创建2D有限元模型.ppt

第三章:创建2D有限元模型,学习完本章后，给定一个简单的物理现象，学员应该能够使用ANSYS创建一个2D的有限元模型.,ModuleObjective,Lesson A.实体建模的概念3-1.区别实体模型和有限元模型.3-2.四种创建几何模型的可行方法.3-3.四类实体模型图元以及它们之间的层次关系.Lesson B.工作平面3-4.定义工作平面.3-5.显示工作平面，工作平面辅助网格的开关及改变网格间距.3-6.捕捉开关，捕捉增量设置.3-7.移动工作平面.Lesson C.2D体素“primitive”3-8.定义术语体素“primitive.”3-9.列出并创建三类 2-D体素.,LessonObjectives,第三章 目的,Lesson D.图元的绘制、编号、删除3-10.绘制面、线及关键点.3-11.在图形窗口中区分图元.3-12.删除面、线及关键点.Lesson E.布尔操作3-13.布尔操作的目的，使用 Add,Subtract,and Overlap等布尔操作.Lesson F.单元属性3-14.定义材料属性、单元类型以及实常数.Lesson G.划分网格3-15.列出划分网格的四个主要步骤.3-16.使用默认设置对几何模型划分网格.3-17.单元尺寸大小.Lesson H.模型修正3-18.讨论模型修正.,LessonObjectives,第三章 目的(续),Lesson A.实体建模的概念,实体模型及有限元模型,Objective,3-1.区分实体模型与有限元模型,现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模.类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷.但是，几何实体模型并不参与有限元分析.所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（节点或单元上）进行求解.由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分（meshing).,Meshing,几何实体模型,有限元模型,几何实体模型和有限元模型的来源,Objective,3-2.四种创建模型的方法.,总共有四种途径创建ANSYS模型（包括几何实体模型和有限元模型），如下表所示：,ANSYS中的图元,(即使想从CAD模型中传输实体模型，也应该知道如何使用ANSYS建模工具修改传入的模型.)下图示意四类图元.,体(3D模型)由面围成，代表三维实体.面(表面)由线围成.代表实体表面、平面形状或壳（可以是三维曲面）.线(可以是空间曲线)以关键点为端点，代表物体的边.关键点(位于3D空间)代表物体的角点.,Areas,Volume,Keypoints,Lines,Area,Objective,3-3.四类实体模型图元,以及它们之间的层次关系.,ANSYS中图元(续),层次关系,从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为：关键点（Keypoints）线（Lines）面（Areas）体（Volumes）,提示:如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.,Keypoints,Lines,Areas,Volumes,Ill justchangethis line,Lines,Keypoints,Areas,Volumes,OOPs!,Lesson B.工作平面,工作平面,Objective,3-4.定义工作平面,工作平面(WP)是一个可移动的参考平面，类似于”绘图板“。,wy,wx,x,y,工作平面,Definition,原点,辅助网格，间距可调,工作平面(续),工作平面控制,移动工作平面的选项,有关坐标系统的选项(将在以后的课程中讨论),Utility Menu:WorkPlane,工作平面(续),要显示工作平面:Utility Menu:WorkPlane Display Working Plane,显示工作平面标记，表示工作平面的原点.,Objective,3-5.显示工作平面，辅助网格的开关及密度控制,工作平面(续),工作平面辅助网格开关:Utility Menu:WorkPlane WP Settings.,选取二者其中任意一个，显示工作平面辅助网格，然后选择OK 或 Apply.,辅助网格间距,改变辅助网格的间距:Utility Menu:WorkPlane WP Settings.,输入间距值，然后选择OK 或Apply.,间距为0.1,间距为 0.05,捕捉功能,Objective,3-6.捕捉开关及捕捉增量.,在徒手创建几何图元时，捕捉功能用离散的、可控的增量代替光滑移动，更精确地选取坐标或关键点等.,捕捉功能的特点:捕捉可以打开或关闭.捕捉增量可调.捕捉增量可设置与工作平面间距相等(相当于在坐标纸上绘图).,捕捉功能(续),打开或关闭捕捉:Utility Menu:WorkPlane WP Settings.,选取则打开捕捉，不选取则关闭捕捉，然后选择OK 或 Apply.,捕捉功能(续),要修改捕捉增量:Utility Menu:WorkPlane WP Settings.,输入捕捉增量，然后选择OK 或Apply.,图示为使用捕捉功能画矩形，其中捕捉增量等于辅助网格间距.,移动工作平面,Objective,3-7.移动工作平面.,工作平面原点的缺省位置与总体坐标原点重合，但可以平移工作平面，便于创建2D几何模型.,缺省：工作平面原点与总体坐标原点重合.,移动了工作平面以后.,移动工作平面(续),设定平移量,将工作平面平移到一个目标上,定义工作平面的取向,注:从当前的工作平面位置进行平移操作.,移动工作平面(续),要以设置增量方式平移工作平面:Utility Menu:WorkPlane Offset WP by Increments.,选择方向平移工作平面，然后选择OK 或 Apply.,工作平面及激活的坐标系统,工作平面是2D的绘图板，用于定位在建模过程中几何项目.Main Menu:Modeling Create Keypoints On Working Plane+,总体及局部坐标系统（例如柱坐标，用户定义坐标等）用于设定几何项目在空间的位置.Main Menu:Modeling Create Keypoints In Active CS.,激活坐标系统可以与工作平面重合，也可以是总体坐标（或局部坐标）系统。这个话题将在后面的课程中详细描述.,Lesson C.2-D 体素,2-D 基本体素,Objective,3-8.定义术语 体素“primitive”.,体素是指预先定义好的、具有共同形状的面或体.,Definition,注:体素类似于 Microsoft Power Point 中的 Auto Shapes.,2-D 体素(续),Objective,3-9.列出并创建三种2D体素.,ANSYS中的 2D 体素:,矩形,圆,多边形,2-D 基体素(续),创建2D体素:Main Menu:Preprocessor-Modeling-Create,选择以“”结尾的菜单，将弹出拾取菜单(见下页），提示通过拾取方式创建体素.,选择By Dimensions.将弹出对话框，提示输入体素的坐标.,对话框示例,2-D 体素(续),以拾取方式创建示例,1.阅读输入窗口中的提示.,拾取菜单,2.按照提示在图形窗口通过鼠标左键拾取坐标或几何元素，然后在此对话框中选择 OK 或 Apply.也可以在对话框中输入，代替鼠标拾取.,2-D 基本体素(续),以拾取方式创建示例（续）,a.单击一次鼠标左键定义第一个对角顶点.,b.移动鼠标确定第二个对角顶点，注意“橡皮筋”效果.,c.单击一次鼠标左键定义第二个对角顶点.,注意ANSYS自动将创建的模型放大或缩小到整个图形窗口.,2-D 体素(续),需要牢记的,创建一个矩形，等于自动创建了9个图元，4个关键点，4条线，1个面.,创建的面将位于工作平面内，定义取决于工作平面的坐标系.ANSYS 将自动对每个图元编号.,Oh yeah!I rememberthese entity things.,Lesson D.图元的绘制、编号、及删除,绘制,创建2D体素后，ANSYS缺省绘制面.,也可以绘制低阶的图元，例如线,.或 关键点.,Objective,3-10.绘制面，线及关键点.,绘制（续）,要绘制面，线或关键点:Utility Menu:Plot Keypoints or Lines or Areas,区分图元,打开面编号的结果,Objective,3-11.在图形窗口中区分图元.,当多个图元同时在图形窗口中显示时，可以通过打开某种图元类型编号来区分它们，这些图元以不同的标号和颜色显示.,区分图元(续),打开编号显示:Utility Menu:PlotCtrls Numbering.,选取需要的项目，然后选择OK.,控制是否编号和颜色同时显示(缺省),只显示编号,或只显示颜色.,区分图元,需要牢记的,编号显示在图元的“热点”上.,对于面或体，热点为图形中心.对于线，有三个热点:,.,.,为什么这一点非常重要:需要在图形窗口拾取取图元时，应该点取图形的热点，确保拾取所需要的图元。这对于有多个图形重叠的情况非常重要.（如上图）,区分图元,关于编号字体的大小,在PC上运行ANSYS，缺省的编号字体比较小，可按下述方法放大：,要放大编号字体:1.Utility Menu:PlotCtrls Font Controls Entity Font.2.选择需要的字体、尺寸等3.选择 OK.4.Utility Menu:Plot Replot,删除图元,Objective,3-12.删除面，线及关键点.,当删除图元时，ANSYS提供两种选择:可以只删除指定的图元，保留这个图元所包含的低阶图元也可以连这个图元包含的低阶图元一块删去.,只删除面，保留面上的线及关键点,删除面以及面所包含的低阶图元（线，关键点）,删除图元(续),要删除一个或多个图元:Main Menu:Preprocessor-Modeling-Delete,在图形窗口中拾取一个或多个图元（本例中为面），然后选择OK.,选择图元(注意前页所述两种方式）.,Multi-Plots,使用 Multi-Plots 功能,ANSYS 将在图形窗口同时显示显示所有数据（包括体、面、线、关键点，以及节点、单元）.,要使用 multi-plot:Utility Menu:Plot Multi-Plots,根据编号对话框中的设置，显示编号及颜色.,Lesson E.布尔操作,布尔操作,Objective,3-13.布尔操作的目的，使用 Add,Subtract,and Overlap 等布尔操作.,布尔操作 是指几何图元进行组合计算.ANSYS的布尔操作包括add,subtract,intersect,divide,glue以及 overlap.它们不仅适用于简单的体素中的图元，也适用于从CAD系统传入的复杂几何模型.,WZ,WY,WX,Definition,这个看起来复杂的模型，实际上是一个方块与一个空心的球进行求交（intersect）布尔操作的结果.,布尔操作(续),选择图形类型.将弹出 选取菜单(见下页)提示选择图形进行布尔操作.,要使用布尔操作:Main Menu:Preprocessor-Modeling-Operate,选择一种布尔操作(例如：Add),布尔操作(续),1.阅读输入窗口的提示信息.,拾取菜单示例,2.根据提示在图形窗口拾取取图形，然后在选取对话框中选择OK或APPLY.,布尔操作(续),需要牢记的,在缺省情况下，布尔操作完成后，输入的图元被删除.被删除的图元编号变成“自由”的(这些自由的编号将附给新创建的图元，从最小的自由编号开始).要想找出哪些图元在布尔操作后仍然彼此相互干扰，用 Pick/Select lines(by Num/Pick).选取 Looping 来确定连接在一起作为一个图元一部分的全部线.,Lesson F.单元属性,单元属性,单元属性是指在划分网格以前必须指定的所分析对象的特征.这些特征包括:材料属性单元类型实常数,Definition,材料属性,ANSYS所有的分析都需要输入材料属性-例如在结构分析至少要输入材料的杨氏模量EXX，热分析至少要输入材料的导热系数等KXX.,Objective,3-14.定义材料属性、单元类型以及实常数.,材料属性（续）,下表是ANSYS全部的材料属性.,定义材料属性,要定义材料属性:Main Menu:Preprocessor Material Properties-Constant-Isotropic,例如:定义恒定的各向同性材料属性,1.选择 OK 定义第一种材料.2.在相应的框中输入材料属性值(如果需要可使用滚动条).3.选择 OK.,ANSYS分析中的单位制,除了磁场分析以外，用户不需要告诉ANSYS使用的是什么单位制.只需要自己决定使用何种单位制，然后确保所有输入的值的单位制保持统一(ANSYS并不转换单位制).ANSYS读入输入的数值，并不检验单位制是否正确.注意:/UNITS 命令只是一种简单的记录，告诉别的人现在使用的单位制.单位制将影响输入的实体模型尺寸、材料属性、实常数以及载荷等.,定义单元类型,设定单元类型:Main Menu:Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete,1.选择 Add.,定义单元类型(续),2.选择 Help 得到关于单元类型的信息.,3.选择单元图示摘要.,4.选择 Go To.,定义单元类型(续),5.使用图示摘要可以帮助选择单元类型.如果需要某种单元的详细描述，点取单元图形即可.当选定了单元类型后，记住名称和代号，选择 choose File Exit退出.,定义单元类型(续),7.选择单元类型.,6.选择单元分类.,8.选择 OK.,定义单元类型(续),9.如果必要，选择 Options 修改单元选项.以下是PLANE82的单元选项设置.,10.选择 Close 结束单元类型定义.,选择 Help 得到更多单元选项的帮助.,ANSYS“实常数”,实常数是针对某一单元的几何特征,例如:梁单元的横截面积.壳单元的厚度.分析用中到的单元的实常数，可以查阅单元在线帮助.注意并不是所有的单元都需要实常数.,Definition,定义实常数,选择了单元类型后，定义单元实常数:Main Menu:Preprocessor Real Constants,1.选择 Add.,2.选择要定义的实常数是针对哪种单元类型.,3.选择 OK.,定义实常数(续),5.选择 e OK.,4.输入实常数.,6.如果要定义另一实常数，选择 Add 并重复25步.,7.结束实常数定义，选择 Close.,Lesson G.网格划分,网格划分,Objective,3-15.划分网格四个主要步骤.,网格划分主要包括以下四个步骤:1.定义单元属性(单元类型、实常数、材料属性).2.设定网格尺寸控制(控制网格密度).3.网格划分以前保存数据库.4.执行网格划分.,Objective,3-16.使用缺省设置划分网格.,网格划分(续),要进行网格划分:Main Menu:Preprocessor MeshTool,1.给图元定义单元属性(体、面等).,2.设定网格密度控制.3.保存 DB,然后执行网格划分.4.将出现拾取对话框，提示拾取要划分网格的图元.拾取后选择OK或 Apply.,网格划分(续),如果没有对网格进行任何控制，ANSYS将使用缺省设置:自由网格划分，即四边形网格划分(2-D 模型)，其中可能包含少量三角形.单元尺寸由ANSYS确定(通常是比较合理的).单元属性为：类型为1,材料为1,实常数为1.,网格划分(续),ANSYS网格划分中有许多不同的单元尺寸控制方式:“Smart Sizing”总体（“Global”）单元尺寸指定的线上的单元分割数及间距控制给定关键点附近的单元尺寸控制层网格划分-在壁面附近划分较密的的网格(适于模拟 CFD 边界层及电磁分析中的 skin effects)网格细化-在制定区域细化网格(并不清除已经划好的)上述每种控制方法都有自己特定的用途。尽管它们可以混合使用,但有些会有冲突.通常一次使用12种控制方法.,Objective,3-17.单元尺寸.,网格划分(续),要使用智能网格划分:Main Menu:Preprocessor MeshTool,选择 Smart Size 然后移动滚动条设置所需的数值.,最高效的控制方法是智能网格划分 Smart Sizing.它考虑几何图形的曲率以及线与线的接近程度.可将滚动条设置在1（最密的网格）到10（最粗的网格）之间，一般建议设定在48之间.,Lesson H.模型修正,模型修正,清除网格，意味删除节点和单元.要清除网格，必须知道节点和单元与图元的层次关系.,Keypoints,Lines,Areas,Volumes,Ill try tochangethis lineagain,Lines,Keypoints,Areas,Volumes,Oh No!Its worsethan before,Nodes,Elements,Elements,Nodes,Objective,3-18.讨论模型修正.,清除网格(续),出现拾取框后，在图形窗口中拾取要清除的图元.并选择 OK 或 Apply执行.,要清除网格:Main Menu:Preprocessor MeshTool,Choose Clear.,模型修正,要修正一个已经划分了网格的模型:1.清除 要修正的模型的节点和单元.2.删除 实体模型图元（由高阶到低阶）.3.创建 新的实体模型，代替旧模型.4.对新的实体模型划分网格.,(a)Original meshed model,(b)Mesh cleared,(c)Solid model modified,(d)Revised remeshed model,