工业装备虚拟仿真技术
硕士研究生学位课程讲义（2008）
网格划分
建立有限元模型
ANSYS中不用实体模型求解，而 是用有限元模型求解。
建立几何模型
• 定义单元属性 – 单元类型 – 实常数和截面特性 – 材料特性
• 网格工具MeshTool – 分配单元属性 – 网格密度控制 – 生成和改变网格 – 网格划分方式
单元种类
• ANSYS 提供了许多不同种类的单元。经常采用的单元有：
– 线单元 –壳 – 二维实体 – 三维实体
建立有限元模型 – 定义单元属性
单元种类
• 线单元：
– 梁 单元用于模拟，薄壁管，各种截面构件，角钢，
细长薄壁构件（只考虑膜应力和弯曲应力）。
– 杆 单元用于模拟螺杆，预应力螺栓和桁架。 – 弹簧 单元用于模拟弹簧，螺杆或细长构件，或用等
单元种类
• 三维实体单元： – 用于几何属性，材料属性，荷载或分析要求考虑细 节，而无法采用更简单的单元进行建模的结构。 – 也用于从三维CAD系统转化而来的几何模型，而这 些几何模型转化成二维模型或壳体会花费大量的时 间和精力。
建立有限元模型 – 定义单元属性
定义单元类型
– Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete • [Add]添加新单元 类型 • 选择想要的类型 并按 OK • [Options] 指定附加 单元选项。
效刚度替代复杂结构。
建立有限元模型 – 定义单元属性
单元种类
• 壳单元： – 用来模拟平面或曲面。如板材、飞机的蒙皮等 – 厚度和大小取决于实际应用，一般，壳单元用于主 尺寸不小于10倍厚度的结构。
建立有限元模型 – 定义单元属性
单元种类
• 二维实体单元：
– 用于模拟实体的截面。
– 必须在整体直角坐标系 X-Y 平面内建立模型。
– 所有荷载作用在 X-Y 平面内，其响应（位移）也在 X-Y 平面内。
– 单元特性可能是下边的一种：
• 平面应力
• 平面应变 • 轴对称 • 轴对称简谐
Y ZX
• 广义平面应变
建立有限元模型 – 定义单元属性
单元种类
• 平面应力 假设Z轴方向应
力等于零。
– 用于Z方向尺寸远小 于X、Y方向尺寸的模 型。
后处理器）
建立有限元模型
• 网格划分是用节点、单元填充实体模型，建立有限元 模型的过程。
– 请记住，有限元求解时需要有限元模型，而不是实体模型。 实体模型不参与有限元求解。
实体模型
网格化
FEA 模型
建立有限元模型
• 网格划分有三个步骤：
– 定义单元属性 – 指定网格控制 – 生成网格
• 单元属性是网格划分前必 须指定的有限元模型的特 性，包括：
– 单元形状 – 六面体，四面体，四边形，三角形等。 – 维数 -- 2-D (只有X-Y 平面), 或 3-D。 – 假设的位移形函数 – 线性及二次函数。
• ANSYS 有一个超过200多种单元供用户选择，稍后将介绍 如何选取单元类型，现在请看如何定义单元类型。
建立有限元模型 – 定义单元属性
建立有限元模型 – 定义单元属性
实常数
• 定义实常数:
– Main Menu > Preprocessor > Real Constants
• [Add]增加一种新的实常数设置 。
• 如果定义了多个单元类型，首 先选择实常数的单元类型。
• 然后输入实常数值。
– 或用 R 系列命令
• 不同的单元类型需要不同的 实常数，而有些单元类型不 需要实常数。可以通过在线 帮助查看单元手册。
求解
后
查看某一
查看某变
处
时刻结果
量随时间
理
（通用后 处理器）
变化的结 果（时间
后处理器）
建立有限元模型 – 定义单元属性
单元类型
• 单元类型是一个重要选项，它决定如下单元特性：
– 自由度(DOF)设置。 例如，热单元类型有一个自由度： TEMP， 而一个结构单元可能有六个自由度：UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ.
• 自由网格、映射网格 ，扫掠网格
• 网格拖拉 • 过渡单元
亦可直接
前
设定属性（单元类 型，材料属性，实
建立有限 元模型。
处
常数，截面属性…）
（直接建 立单元和
理
节点）
网格划分（离散）
求
对于 多载
解
荷步 分析
施加载荷 设定求解控制
求解
后
查看某一
查看某变
处
时刻结果
量随时间
理
（通用后 处理器）
变化的结 果（时间
Z YX
建立有限元模型 – 定义单元属性
单元种类
• 轴对称 假定三维模型及其荷载是
由二维模型绕Y轴旋转 360°生成 的。 – 对称轴必须与整体坐标Y轴重合
。 – 不允许有负的 X 坐标。 – Y 方向是轴向，X方向是径向，Z
与Z- 轴同向。 – 用于压力容器，直管道，轴等
建立有限元模型 – 定义单元属性
– Z方向应变不等于零 。
– 可选择不同厚度 (Z 方 向)。
– 用于分析诸如只受面 内荷载的平板，承受 压力或离心力的薄板 等结构。
Y ZX
建立有限元模型 – 定义单元属性
单元种类
• 平面应变 沿Z方向应变
等于零。
– 用于Z方向尺寸远 大于X、Y方向尺寸 的模型。
– Z方向应力不等于 零。
– 用于等截面细长结 构，例如梁。轧制 过程，坝体
建立有限元模型 – 定义单元属性
定义截面特性
– Main Menu > Preprocessor > Sections
– 单元类型（TYPE） – 实常数（REAL） （某些单
元） – 截面属性（SECTYPE）
（某些梁、壳单元） – 材料属性（MAT）
建立几何模型
亦可直接
前
设定属性（单元类 型，材料属性，实
建立有限 元模型。
处
常数，截面属性…）
（直接建 立单元和理 Nhomakorabea节点）
网格划分（离散）
求
对于 多载
解
荷步 分析
施加载荷 设定求解控制
– 或使用 ET 命令： • et,1,solid92
建立有限元模型 – 定义单元属性
实常数
• 实常数用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何 参数。例如： – 梁单元是由连接两个节点的线定义的，这只定义了梁 长度，要指明梁的横截面属性，如面积，惯性矩就要 用实常数。 – 壳单元是由四边形和三角形来定义的，这只定义了壳 的表面，要指明壳的厚度，必须用实常数。 – 多数三维实常数单元不需要实常数，因为单元几何模 型已经由节点完全确定了。