫,这一章我们来学习两个复合材料分析的例子 在有了前几章知识做铺垫 这一章我们来学习两个复合材料分析的例子,加 深复合材料分析的理解, ,也希望读者能从中收获一些经验。在这里将第二章的流 在这里将第二章的流 程图再次拿出来,进一步熟悉 ANSYS 有限元分析的基本过程。 进一步熟悉

选取单元类型, 设置单元实常数

定义材料属性

建立(或导入)模 型,划分网格

设定边界条件, 加载

求解

处理计算结果, 导出结果文件
图 7 Ansys 结构分析流程图 4.1 层合板受压分析

4.1.1

问题描述

层合板指的是仅仅由 FRP 层叠而成的复合板材, 中间不包含芯材,板材的性 能不仅与纤维的弹性模量、剪切模量有关,还与纤维的铺层方向有着密切关系。 本例中的板材有 4 层厚度为 0.025m 的单元板复合而成, 单元板的铺层方向为 0°、 90°、90°、0°,见图 13 所示。单元板的材料属性见表 4.1。 表 4.1 单元板材料属性 EX/MP 12.5 EY/MP 300 EZ/MP 300 GXY/MP GYZ/MP GXZ/MP PRXY 50 20 50 0.25 PRYZ 0.25 PRXZ 0.01

图 13 复合材料板 4.1.2 求解步骤

根据问题描述, 所要分析的问题为壳体结构的复合材料板, 可以采用 SOLID46 单元建立 3D 有限元模型进行分析。结合图 7 的一般步骤进行分析。 步骤一:选取单元类型, 步骤一:选取单元类型,设置单元实常数 ⑴、在开始一个新分析前,需要指定文件保存路径和文件名。 文件保存路径 GUI:【Utility Menu】|【File】|【Change Directory】见图 14 指定新的文件名 GUI:【Utility Menu】|【File】|【Change Jobname】见图 15 所示

图 14 指定文件保存路径

图 15 修改文件名 ⑵、选取单元类型 1) 2) 选取单元类型的 GUI 操作: 【Main Menu】 Preprocessor】 Element | 【 | 【 Type】|【Add/Edit/Delete】,执行后弹出 Element Types 对话框。 在 Element Types 对话框点击 Add 定义新的单元类型, “Library 弹出 of Element Types”对话框,见图 16 所示,按图中所示选择,单元 类型参考号输入框中输入数字 1。

图 16 3)

单元类型对话框

点击“OK”,回到“Element Types”对话框见图 17 所示,从图中 可以看到, 定义的单元类型参考号为 1, 单元类型对应为 SOLID46。

图 17 已经定义好的单元类型 4) 接下来,还要对单元类型做一些选项设置,点击“Options”,弹出 “SOLID46 element type options”对话框,在“Form of input”下拉 选择列表中有三个选项, 分别是各材料层厚度相同、 变厚度材料层、 自定义宏观材料本构矩阵,选择不同的选项,会导致后面需要输入 的材料参数不同。由于本例各层厚度相同,选择“Const thk layer” 项,点击“OK”,弹出“More SOLID46 element type options”,在 K8 选项中选择“All layers”,然后单击 OK,随后单击 ElementTypes 对话框上的 Close,关闭该对话框,完成单元类型选择,见图 18。

图 18 ⑶、设置单元实常数

单元类型关键字设置 单元类型关键字设置 类型关键字

单元实常数设置 GUI 路径为 【Main Menu】 Preprocessor】 Real Constants】 【 | 【 | |【Add/Edit/Delete】,执行后出现 Real Constants 对话框,单击 Add 按钮,出现 Element Type for Real Constants 对话框, 单击 OK, 出现 Real Constant Set Number1, for SOLID46,如图 19 左图所示。在 NL 框中输入 4,表示一共有 4 层,在 LSYM 框中输入 1,表示对称铺层。

图 19 单元实常数设置 按图 19 设置完后点击 OK, 出现 Real Constant Set Number1, for SOLID46 对话 框,见图 19 右图所示,按图中所示进行设置,点击 OK 关闭对话框。最后单击 Real Constants 对话框上的 Close 按钮完成实常数设置。 步骤二:定义材料属性 步骤二: 与各项同性材料一样,复合材料在定义材料性质时,需要定义弹性模量、剪 切模量和泊松比,所不同的是复合材料需要定义各个方向上的材料性质。定义材 料属性的 GUI 路径为:

【Main Menu】|【Preprocessor】|【Material Props】|【Material Models】 执行完后弹出 Define Material Model Behavior 对话框, 见图 20 所示, 按图中 所示选择材料。

图 20

材料属性列表框

选择完后弹出 Linear Orthotropic Properties for Material Number1 对话框。见 图 21 所示。按图示输入材料属性值。在这里做一点说明,ANSYS 软件允许用户 使用任何一套相匹配的单位体系,比如:长度、力、时间、温度分别采用 m、N、 s、℃作为单位,或采用英制单位体系。单击 OK 关闭对话框,在 Define Material Model Behavior 对话框上选择【Material】|【Exit】,结束材料属性定义。

图 21 材料属性设置对话框 步骤三:创建几何模型、 步骤三:创建几何模型、划分网格 ⑴、建立几何模型 在这个例题中, 选择的单元类型是 SOLID46, 需要建立实体模型, 建模的 GUI 操作:【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Create】|【Volumes】 |【Block】|【By Dimension】,执行完后弹出 Create Block by Dimensions 对话框, 相应的输入见图 22 所示。点击 OK,结果如图 23 所示。

创建几何模型对话框 图 22 创建几何模型对话框

图 23 ⑵、划分网格

创建的几何模型

由第三章中的介绍知道,在划分网格前还需要对网格密度进行设置。这里采 用手动的方法进行设置。手动设置时需要先选中欲控制网格密度的边线,指定其 上的节点分布。在长宽方向的边线上放置 40 个节点,在厚度方向上放置 4 个节 点,具体操作如下: 1) 长宽方向上放置节点

执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】命令,出现 Select Entities 对话 框,见图 24a、b 所示,按图所示进行设置,图 24a 中点击 Apply 按钮,图 24b 中点击 OK。

(a) 图 24

(b) 选择 Z 坐标为 0 及 0.1 的所有边线

执行 【Main Menu】 Preprocessor】 Meshing】 Size Cntrls】 ManualSize】 | 【 | 【 | 【 | 【 |【Lines】|【All Lines】命令,弹出 Element Sizes on All Selected Lines 对话框,见 图 25 所示。在 NDIV 输入框中输入 40,对选中的边线等分为 40 份。

图 25 手动控制节点分布 2) 厚度方向放置节点

执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】命令,出现 Select Entities 对话 框,见图 26 所示,按图所示进行设置,点击 Invert 按钮,然后点击 Cancel 完成 对剩余边线的选择。

图 26 选择剩余边线

执行 【Main Menu】 Preprocessor】 Meshing】 Size Cntrls】 ManualSize】 | 【 | 【 | 【 | 【 |【Lines】|【All Lines】命令,弹出 Element Sizes on All Selected Lines 对话框,见 图 25 所示。在 NDIV 输入框中输入 4,对选中的边线等分为 4 份。 3) 划分网格

执行【Utility Menu】|【Select】|【Everything】命令,选择所有实体,然后 再执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【MeshTool】命令,出现 MeshTool 对话框,见图 26 所示,按图中设置,

图 26

网格划分设置

设置完后点击 Mesh,在绘图区用鼠标单击模型,划分的网格效果见图 27 所示。

图 27 步骤四:设定边界条件、 步骤四:设定边界条件、加载 ⑴、设置分析类型

网格划分效果展示

执行【Main Menu】|【Solution】|【Analysis Type】|【New Analysis】,出 现 New Analysis 对话框,选择分析类型为 Static,单击 OK 结束分析类型设置。 ⑵、设置边界约束和加载 由于边界条件和载荷需要加载到单元节点上,因而需要先选中目标节点。 在本例中,由于实体模型比较简单,给大家介绍一种快速选择边界,然后施 加边界约束和表面压力的方法。 执行【Main Menu】|【Solution】|【Define Loads】|【Apply】|【Structural】 |【Displacement】|【On lines】,弹出 Apply U,ROT on Lines 对话框,见图 28 所示。执行后鼠标变成竖直向上的一个箭头,在图形显示框中用鼠标单击选择坐 标为(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1)的四条边线,单击 OK,弹出边界约束设置对 话框,见图 29 所示,按图所示进行设置,点击 OK,壳体四个角点的约束效果见 图 30 所示。

图 28 约束施加边界选择对话框

图 29 边界约束设置对话框

图 30 角点四条边线的约束效果 下面对表面施加压力荷载, 需要先选择节点, 然后再施加载荷, 执行 【Utility Menu】|【Select】|【Entities】,弹出图 31 所示的 Select Entities 对话框,按图 中所示进行设置,设置完后点击 OK,就选择了所有 z 坐标为 0.1 的节点。 执行【Main Menu】|【Solution】|【Define Loads】|【Apply】|【Structural】 |【Pressure】|【On Nodes】,出现 Apply PRES on Nodes 对话框,点击 Pick All, 弹出如图 32 所示的对话框,在 VALUE 输入框中输入 6000,由于采用的单位是国 际标准体系单位,所以这里的压强单位是 Pa。施加压力后的效果见图 33 所示, 红色的方格线表示施加的是表面载荷。注意图中右上角的文字提示,显示施加的 表面载荷是 6000。

图 31 选择需要施加压力的节点

图 32

施加表面压力对话框

图 33 表面压力施加效果图 步骤五: 步骤五:求解 这一步比较简单,首先执行【Utility Menu】|【Select】|【Everything】命令, 选择所有的实体,注意,这一步操作不可以省略,否则将有部分单元和实体不参 与计算;然后执行【Main Menu】|【Solution】|【Solve Current LS】,出现 Solve Current Load Step 对话框,点击 OK 按钮,ANSYS 开始求解计算。计算结束后会 出现 Note 提示框,见图 34 所示,单击 Close 关闭该对话框。

图 34 步骤六: 步骤六:查看计算结果

求解结束提示框

在查看计算结果之前, 需要先读入结果, 【Main Menu】 General Postpro】 执行 | 【 |【Read Results】|【Last Set】,读取最终的求解结果; ⑴、位移查看:在读入结果后,执行【Main Menu】|【General Postpro】| 【Plot Results】【Contour Plot】【Nodal Solu】 出现 Contour Nodal Solution Data | | , 对话框, Item to be contoured 列表框中选择 在 【Nodal Solution】 | 【DOF Solution】 |【Displacement vector sum】,单击 OK,图形显示窗口如图 35 所示,展示的是 合位移等值线云图。

图 35 合位移等值线云图 ⑵、应力查看:执行【Main Menu】|【General Postpro】|【Plot Results】| 【Contour Plot】|【Nodal Solu】,出现 Contour Nodal Solution Data 对话框,在 Item to be contoured 列表框中选择 【Nodal Solution】 Stress】 von Mises stress】 【 | 【 | , 单击 OK,图形显示窗口如图 36 所示,展示的是等效应力等值线云图。

图 36

等效应力等值线云图

⑶、当然,在 ANSYS 中还可以用文件形式将计算结果列出来,从而查看每 个节点的具体数据,执行【Main Menu】|【General Postpro】|【List Results】| 【Nodal Solu】,出现 List Nodal Solution 对话框,在 Item to be listed 列表框中选 择【Nodal Solution】|【DOF Solution】|【Displacement vector sum】,单击 OK, ANSYS 窗口将显示所有节点的位移数据,如图 37 所示。

图 37 列表显示节点位移信息 此外,用户还能够查看指定节点的数据,操作方法是先选中这些节点(可以 在图形显示窗口中用鼠标选择,也可以用坐标的方法选择),然后采用上面提到 的方法列表显示节点数据即可。

附录 A:Ansys 中如何使用 IGES 格式文件 :

IGES (Initial Graphics Exchange Specification) 是不同 CAD/CAE 软件系统之间 数据交换的一种规范,Ansys 也支持读入和输出这一类型的数据文件。Ansys 读 入该文件类型有两种模式(见附图 1 红线框内): (1)光滑模式(SMOOTH),对应选项”No Defeaturing”,这种模式不会对原模 型做任何修改,而且 Ansys 不会创建体积(只创建点、线、面元素),导入的模 型一般需要手动进行修复, 需要用到的几何修复工具位于前处理器 (Preprocessor) 模块中。 (2)小平面模式(FACETED),对应选项“Defeature Model”,在这种模 式下 Ansys 会自动执行点、线、面的合并操作,并且自动创建用于网格划分的体 积,该模式主要用于对模型进行简化。如果在导入模型过程中出现问题,Ansys 会弹出相应的几何修改工具。 对于大尺寸或复杂的模型, 注: 不推荐采用 FACETED 模式。

附图 1

Ansys 导入 IGES 文件选项设置 文件选项 选项设置

下面将详细讲解两种模式使用过程需要注意的问题。

1

SMOOTH 模式

GUI 路径: 【Utility Menu】 File】 Import】 IGES】 选择 | 【 | 【 | 【 , “No defeaturing” 。

建议导入 IGES 格式数据时首先尝试采用 SMOOTH 模式,如果利用几何修复 工具仍无法修复导入模型上的缺陷,再考虑采用 FACETED 模式。 1.1 CAD 软件建模注意事项 软件建模注意事项 如果生成的模型是轴对称的,注意对称轴选择 Y 轴。 避免创建闭合曲线(即曲线的起点和终点重合)和闭合曲面(比如曲 面起始和终止边重合)因为 Ansys 中曲线应该至少包含两个关键点, 。 所以无法存储闭合曲线和闭合曲面,如果导入的模型中包含闭合曲线 或闭合曲面,Ansys 将尝试将其分割成多个几何特征。 由于 IGES 发展到现在已经有多个版本, CAD 软件输出 IGES 文件时, 从 尽量选择 ANSYS 软件能支持的 IGES 版本。 1.2 CAD 软件输出 IGES 文件注意事项 输出时只选择 Ansys 分析需要用到的那一部分模型,Ansys 有限元分 析不需要像 CAD 软件那样关注每一个细节。 对于通过修剪操作生成的曲面,在将其转换为 IGES 数据格式时,数 据中应该包含 XYZ 坐标数据和 UV 坐标数据。 如果要分析的模型非常大,应该将模型分成多块分别输出,每个 IGES 数据文件只包含模型的一部分。在 Ansys 中将多个文件读入后采用前 处理器中的合并操作进行重新组合。 合并操作 GUI 路径: Main Menu ( 【 Menu】 |【Preprocessor Preprocessor】|【Numbering Ctrls Preprocessor Numbering Ctrls】|【Merge Items Merge Items】)。 如果 IGES 文件的数据是以 ASCII 码存储的, 确保文件中每行都是 80 个记录。 1.3 Ansys 导入 IGES 文件注意事项 注意导入文件时 ANSYS 程序的各种提示信息。 警告信息包括诸如 IGES 转换失败的部件以及转换成功的部件在 ANSYS 中对应的部件号。

如果存在 IGES 部件没有转换,可以采用模型修补命令进行重构。 SMOOTH 模式能够读入任何不超过 20 阶的有理 B 样条曲线和有理 B 样 条曲面,如果阶数超过 20 阶 ANSYS 将提示出错信息。 1.4 ANSYS 导出 IGES 文件注意事项 输出 IGES 数据前需要先设定系统单位,单位的设置只能通过命令的 形式设置:/UNITS,比如要设定国际单位体系,只要在命令输入框中 输入“/UNITS,SI”,回车确认即可。 输出数据前, 需要选择几何实体的所有下属元素, 操作: Utility GUI 【Utility Menu】|【Select Menu Select】|【Everything Below】。 Everything Below Select 如果想输出模型的部分元素,则只需要选中那些需要输出的模型及其 下属元素(包括关键点和边线),然后去掉选中的更高级别的特征元 素即可。

2
2.1

FACETED 模式
FACETED 模式使用的 9 个步骤 模式使用的

①、采用 SMOOTH 模式导入 IGES 文件。. ②、通过创建基本几何元素(比如创建关键点,线等)对导入的几何体进行 改善和修复,适当时候结合布尔操作进行修改,记住,不要急着划分网格。 ③、将导入的模型和创建的模型保存到数据库文件,这一步只要点击保存图 标即可完成。 ④、将模型保存到 IGES 格式的文件。 ⑤、在命令输入框中输入“/CLEAR”命令,清空当前软件中的数据(也可以 退出然后重启软件)。 ⑥、执行【Utility Menu】|【File】|【Import】|【IGES】,选择“Defeature 【 Menu】 File】 Import】 IGES】 Model ”。 ⑦、选择第 4 步保存的模型文件,将其以 FACETED 模式导入。

⑧、在 FACETED 模式下,对模型进行简化处理,去掉可能导致划分网格失败 的几何特征。 ⑨、对模型进行网格划分,如果在划分网格中碰到问题,则需要对模型做进 一步的简化处理。 注意:不是所有的几何问题都可以在 FACETED 模式中得到解决,必要的时 候需要在创建模型的 CAD 软件中做相应的修改。 2.2 FACETED 模式简化模型

2.2.1 目测检查模型的几何缺陷 目测检查模型的几何缺陷 模型的 模型的几何缺陷(参见附图 2)主要包括:很短的线条(Small line)、不相 关的几何特征、面积很小的面域(Small area)、在一个方向上尺寸很不协调的面 域(Thin area)(比如狭长条表面)等,这些几何缺陷很容易导致网格划分不理 想甚至失败(见附图 2)。需要借助几何简化工具消除这些缺陷。

存在几何缺陷 几何缺陷的模型及其网格划分结果 附图 2 存在几何缺陷的模型及其网格划分结果 从附图 2 的网格划分来看,单元间网格尺寸急剧变化,这在有限元分析中是 不被允许的,需要对模型进行修改,重新划分网格。 2.2.2 查找定位几何缺陷 查找定位短曲线: GUI 操作: Main Menu】【Preprocessor】 【Modeling】【Simplify】 Menu】 Preprocessor】 Modeling】 Simplify】 | | 【 | Detect/Display】 Lines】 |【Detect/Display】|【Small Lines】 查找定位小环线 GUI 操作: Main Menu】【Preprocessor】 【Modeling】【Simplify】 Menu】 Preprocessor】 Modeling】 Simplify】 | | 【 | Detect/Display】 Loop oops |【Detect/Display】|【Small Loops】 查找定位小面域 GUI 操作: Main Menu】 Preprocessor】 【Modeling】 Simplify】 【 Menu】 Preprocessor】 Modeling】 Simplify】 | 【 | | 【 Detect/Display】 Areas |【Detect/Display】|【Small Areas】 在找到这些几何缺陷后可以采用修补工具进行修改。 2.2.3 短曲线的修补 对于短曲线的修补有两种方法可用,一种是合并操作(merge lines),将短 曲线与长曲线进行合并,合并后得到一条曲线(注意,合并节点处不能有第三条 曲线与之相接, 因为合并后节点将不复存在) 另一种是降阶操作 ; (collapse lines) , 将曲线收缩到该曲线两个端点中的一个,这会对原有模型有所改变。

附图 3 短曲线的修补 2.2.4 小曲面的修补 小曲面的修补

与短曲线的修补类似, 小曲面的修补也有两种方法, 一种是合并曲面 (merge areas),将小曲面与邻近的大曲面进行合并,在合并的过程中需要注意保持曲 面的规则性(比如小曲面合并前为四变形,合并后的曲面仍然是四变形),这样 可以避免曲面参数化失败(见附图 4)。

正确的曲面合并(上图)于不错误的曲面合并(下图) 附图 4 正确的曲面合并(上图)于不错误的曲面合并(下图) 另外一种方法是曲面降阶(collapse areas),即将曲面向其边界收缩。操作 时,先选择要降阶的曲面,然后选择曲面要简化的目标边线。一般需要先进行曲 线简化操作,然后再做曲面简化,简化的边线一般选择曲面较长的一条边作为目 标边线,简化实例见附图 5 所示。

附图 5 曲面降阶实例 2.2.5 空腔和凸台的简化

模型上的空腔(包括凹槽和通孔)和凸台特征都可能影响网格划分效果甚至 使得网格划分失败,因而有必要对其进行简化处理。在清除这些特征时,需要选 中组成特征的所有曲面,选择曲面的顺序很关键,选择过程中应该先选择特征的 组成面,最后选择空腔或凸台的附着面,如果顺序不对的话会扭曲模型的几何形 状,这是我们不愿看到的。 清除空腔和凸台的 GUI 操作如下: 清除空腔:【Main Menu Main Menu】|【Preprocessor Preprocessor】|【Modeling Modeling】|【Simplify Simplify】 Preprocessor Modeling Simplify |【Toolkit Toolkit】|【Fill Cavity Toolkit Fill Cavity】 清除凸台:【Main Menu Main Menu】|【Preprocessor Preprocessor】|【Modeling Modeling】|【Simplify Simplify】 Preprocessor Modeling Simplify |【Toolkit Toolkit】|【Remove Boss】 ,参见附图 6。 Remove Boss Toolkit

附图 6 清除凸台 2.3 FACETED 模式下模型的修复

上面讲的都是有关如何简化模型的方法,实际导入 IGES 模型还会碰到模型 的拓扑结构问题(比如模型上有缝隙 gaps)或者模型不完整(比如曲面边线不 封闭) 这些拓扑结构缺陷或几何不完整都需要在 FACETED 模式下进行修复。 等。 2.3.1 修补模型上的缝隙 修补模型上的缝隙 缝隙的修补归属拓扑结构修补,拓扑结构修补工具位于【Main Menu】| 【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】下,利用这些工具可以“缝合” 模型上的小缝隙。在生成封闭体积前必须将边线和曲线段缝合到邻近的曲面上。 当拓扑修复工具打开时,其他任何几何工具都处于不可选用状态。模型上存在的 很多问题都可以通过拓扑修复工具进行修复。 2.3.1.1 缝隙绘图显示和列表显示的相关设置 要对于模型上存在的缝隙进行修复,需要首先找到这些缝隙,为便于观察缝 隙的位置,需要对缝隙进行突出显示。
显示设置 GUI 路径: Main Menu】 Preprocessor】 Modeling】 Topo Repair】 【 【 | 【 | 【 | |【Preferences】,见附图 7 所示。

附图 7 拓扑结构修复设置

有两项设置项: 误差限设置(TOLER):设置在多大间距下认为存在间隙,当两者间距 超过该设定值时,认为存在缝隙。 边线列表和绘图显示设置(OESELE):设置缝隙以何种方式显示。 2.3.1.2 查找并显示缝隙 查找并显示缝隙 并显示 对于模型上的缝隙,可以通过列表显示和在绘图窗口显示两种方式显示。 列表显示功能 该项功能的 GUI 设置为:【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】| 【Topo Repair】|【Lst Model Gaps】|【Open edges】 如果想要列表显示所有的封闭曲线可以这样设置: 【Main Menu】| 【Preprocessor】 Modeling】 Topo Repair】 Lst Model Gaps】 Closed edges】 | 【 | 【 | 【 | 【 绘图显示功能 在此,可以通过绘图功能设置来突出显示裂口和封闭的曲线,下面讲述如何 通过颜色来突出显示: 蓝色 – 表示封闭边线 ; 红色 – 表示非封闭边线,即使在执行 GAPMERGE 命令后,非封闭曲 线依然保持为非封闭状态 ; 黄色 – 表示非封闭边线,但在执行 GAPMERGE 后将要变为行封闭曲 GAPMERGE 线 。 在进行设置后,就可以用绘图命令来显示想要显示的曲线了: 绘图显示所有非封闭曲线 GUI 操作: 【Main Menu】 Preprocessor】 Modeling】 【 | 【 |
|【Topo Repair】|【Plt Model Gaps】|【Open Edges】

绘图显示所有封闭曲线 GUI 操作: 【Main Menu】 | 【Preprocessor】 | 【Modeling】
|【Topo Repair】|【Plt Model Gaps】|【Closed Edges】

绘图显示所有封闭曲线和非封闭曲线 GUI 操作: 【Main Menu】 Preprocessor】 | 【
|【Modeling】|【Topo Repair】|【Plt Model Gaps】|【Opn & Closed】

2.3.1.3 合并缝隙 合并缝隙 合并缝隙有两种方法,一种是手动合并(需要指定一个误差限),另一种是 自动合并(使用迭代合并工具)。对于大多数模型都是采用的自动合并功能。在 进行合并操作前建议先对模型进行保存数据库操作, 以便当合并出现意外时可以 撤销前面的操作。 自动合并 当采用自动合并时,程序会尝试采用反复迭代的方式从最低等误差限(默认 为 1 级)开始直到最高级误差限(默认为 10 级)对所有的缝隙进行合并。 自动合并 GUI 操作: 【Main Menu】【Preprocessor】【Modeling】【Topo | | | Repair】|【Mrg Model Gaps】|【Iterative】

手动合并 采用手动合并操作时建议选用最低等级的误差限(误差限的设置方法: 【Main Menu】 【Preprocessor】 Modeling】 Topo Repair】 Preferences】 , | | | | ) 】 】 【 】 【 】 【 】 如果采用过高的误差限会导致模型面型发生扭曲,因此再次提醒在操作前能对 模型数据进行保存。 手动合并 GUI 操作: 【Main Menu】【Preprocessor】【Modeling】【Topo | | | Repair】|【Mrg Model Gaps】|【By Tolerance】 小问题: 如果无法合并所有的缝隙怎么办? 这种情况是有可能出现的,对于这种情况,需要先退出拓扑修复工具箱,然后采
用其他的几何工具进行修复;

关于退出拓扑修复工具箱 如果完成了所有的拓扑修复(或者碰到上面提到的情况)你需要退出拓扑修 复工具箱,需要提请注意的是,一旦你选择退出,将不能再次进入拓扑工具箱

或者执行 GAPMERGE 命令,你只能重新以 FACETED 模式导入 IGES 模型,或者点 击“Resume“按钮,读入之前保存的模型数据。 退出拓扑修复工具箱 GUI 操作: 【Main Menu】 Preprocessor】 Modeling】 【 | 【 | |【Topo Repair】|【Finish】 2.3.2 修补几何体的缺失部分 修补几何体的缺失部分 几何体 对于合并操作不能完全解决的遗留缺陷(比如缝隙过大),ANSYS 还提供了 一整套几何修复工具用于修补。此时,需要创建新的曲线来使得边界封闭,然后 在封闭边界内创建曲面。当然,你还可以删除不必要的曲线或者曲面。 创建一个体积的一般流程: 1. 找到模型上的小洞或者不完整的边界(缝隙); 2. 用新创建的曲线或曲面近似丢失的几何体; 3. 用新创建的曲面完成体积创建 。 2.3.2.1 定位显示不完整边界 定位显示不完整边界 与查找缝隙类似,查找不完整边界同样有列表显示和绘图显示两种方法。 列表显示所有非封闭边界 GUI 操作:【Main Menu】|【Preprocessor】| 【Modeling】|【Geom Repair】|【Lst Model Gaps】|【Open edges】 列表显示所有封闭边界 GUI 操作:Main Menu】 Preprocessor】 Modeling】 【 【 | 【 | |【Geom Repair】|【Lst Model Gaps】|【Closed edges】 绘图显示所有非封闭边界 GUI 操作:【Main Menu】|【Preprocessor】| 【Modeling】|【Geom Repair】|【Plt Model Gaps】|【Open edges】(非封闭边 界以红色显示) 绘图显示所有封闭边界 GUI 操作:Main Menu】 Preprocessor】 Modeling】 【 【 | 【 | |【Geom Repair】|【Plt Model Gaps】|【Closed edges】 (封闭边界以蓝色显示) 绘图显示所有封闭边界和非封闭边界 GUI 操作:Main Menu】 Preprocessor】 【 【 | |【Modeling】|【Geom Repair】|【Plt Model Gaps】|【Opn & Closed】(封闭 边界以蓝色显示,非封闭边界显示为红色) 2.3.2.2 封闭不完整边界 在找到不封闭边界后, 可以通过在已经存在的两个关键点之间创建新的直线 段使得边界封闭。

在两个关键点之间创建直线段 GUI 操作: 【Main Menu】【Preprocessor】 | |【Modeling】|【Geom Repair】|【Fill Lines】 2.3.2.3 由完整边界创建曲面 当完成边界创建后,就可以创建位于边界内具有最小面积的面,ANSYS 会自 动寻找相连的曲面边界,然后自动创建好曲面。这里需要注意的是,要创建曲面 的曲线边界内部不能有环线,而且曲面边界中的任何一条边界只能属于一个面, 不能同时属于多个面。 由边界创建曲面 GUI 操作: 【Main Menu】 【Preprocessor】 【Modeling】 | | |【Geom Repair】|【Fill Areas】 解除非流行几何体 非流行几何 2.3.2.4 解除非流行几何体 非流行几何体包括非流形线条(Non-manifold line 见附图 8)和非流形面 (Non-manifold area),指的是附着于面域的线条或曲面,这些附着线条或曲面 对几何体不起作用,但这些非流行几何体的存在会对创建体积带来影响,因而需 要将其先解除,然后删掉。

附图 8 非流形线条 解除非流行线条 从面域解除非流形线条 GUI 操作: 【Main Menu】 Preprocessor】 Modeling】 【 | 【 | |【Geom Repair】|【Detach Lines】 删除已经解除的非流形线条 GUI 操作:【Main Menu】|【Preprocessor】| 【Modeling】|【Delete】|【Lines Only】 (Tips: 删除已经解除的非流形线条及其上的关键点 GUI 操作:【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Delete】|【Lines and Below】)

解除非流行面

从面域解除非流形面 GUI 操作: 【Main Menu】 Preprocessor】 Modeling】 【 | 【 | |【Geom Repair】|【Detach Areas】 删除已经解除的非流形面 GUI 操作:【Main Menu】|【Preprocessor】| 【Modeling】|【Delete】|【Areas Only】 (Tips: 删除已经解除的非流形面及其相关的边线和关键点 GUI 操作: 【Main Menu】【Preprocessor】【Modeling】【Delete】【Areas and Below】 | | | | )


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