几何建模技术与技巧

第2章几何建模技术与技巧ANSYS中的模型可分：★几何模型(也称实体模型)★有限元模型ANSYS求解必须使用有限元模型。几何模型通过定义各种属性和网格划分转成有限元模型，从而才能进行计算分析。ANSYS的建模方法：●直接建模：直接在ANSYS中建立有限元模型，而不必先建几何模型。先对结构进行节点和单元编号，然后输入节点坐标建立节点，再输入每个单元的节点编号，从而建立有限元模型。该方法缺点是大量输入数据令人无法忍受，且对于复杂的3D实体靠人工去划分网格极易出错。●几何建模：在ANSYS软件中建立模型和从其它CAD软件导入模型。如建模软件如AutoCAD、Pro/E、SolidWork、UG、SolidEdge等。●混合建模：在几何建模并网分后，再增加其它单元或特征的方法。该法基本是在有限元模型生成后，再建立少量的单元，例如接触单元、约束方程、耦合自由度等。2.1坐标系和工作平面2.1.1坐标系类型6类坐标系：总体坐标系、局部坐标系、节点坐标系、单元坐标系、显示坐标系与结果坐标系。1.总体坐标系用于确定空间几何结构的位置，是一个绝对的参考系。☆原点相同，右手系；☆坐标系号:0--直角坐标系，1--柱坐标系，2--球坐标系☆可使用任意坐标系，但某时刻只能激活一个。☆总体坐标系均用X、Y、Z表示，当激活的不是直角坐标系时，应理解为柱坐标系的R、θ、Z或球坐标系的R、θ、Φ。2.局部坐标系对于复杂的几何模型，仅使用总体坐标系不够方便，这时可建立自己的坐标系，即局部坐标系。☆局部坐标系的原点和坐标轴方向可与总体坐标系不同☆有4种坐标系，即直角坐标系、柱坐标系、球坐标系、环坐标系。☆局部坐标系的编号必须≧11，且为整数号码。总体坐标系和局部坐标系主要用于几何建模。3.节点坐标系★节点坐标系主要用于定义节点自由度的方向。★每个节点都有自己的节点坐标系，缺省的节点坐标系的方向平行于总体直角坐标系，而与建立节点时所用的坐标系无关。★当施加不同于总体坐标系方向的约束或荷载时，需要旋转节点坐标系到需要的方向，然后再施加约束或荷载。★在时程后处理（POST26）中，节点结果如节点位移、节点荷载和支座反力等都是以节点坐标系方向表示。★在通用后处理（POST1）中，节点结果数据均以结果坐标系表示。4.单元坐标系每个单元都有自己的单元坐标系，用于定义单元材料性质、面荷载和单元结果的方向。单元坐标系的缺省方向遵循以下规则：●线单元（杆、梁单元）的X轴通常从I节点指向J节点，Y和Z轴可由节点K或θ确定；当节点K省略且θ=0时，单元的Y轴总是平行于总体坐标系的XY平面；当单元的X轴平面于总体坐标系的Z轴时，单元的Y轴与总体坐标系的Y轴相同。●壳单元的X轴通常也从I节点指向J节点，Z轴通过I节点且与壳面垂直，其正方向由单元的I、J、K节点按右手规则确定。●2D/3D实体单元坐标系的方向总是平行于总体直角坐标系。5.显示坐标系显示坐标系用来定义几何元素被列表或显示的坐标系。缺省时几何元素列表总是显示为总体直角坐标系，而不管它们是在何种坐标系下生成的。显示坐标系的改变会影响到图形显示和列表，无论是几何图素或有限元模型都将受到影响。但是边界条件符号、向量箭头和单元坐标系的三角符号都不会转换到显示坐标系下。显示坐标系的方向是X轴水平向右，Y轴垂直向上，Z轴垂直屏幕向外。当DSYS0时，将不显示线和面的方向。6.结果坐标系结果坐标系用于列表、显示或在通用后处理中将节点或单元结果旋转到一个特定坐标系中。求解结果如节点位移、单元应力或应变等，以节点坐标系或单元坐标系保存在文件中，在显示或列表时，均按当前激活的结果坐标系。缺省时结果坐标系与总体直角坐标系平行。2.1.2坐标系的定义与激活缺省情况下总是激活总体直角坐标系，用户每定义一个局部坐标系则该坐标系自动被激活。如果要激活一个总体坐标系或以前定义的局部坐标系则要通过菜单或命令。1.激活总体和局部坐标系命令：CSYS,KCN其中KCN表示坐标系号码，0-直角坐标系（缺省），1-柱坐标系，2-球坐标系，4-以工作平面为坐标系，5-柱坐标系（以Y轴为转轴），≥11-局部坐标系。由于工作平面可不断移动和旋转，因此当采用CSYS,4时也相当于不断定义了局部直角坐标，在很多情况下应用非常方便。2.定义局部坐标系⑴根据总体坐标系定义局部坐标系命令：LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2其中：KCN---局部坐标系编号，此编号必须大于10，如果与既有编号相同，则将重新定义KCS---坐标系类型，0或CART为直角坐标系，1或CYLIN为柱坐标系，2或SPHE为球坐标系，3或TORO为环坐标系。XC,YC,ZC---新坐标系原点在总体直角坐标系中的坐标。THXY,THYZ,THZX---新坐标系绕Z,X,Y轴的旋转角度，其正方向为：XY,YZ,ZX。PAR1---适用于椭圆、类似球体或环形系统，当KCS=1或2时，其值为椭圆Y轴半径与X轴半径之比，缺省为1即圆。当KCS=3时，其值为环面的主半径。PAR2---仅适用于类似球体的系统，当KCS=2时，其值为椭球体Z轴半径与X轴半径之比，缺省为1。例如：LOCAL,11,0,3,4,5,10,15,20---定义了局部坐标系号为11，原点为总体直角坐标系下的点（3,4,5），绕Z、X、Y轴旋转角度分别为10°、15°、20°的直角坐标系。例如：LOCAL,12,1,,,,,,,0.8---定义了局部坐标系号为12，原点和方位与总体坐标系相同的柱坐标系，但Y轴半径与X轴半径之比为0.8，用于定义椭圆。当KCN=2时，PAR2为Z轴半径与X轴半径之比，用于椭球的定义。⑵根据已有的三个节点定义局部坐标系命令：CS,KCN,KCS,NORIG,NXAX,NXYPL,PAR1,PAR2⑶根据已有的三个关键点定义局部坐标系命令：CSKP,KCN,KCS,PORIG,PXAXS,PXYPL,PAR1,PAR2⑷根据当前工作平面定义局部坐标系命令：CSWPLA,KCN,KCS,PAR1,PAR2例如：CSWPLA,12,1---定义的局部坐标系号为12，原点在工作平面的坐标原点，其XY平面与工作平面相同，为柱坐标系。⑸根据激活的坐标系定义局部坐标系命令：CLOCAL,KCN,KCS,XL,YL,ZL,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2⑹删除局部坐标系命令：CSDELE,KCN1,KCN2,KCINC其中：KCN1---为要删除的局部坐标系的起始编号，如果KCN1=ALL，则其后参数将忽略。KCN2---为要删除的局部坐标系的最终编号。KCINC---为编号的递增数值，缺省为1。例如：CSDELE,ALL---则删除了所有的局部坐标系。CSDELE,11,15,2---则删除了11、13、15号局部坐标系。⑺查看激活坐标系和局部坐标系命令：CSLIST,KCN1,KCN2,KCINC例如：CSLIST,ALL---则列表显示所有坐标系，并列出相关信息。3.节点坐标系的旋转与修改⑴将某些节点的坐标系旋转到与当前激活坐标系（简称“当前坐标系”）方向一致命令：NROTAT,NODE1,NODE2,NINC其中NODE1、NODE2、NINC---要旋转节点的起始号、末编号（缺省为NODE1）及递增值（缺省值为1）。如NODE1=ALL则其后参数将被忽略，NODE1也可为元件名。例如：NROTAT,3,6---使3,4,5,6节点的节点坐标系方向与当前坐标系方向相同。⑵将既有节点的节点坐标系旋转某个角度命令：NMODIF,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZXNODE---节点号、ALL或元件名称。X,Y,Z---该节点的新坐标值。其余参数意义同前。例如：NMODIF,8,,,,15---修改节点8的节点坐标系方向，使之绕Z轴旋转15°。⑶在创建节点时直接定义其坐标系的旋转角度命令：N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX例如：N,4,1,2,4,10,15,30---表示新建4号节点在当前坐标系中的坐标为1,2,4，其节点坐标系绕Z,X,Y轴的角度分为10°、15°和30°。⑷按方向余弦旋转节点坐标系命令：NANG,NODE,X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3,Z1,Z2,Z3⑸节点坐标系列表命令：NLIST,NODE1,NODE2,NINC,Lcoord,SORT1,SORT2,SORT3Lcoord---坐标列表信息，缺省为全部信息，=COORD时仅列XYZ坐标。SORT1---用于排序的第1项内容，可以是NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THXZ。SORT2,SORT3---用于排序的第2项和第3项内容，其内容同SORT1。例如：NLIST,3,9,3,,THXY,THYZ,THXZ---列出节点3,6,9相对总体直角坐标系的旋转角度。NLIST,3,9,3---则列出节点3,6,9所有信息。4.单元坐标系的定义与修改⑴设置单元坐标系命令：ESYS,KCN其中KCN为坐标系编号，KCN=0（缺省）表示使用单元定义时规定的坐标系方向。当KCN=N（N10）时使用编号为N的局部坐标系。也即只能通过局部坐标系定义单元坐标系的方向，若要定义单元坐标系方向与总体坐标系方向相同，则应先定义一个与总体坐标系一致的局部坐标系，再利用该局部坐标系定义单元坐标系方向。⑵修改单元坐标系方向命令：EMODIF,IEL,STLOC,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8IEL---单元编号，或ALL，或元件名。STLOC---将要修改的第一个节点序号或属性，属性之一为ESYS，则I1为局部坐标号。例如：EMODIF,4,ESYS,13---将4号单元的单元坐标系与12号局部坐标系一致。5.激活显示坐标系命令：DSYS,KCN其中KCN---坐标系号，可为0,1,2及局部坐标系号。缺省为总体直角坐标系。6.激活结果坐标系命令：RSYS,KCN其中KCN---坐标系号，可为0（缺省）,1,2及局部坐标系号。当KCN=SOLU时，则与求解计算时采用的坐标系相同，实际上采用数据存储时的坐标系。2.1.3定义工作平面工作平面是一个具有原点、二维坐标系、捕捉增量和格栅的无限大平面。●在缺省却况下，工作平面是总体直角坐标系的XY平面●工作平面只有一个，且与坐标系是独立的。●工作平面可以想象成一个绘图板，可拖动或旋转，其坐标系方位随着移动和旋转而不断变化，利用它可使建模更加方便。1.将既有坐标系的XY平面定义为工作平面命令：WPCSYS,WN,KCN其中KCN为既有坐标系号，可以是0,1,2,或局部坐标系号。缺省为激活的坐标系。●如果工作平面位于直角坐标系下，则工作平面的坐标系也为直角坐标系。●如果位于柱或球坐标系下，则工作平面的坐标系为极坐标系。●如果WN为负值，则不改变视图方向。或者在移动或旋转工作平面后，直接恢复到缺省状态。2.通过3个坐标点定义工作平面命令：WPLANE,WN,XORIG,YORIG,ZORIG,XXAX,YXAX,ZXAX,XPLAN,YPLAN,ZPLAN3.通过3个节点定义工作平面命令：NWPLAN,WN,NORIG,NXAX,NPLAN4.通过3个关键点定义工作平面命令：KWPLAN,WN,KORIG,KXAX,KPLAN5.通过垂直于线上的某个位置定义工作平面命令：LWPLAN,WN,NL1,RATIO2.1.4工作平面的操控1.工作平面的当前状态查看当前状态的命令：WPSTYL,STAT恢复到ANSYS默认状态的命令：WPSTYL,DEFA2.移动工作平面⑴将工作平面沿其自身坐标轴移动命令：WPOFFS,XOFF,YOFF,ZOFF其中XOFF,YOFF,ZOFF为工作平面坐标系内沿其X轴、Y轴和Z轴的偏移增量。例如：WPOFF,10,-20---将工作平面沿其X轴相对偏移10，沿其Y轴相对偏移-20。⑵将工作平面移动到一组关键点的中间位置命令：KWPAVE,P1,P2,P3,P4,P5,P