玩转ansys——微机械车轮的实体建模与网格化

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前言

实验所用软件版本：ansys10.0

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一、实验说明

（一）基本思路

有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征，即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。广义上讲，模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件，以及其他用来表现这个物理系统的特征。

建立模型的典型步骤：
(1)确定分析目标及模型的基本形式，选择合适的单元类型并考虑如何建立适当的网格密度。
(2)进入前处理（PREP7）建立模型，一般情况下利用实体建模创建模型。
(3)建立工作平面。
(4)利用几何元素和布尔运算操作生成基本几何形状。
(5)激活适当的坐标系。
(6)用自底向上方法生成其他实体，即定义关键点后生成线、面和体。
(7)用布尔运算或编号控制适当地连接各个独立的实体模型域。
(8)生成单元属性表。
(9)设置单元属性指针。
(10)设置网格划分控制以建立需要的网格密度。若需用自动网格划分功能，应在 退出前处理后激活自适应网格划分。
(11)通过划分实体模型的网格生成节点和单元。
(12)在生成节点和单元后定义面与面的接触单元、自由度耦合及约束方程等。
(13)保存模型数据为 Jobname.DB
(14)退出前处理

（二）实验问题模型图

二、实验内容与步骤

（一）创建 2D 模型

1. 生成3个矩形面：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > areas > Rectangle > By Dimensions。弹出Create Rectangle By Dimensions对话框。依次输入三个平面的参数，单击Apply，如图所示。
   
   

2. 面相加操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas, 弹出一个拾取框单击Pick All，结果如图 所示。

3. 打开线编号：Utility Menu > PlotCtrls > Numbering。结果如图

4. 显示线：Utility Menu > Plot > Line，如图 1- 7。

5. 线导角：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Line Fillet. 然后依次分别拾取线7和14、7和16、13和5、5和15，如图所示。

6. 打开关键点编号：Utility Menu > PlotCtrls > Numbering。弹出 Plot Numbering Controls 对话框。选择Keypoint Number复选框。

7. 生成圆弧线：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Line > Arcs > By End KPs&Rad, 然后重复对编号9、10及11的关键点生成圆弧，最后单击OK按钮，生成图所示。

8. 由线生成面：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > By Lines,弹出一个拾取框。拾取编号为13、8、14的线，单击Apply按钮分别拾取编号“15、7、16”“17、18、5”“19、6、20”“9、10”“11、12”进行生成面的操作，最后单击OK 按钮，如图 所示。

9. 面相加：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas, 弹出一个拾取框。单击Pick All按钮，如图。

（二）生成 3D 模型

10. 定义两个关键点（用来定义旋转轴）：Main Menu > Preprocessor > Create > Keypoints > In Active CS。再NPT=51, X=0, Y=5, Z=0, 单击OK按钮。

11. 2D拖动生成 3D：Main Menu > Preprocessor > Operate > Extrude > Areas > About Axis, 弹出一个拾取框。单击按钮，然后拾取定义的两个编号为 50、51 的关键点，单击 OK 按钮。 弹出的Sweep Areas about Axis 对话框，在后面的文本框中输入圆弧角为45度，输入NSEG=2，即生成的实体由两个块体组成，单击OK按钮。

12. 关闭线编号显示：Utility Menu > PlotCtrls > Numbering,清除Line Number复选框，单击OK按钮。

13. 改变视图方向：Utility Menu > PlotCtrls > Pan Zoom Rotate，如图所示。

14. 显示工作平面:Utility Menu > WorkPlane > Display Working Plane。

15. 移动工作平面: Utility Menu > WorkPlane > Offset WP to > KeyPoint, 弹出一个拾取 框，拾取编号为27和28的关键点，单击 OK 按钮。

16. 旋转工作平面：Utility Menu > WorkPlane > Offset WP by Increments,

17. 生成一个实心圆柱MainMenu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Cylinder > By Dimensions, 弹出一个Create Cylinder by Dimensions 对话框，在RAD1栏中输入0.45, 在 Z1, Z2中分别输入1, -2, 单击OK按钮生成实心圆柱，如图所示。

18.体相减 MainMenu >Preprocessor >Operate >Booleans >Subtract >Volumes, 弹出一个 拾取框。拾取编号为V1和V2的体，单击OK按钮，然后拾取编号为V3的圆柱体，单击OK按钮，生成图如图。

19. 体相加操作：Main Menu > Preprocessor > Operate > Booleans > Add > Volumes, 弹出一个拾取框。单击Pick All按钮。
20. 保存结果数据文件: Utility > File > Save as, 弹出Save as对话框，输入Wheel_3D， 单击OK按钮。
21. 改变当前坐标系为全局柱坐标系：Utility Menu > Work Plane > Change Actives CS to > Global Cylindrical Y。
22. 平移工作平面到当前坐标系：Utility Menu > Work Plane > Align WP to > Actives coordSys。
23. 复制生成整个年轮：Main Menu > Modeling > Volumes , 弹出一个拾取框，单击Pick All按钮，又弹出一个对话框，填写如图数据，单击OK按钮，生成整个年轮图，如图所示。

（三）车轮的网格划分

在有些几何实体模型中一部分具有一定的规则性，可按映射网格生成有限元网格，但有的部分不满足映射网格的划分条件，只能用自由网格划分。这时可将模型的两部分分别用映射网格和自由网格划分。但要注意两种网格之间的过渡，否则将会出现意想不到的错误。

24. 轮的3D结构图以及轮的部分结构剖视图，如图所示。

25. 读入数据：Utility Menu > File > Resume Form > Wheel_3D。
26. 选择单元类型：Main Menu > Preprocessor > Element type >Add/Edit/Delete, 弹出 Element Type对话框，单击Add按钮，显示Library of Element Type对话框。在Library of Element Type下拉列表框中选择Structural Solid选项，在右侧选择Brick 8node45选项。单击 Apply按钮，选择Brick 20node95选项，如图所示。单击OK按钮，单击Close按钮。

27. 打开工作平面移动工具栏：Utility Menu > WorkPlane > Offset WP by Increments。
28. 移动工作平面到关键点：Utility Menu > WorkPlane > Offset WP to > Keypoints, 弹出一个拾取框。拾取编号为29的关键点，单击OK按钮。
29. 旋转工作平面：在Offset WP 中的XY、YZ、ZX文本框中分别输入0，-90，0后按回车确定。
30. 用工作平面切分体：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Divide > Volu by WrkPlane, 单击Pick All按钮。
31. 移动工作平面到关键点：重复28的操作，拾取的点为编号为6的关键点。
32. 用工作平面切分体：重复30的操作。
33. 显示体。
34. 设置单元尺寸：Main Menu > Preprocessor > Meshing > Sizecntrls > Manualsize > Global > Size, 弹出Mesh Tool的工具栏。单击Global中的Set按钮，弹出Global Element Sizes对话框。输入Size = 0.25，如图所示。

35. 采用映射网格生成单元：选择Mesh Tool工具栏Shape下Hex/Wedge和Sweep, 单击Sweep按钮，弹出一个拾取框。拾取编号为V1、V2、V3 和V5，单击OK按钮。结果如图所示。

36. 改变单元类型：Mesh Tool工具栏中Element Attribute下的Set，弹出Meshing Attributes对话框。在Element Type Number下拉列表框中选择SOLID95选项，单击OK按 钮。

37. 设置单元尺寸：Main Menu > Preprocessor > Meshing > Sizecntrls > Manualsize > Global > Size如图所示。采用自由网格化，拾取编号为V6的实体，单击OK按钮，生成图如图所示。

37. 转变单元类型：Main Menu > Preprocessor > Mesh > Modify Mesh > Change Tets, 弹出Change Selected Degenerate Hexes to Non-degenerate Tets对话框。在Change From下拉列表框中选择95 to 92选项，单击OK按钮。

38. 显示SOLID95的四面体单元：Utility Menu > Select > Entities, 弹出工具栏，在两个下拉列表中分别选择Element和By Attributes, 在复选框中选择Elem type num, 并在 Min, Max, Inc的文本框中输入2，单击OK按钮。

40. 显示单元，如图所示。

42. 保存有限元模型数据：Utility Menu > File > Save as。弹出对话框。在文本框中自定 义文件名shiyan1。单击OK按钮。

至此本实验就算完成了

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总结

坐标系的调整很重要，希望读者在进行实验操作过程中，可以仔细体会各个功能键的作用。本实验博主所以的ansys版本较低，所以源码没有什么普适性，就不附上链接了，有需要的评论区找我！