有限元模型生成及其在热分析中的应用蔡石屏1，沈国土1*，蔡继光1，董占海2，高景2（1.精密光谱科学与技术国家重点实验室，华东师范大学物理系，上海 200062；2.上海交通大学物理系，上海 200240）摘要：为了获得物体的模拟热像，首先建立待分析物体的有限元模型。

基于AutoCAD和ANSYS两个软件的特点，提出了一种建立有限元模型的解决方案，并进行了角系数和温度场的计算，最终显示了物体的三维模拟热像。

关键词：热分析；有限元模型；AutoCAD；ANSYS；模拟热像中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)05-0279-04 Generation of the Finite Element Model and Its Application on Thermal AnalysisCAI Shi-ping1，SHEN Guo-tu1，CAI Ji-guang1，DONG Zhan-hai2，GAO Jing2(1. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China;2. Department of Physics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract：For simulating the thermal image of an object, its finite element model must be first generated.Here, in order to use both the software AutoCAD and ANSYS, the model is generated in a special way. With the model the angle factor and the temperature field are calculated. The temperature field is visualized, too.Key words：thermal analysis；finite element model；AutoCAD；ANSYS；simulation of thermal image引言建立合理的物理模型，利用理论模拟技术模拟各种实际物体的红外辐射场不仅可以节省大量的人力物力，而且可以模拟不同时刻不同气象条件下的红外辐射场[1]，这对红外系统的研制、仿真设计和国防科学具有十分重要的意义。

红外辐射场的计算归根结底是物体各部分导热问题的求解，原则上，导热问题的求解就是对导热微分方程式在规定的边界条件下进行积分求解，对于许多不可能获得理论解的实际场合的分析，一般都是采用有限元法。

目前，划分有限元的方法有采用成熟的有限元软件如ANSYS的方法，缺点是其几何建模需要较高的有限元应用技巧且较费时；也有采用Visual C++编程实现有限元划分的方法[2]，缺点是建立初始几何模型比较繁琐，需要花费大量的时间和精力；再者，应用最多的建模方法是所谓的参数化建模方法[3]，它是利用CAD或有限元分析软件的二次开发功能，采用面向用户的编程方法，由用户在界面上输入必要的参数，让程序自动生成物体的几何模型,然后可以将几何模型导入到有限元软件中或直接进行有限元划分建立有限元模型，这种方法对用户的编程要求较高且目前尚处在研究阶段。

为了寻找一种灵活、简便的有限元模型的建模方式，可以将两个成熟软件相结合如在Unigraphics系统简称UG[4]或Pro/E中[5]建立几何模型后，导入到ANSYS或其他分析软件如MSC-Patran中[3]进行有限元划分。

本文提出一种将AutoCAD的三维建模功能和ANSYS的有限元划分功能相结合建立有限元模型的解决方案，其优点是AutoCAD较UG或Pro/E普及且操作相对简单，ANSYS的有限元划分功能强大且可以在其中进行大量的后处理工作。

在建立好有限元模型的基础上，将划分前后的数据分别导出，按照先前我们已经完成的红外辐射场计算软件[2]的数据接口的要求，采用VC编程将划分前后两个模块的数据，按一定的结构组成一组数据文件，作为计算软件的输入文件，经过计算给出了计算结果。

1基于成熟软件的解决方案方案中将建立物体有限元模型的过程分为两步即先在AutoCAD中建立几何模型，再利用ANSYS 进行有限元划分。

ANSYS虽然提供了自底向上及自顶向下两种建模方式，但有许多不方便之处，如建模过程比较繁琐，建立一个模型通常要定义成千上万个节点和单元，模型的生成需要许多的数据且较费时。

修改模型时也极不方便，而且采用这两种方法建立的模型往往是比较简单，较规则的图形[6]，因此，为了弥补ANSYS在几何建模方面的不足，方案中采用AutoCAD建立几何模型，它的建模过程比在ANSYS 中灵活得多，而且在其中建立的模型，可以方便地导入到ANSYS中进行有限元划分。

在实现两个软件的对接时，单位的统一问题是无法避免的。

AutoCAD的作图没有绝对长度的概念，只有作图单位的概念。

一作图单位代表多少实际长度，是由用户自己决定的。

模型从AutoCAD导入到ANSYS中时，ANSYS会保持原来的比例关系导入。

将模型导入ANSYS中进行分网完毕以后，ANSYS能够输出的数据有节点的坐标信息、单元的个数、已定义的单元的材料属性、单元类型、已定义的实常数及每一单元的节点组成等，这些数据可以根据接下来模型分析的需要进行选择性的输出，有时候还可以根据需要利用ANSYS的APDL语言编写宏文件运行产生需要的数据。

2 有限元模型建立的具体实现2.1 在AutoCAD中建模AutoCAD是一种通用计算机辅助绘图设计软件包，它的三维建模平台提供了许多常用的三维基本实体图元命令如长方体、圆锥体、球体等，可以对已生成的图形进行灵活的三维修改和三维操作，可以方便地从直线或曲线等二维图形创建成三维实体和曲面，也可以对图形进行布尔运算生成更为复杂的实体[7]。

此外，AutoCAD还可以将命令做成脚本的格式进行批量执行，这有利于接收由其它建模软件建立的模型的数据，下面的例子中将用到AutoCAD的此项功能。

2.2 将模型从AutoCAD中导出要使AutoCAD中建立的模型能够成功地导入到ANSYS中，首先必须满足的是：图形必须创建过面域或是实体。

图形满足条件以后，选择以“ACIS(*.sat)”的文件类型保存，然后选择需要导出的图形，即可完成图形的导出。

2.3模型在ANSYS中的有限元划分在划分过程中采取的单元类型不同，得到的网格分布及应用也将完全不同。

当ANSYS应用在热分析中时，其有限元划分的简要步骤为[8]：选择分析的类型；定义单元类型；定义实常数；设置材料属性；选择已定义的实常数和材料属性应用到待划分的面上；设置单元格的尺寸大小；划分网格。

2.4有关网格划分的说明ANSYS在建立有限元模型时具有很大的灵活性，对于同一个物体的各个部分甚至是每一个面，用户可以采用不同的单元类型、引用不同的实常数、使用不同的材料属性，还可以采用不同的有限元尺寸，这可以满足用户的各种需求。

3计算结果及模拟热像计算软件[2]要求有几何模型划分前后的两个数据文件，文件中主要包含点表和面表。

这些数据格式都是从ANSYS中导出数据以后通过VC编程得到的，做好数据文件以后，根据需要作为计算软件的输入数据文件进行计算，先可以得到角系数，然后可以得到划分以后微元的温度场分布，最后可以显示模型的三维模拟热像。

4 应用举例以某船为例，建立了此船的有限元模型，经过计算给出了计算结果。

4.1 在AutoCAD中的建模过程对一些复杂部分可以进行合理的简化，简化的原则是：保持船的比例不变，保留尺寸较大、有代表性的结构和红外特征明显的部分，舍弃那些小的、对最终结果影响不大的细节，尽量保持原貌但又利于计算。

本例在AutoCAD中是按照1:10的比例关系进行绘图的。

如果在实际的船中某些部分之间是相连的，则在几何模型中船的这些部分之间必须做布尔运算的并集操作，否则会使面的数量增加，导致分网时有限元的数量增加，造成最后的计算结果出现偏差。

图1为某船的部分结构。

图1 船的几何模型Fig.1 Geometric model of a ship4.2 将模型导出并导入到ANSYS中进行有限元划分在进行有限元划分时，采用的单元类型为SURF152，并去掉中间节点使每个单元只有4个节点，然后选取合适的划分尺寸。

为了利于计算及尽量减少有限元的数量，分网时为了使其远离上层建筑部分划分相对粗糙而靠近上2802009年5月 蔡石屏等：有限元模型生成及其在热分析中的应用 May 2009281层建筑部分划分相对较细，可以将EXPND 和TRANS 的值分别设置为合适的值。

图2为船的有限元模型。

图2 船的有限元模型 Fig.2 Finite element model of a ship4.3 数据输出选择菜单命令可以列出节点的坐标信息，如表1。

表1 部分节点的坐标数据Table 1 Coordinates of partial nodesNODE X Y Z 2 1230.02484448 213.879102856 196.0000000003 1198.82135617 183.083935750 196.0000000004 1229.82068388 182.879775147 196.0000000005 1199.02551677 214.083263459 0.00000000000… … … …进一步选择菜单命令可以输出如表2所示的数据。

表2 部分单元的有关数据Table 2 Data of some elementsELEM MAT TYP REL ESY SEC NODES 2 1 1 1 0 5 8 3 1 1 1 0 6 3 4 1 1 1 0 7 4 5 1 1 1 0 8 2 … … … … … … …表2只列出了其中的一部分，其中ELEM 代表单元的序号，MAT 代表材料属性的编号，TYP 代表单元类型的编号，REL 代表实常数的编号，NODES 代表单元的节点组成。

为了利用此套软件，此船分割前的数据必须满足一定的条件即每个面必须由3个或4个点组成，而我们在AutoCAD 中建立的几何模型很难达到这个要求，因此，我们将第一次划分后的模型当成分割前的模型,编程将数据做成AutoCAD 的3dface 命令的脚本形式，然后在AutoCAD 中运行脚本得到每个面都由3个或4个点组成的几何模型，做面域后导出再导入到ANSYS 中重新划分作为分割后的模型。