ANSYS结构分析:几何前处理
2019/11/02 00:10:45
产品的几何模型往往是从产品的功能出发，尽可能的要与产品的实际结构保持一致。但在有限元分析中不同，建立几何模型作为前处理的第一步，其目的在于帮助建立有限元模型，因此几何前处理首先要考虑的是怎样在保证精度的情况下，减小划分网格的难度，要想达到这一点，就需要设计人员正确的选择几何模型的建立方法，并且对初始模型进行合理的简化。
一、ANSYS建立几何模型的方法ANSYS中几何模型的建立主要有两种方式：
1.导入由其他CAD软件（如Solidworks、UG等）建立的几何模型。导入几何模型需要在CAD软件中将模型以*.x_t格式保存，再将模型文件导入到ANSYS中，该方法常用于结构较为复杂的几何模型，同时在实际的工程应用中也较为普遍。对于新产品的设计，设计人员往往先给出的是产品的三维模型，接着需要CAE工程师根据三维模型建立其有限元模型，通常直接将三维模型导入到ANSYS软件中再进行处理是较为方便的，这样做的好处是方便快捷，省去了在ANSYS中重新建模的繁复的步骤，坏处是可能会给之后模型的修改带来一些不便。
2.在ANSYS中直接构建几何模型。对于一些结构较为简单的几何模型，可以选择在ANSYS软件中直接建模。ANSYS中建立几何模型又可以分为自下而上和自上而下两种方式，前者即点—线—面—体，由底层到高层的建模方式；后者则直接建立较高图元对象，对应的较低图元对象将自动产生，如直接建立体，则其所对应的面、线、点也将同时生成。两种建立几何模型的方式可以根据用户的实际需要自由组合。
二、ANSYS建立几何模型的工具ANSYS产品中包含了多种前处理模块，除经典ANSYS Mechanical APDL中的前处理模块外，还有ANSYS SpaceClaim Direct Modeler和ANSYS DesignModeler等。
DesignModeler是集成于Workbench平台上的一款三维建模软件，提供丰富的三维建模工具来建立全参数化的几何模型，模型可以在任意ANSYS仿真软件中进行分析计算，也可以传到ANSYS DesignXplorer优化模块中进行优化分析。
SpaceClaim是一款三维实体直接建模软件，是世界首个自然方式3D设计系统，SpaceClaim最显著的两个特点，一是全参数化，它的全参数化有别于DesignModeler软件，DesignModeler软件参数化的参数必须是采用DesignModeler软件创建，而SpaceClaim软件可以抽取外部CAD软件建立的模型参数并且进行参数化。二是直接建模，用户如果需要修改模型，SpaceClaim软件可以直接修改外部CAD软件导入的几何模型，无需担心底层技术，并且它基本兼容所有的主流CAD软件。
三、关于几何模型的抽象从理论上来讲，真实的对象都为3D模型，当他们在某一个方向上具有一定的特征时，才将3D模型等效为2D模型或1D模型。当选择梁单元、管单元或者杆单元进行分析时，常常仅需要建立结构的1D模型，如在铁轨的结构分析中，若用梁单元BEAM188来建立其有限元模型，则可以用直线模型来模拟铁轨，铁轨的截面形式可以在梁单元的输入选项中进行定义。2D实体模型主要用于薄板结构（平面应力问题）或具有等截面的“无限长”结构（平面应变问题）。3D壳模型主要用于三维空间的薄板结构，3D实体模型用于一般性的较为复杂的三维空间结构。
若进行初步设计，可以先建立对象的1D或2D模型完成特征分析，再决定是否进行下一步的设计；若进行详细设计，则应该建立对象的3D模型进行分析，并采用2D模型或1D模型进行验证性测试；对于一些具有对称性特征的模型，则可以只建立模型的部分特征，通过施加对称约束进行分析，从而大大的减小计算量。
四、关于几何模型的简化在保证计算可靠性(Reliability)的同时，提高求解的效率，是模型简化的原因之一。除此以外，简化模型更多的是为了方便之后网格的划分，减小工作量。
1.特征的删除
机械结构中的某些特征往往是由于加工、装配等需要而设计的，如某些退刀槽、自由边、螺钉孔或凸台等，其对于结构的强度或刚度影响并不大，因此在建立几何模型时应对这些特征予以删除。
2.抽象简化
实际工程的结构都是具有尺寸和体积的，而有限元模型的某些单元是没有体积的，如壳单元。因此，建模时往往需要从几何模型中抽象出有限元模型，常称为中线或中面的提取。第三节讲到的将3D模型等效为2D模型或1D模型，其实就是一种抽象简化。
3.装配的等效简化
机械装配体的连接方式多种多样，按照实际的连接方式建模将会对之后的网格划分带来极大的困扰。在不研究装配处具体的受力情况时，可以对其进行等效简化，如两个零部件的螺拴连接，可以用两个零部件连接处的节点耦合的方式来代替；再如零部件的焊接，可以将焊接的零部件在焊接处建成一个整体。
前处理中几何模型建立的重点不在于精确，而在于合理。用户没有必要纠结于是否与实际结构相符，重点要考虑的是是否满足结构分析的要求。大胆的简化，小心的求证。