16、ANSYSWorkbench的幾何建模

2016-10-21  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

在有限元分析之前,最重要的工作就是幾何建模,幾何建模的好壞直接影響到計算結(jié)果的正確性。一般在整個有限元分析的過程中,幾何建模的工作占據(jù)了非常多的時間,同時也是非常重要的過程。本文將著重講述利用ANSYS Workbench自帶的幾何建模工具—DesignModeler進行幾何建模,同時也簡單介紹Creo及SolidWorks軟件的幾何數(shù)據(jù)導入方法及操作步驟。

2.1 DesignModeler平臺概述

DesignModeler是ANSYS Workbench 16.0的幾何建模平臺,DesignModeler與大多數(shù)CAD軟件有相似之處,但是也有一些其他CAD軟件所不具有的功能。

DesignModeler主要是為有限元分析服務的幾何建模平臺,所以有許多功能是其他CAD軟件所不具備的,如梁單元建模(Beam)、包圍(Enclose)、填充(Fill)、點焊(Spot Welds)等。

2.1.1 DesignModeler平臺界面

圖2-1所示為剛啟動的DesignModeler平臺界面,如同其他CAD軟件一樣,DesignModeler平臺有以下幾個關(guān)鍵部分:即菜單欄、工具欄、命令欄、圖形交互窗口、模型樹及草繪面板、詳細視圖及單位設置等。在幾何建模之前先對常用的命令及菜單進行詳細介紹。

菜單欄中包括File(文件)、Create(創(chuàng)建)、Concept(概念)、Tools(工具)、Units(單位)View(視圖)及Help(幫助)共7個基本菜單。2.1.2 菜單欄

圖2-1 DesignModeler平臺

1.File(文件)菜單

File(文件)菜單中的命令如圖2-2所示,下面對File(文件)菜單中的常用命令進行簡單介紹。

圖2-2 File菜單

(1)Refresh Input(刷新輸入):當幾何數(shù)據(jù)發(fā)生變化,單擊此命令保持幾何文件同步。

(2)Save Project(保存工程文件):單擊此命令保存工程文件,如果是新建立未保存的工程文件,Workbench 16.0平臺會提示輸入文件名。

(3)Export(幾何輸出):單擊Export命令后,DesignModeler平臺會彈出圖2-3所示的“另存為”對話框,在對話框的保存類型中,讀者可以選擇喜歡的幾何數(shù)據(jù)類型。

(4)Attach to Active CAD Geometry(動態(tài)鏈接開啟的CAD幾何):單擊此命令后,DesignModeler平臺會將當前活動的CAD軟件中的幾何數(shù)據(jù)模型讀入到圖形交互窗口中。

圖2-3 “另存為”對話框

注意:

如果在CAD中建立的幾何文件未保存,DesignModeler平臺將讀不出幾何文件模型。

(5)Import External Geometry File(導入外部幾何文件):單擊此命令,在彈出的圖2-4所示的對話框可以選擇所要讀取的文件名,此外,DesignModeler平臺支持的所有外部文件格式在“打開”對話框中的文件類型中被列出。

圖2-4 “打開”對話框

其余命令這里不再講述,請讀者參考幫助文檔的相關(guān)內(nèi)容。

2.Create(創(chuàng)建)菜單

Create(創(chuàng)建)菜單如圖2-5所示,Create菜單中包含對實體操作的一系列命令,包括實體拉伸、倒角、放樣等操作,下面對Create(創(chuàng)建)菜單中的實體操作命令進行簡單介紹。

圖2-5 Create菜單

(1)New Plane(創(chuàng)建新平面):單擊此命令后,會在Details View窗口中出現(xiàn)圖2-6所示的平面設置面板,在Details of Plane4→Type中顯示了8種設置新平面的類型。

圖2-6 新建平面設置面板

① From Plane(由平面)。從已有的平面中創(chuàng)建新平面。

② From Face(由一個表面)。從已有的表面中創(chuàng)建新平面。

③ From Centroid(由質(zhì)心)。從被選擇的幾何體的質(zhì)心創(chuàng)建新平面。新平面的定義在XY平面上,原點由所選擇的幾何形狀的質(zhì)心確定。在質(zhì)心的計算中使用同一類型的幾何結(jié)構(gòu)。如果選擇了多個幾何類型,則使用高階類型。選擇集必須具有相同的體類型。

④From Circle/Ellipse(由圓或橢圓)。新的平面是基于一個圓形或橢圓形的二維或三維的邊創(chuàng)建,包括弧。原點是圓或橢圓的中心。如果選擇一個圓形的邊,X軸是與全局坐標系的X軸對齊。如果選擇了一個橢圓的邊,則X軸與橢圓的長軸對齊。Z軸是圓或橢圓的法線。

⑤ From Point and Edge(由一點和一條邊)。從已經(jīng)存在的一條邊和一個不在這條邊上的點創(chuàng)建新平面。

⑥ From Point and Normal(由一點和法線方向)。從一個已經(jīng)存在的點和一條邊界方向的法線創(chuàng)建新平面。

⑦ From Three Points(由3點)。從已經(jīng)存在的3個點創(chuàng)建一個新平面。

⑧ From Coordinates(由坐標系)。通過設置與坐標系相對位置來創(chuàng)建新平面。

當選擇以上8種中的任何一種方式來建立新平面,Type下面的選項均會有所變化,具體請參考幫助文檔。

(2)Extrude(拉伸):如圖2-7所示,本命令可以將二維的平面圖形拉伸成三維的立體圖形,即對已經(jīng)草繪完成的二維平面圖形沿著二維圖形所在平面的法線方向進行拉伸操作。

圖2-7 拉伸設置面板

① 在Operation選項中可以選擇兩種操作方式。

• Add Material(添加材料)。與常規(guī)的CAD拉伸方式相同,這里不再贅述。

• Add Frozen(添加凍結(jié))。添加凍結(jié)零件,后面會提到。

② 在Direction選項中有4種拉伸方式可以選擇。

• Normal(普通方式)。默認設置的拉伸方式。

• Reversed(相反方向)。此拉伸方式與Normal方向相反。

• Both-Symmetric(雙向?qū)ΨQ)。沿著兩個方向同時拉伸指定的拉伸深度。

• Both-Asymmetric(雙向非對稱)。沿著兩個方向同時拉伸指定的拉伸深度,但是兩側(cè)的拉伸深度不相同,需要在下面的選項中設定。

③ 在As Thin/Surface?。選擇拉伸是否為薄殼拉伸,如果在選項中選擇yes,則需要分別輸入薄殼的內(nèi)壁和外壁厚度。

(3)Revolve(旋轉(zhuǎn)):單擊此命令后,出現(xiàn)圖2-8所示旋轉(zhuǎn)設置面板。

圖2-8 旋轉(zhuǎn)設置面板

① 在Geometry(幾何)中選擇需要做旋轉(zhuǎn)操作的二維平面幾何圖形;

② 在Axis(旋轉(zhuǎn)軸)中選擇二維幾何圖形旋轉(zhuǎn)所需要的軸線;

③ Operation、As Thin/Surface?、Merge Topology選項參考Extrude命令相關(guān)內(nèi)容;

④ 在Direction欄中輸入旋轉(zhuǎn)角度。

(4)Sweep(掃掠):單擊此命令后,彈出圖2-9所示的掃掠設置面板。

圖2-9 掃掠設置面板

① 在Profile(截面輪廓)中選擇二維幾何圖形作為要掃掠的對象;

② 在Path(掃掠路徑)中選擇直線或者曲線來確定二維幾何圖形掃掠的路徑;

③ 在Alignment(掃掠調(diào)整方式)中選擇按Path Tangent(沿著路徑切線方向)或者Global Axes(總體坐標軸)兩種方式;

④ 在FD4,Scale(>0)中輸入比例因子來掃掠比例;

⑤ 在Twist Specification(扭曲規(guī)則)中選擇扭曲的方式,有No Twist(不扭曲)、Turns(圈數(shù))及Pitch(螺距)三種選項。

• No Twist(不扭曲):即掃掠出來的圖形是沿著掃掠路徑的;

• Turns(圈數(shù)):在掃掠過程中設置二維幾何圖形繞掃掠路徑旋轉(zhuǎn)的圈數(shù);如果掃掠的路徑是閉合環(huán)路,則圈數(shù)必須是整數(shù);如果掃掠路徑是開路,則圈數(shù)可以是任意數(shù)值。

• Pitch(螺距):在掃掠過程中設置掃掠的螺距大小。

(5)Skin/Loft(蒙皮/放樣):單擊此命令后,彈出圖2-10所示的蒙皮/放樣設置面板。

圖2-10 蒙皮/放樣設置面板

在Profile Selection Method(輪廓文件選擇方式)欄中可以用Select All Profiles(選擇所有輪廓)或者Select Individual Profiles(選擇單個輪廓)兩種方式選擇二維幾何圖形;選擇完成后,會在Profiles下面出現(xiàn)所選擇的所有輪廓幾何圖形名稱。

(6)Thin/Surface(抽殼):單擊此命令后,彈出圖2-11所示的抽殼設置面板。

圖2-11 抽殼設置面板

① 在Selection Type(選擇方式)欄中可以選擇以下3種方式。

② Faces to Keep(保留面):選擇此選項后,對保留面進行抽殼處理;

③ Faces to Remove(去除面):選擇此選項后,對選中面進行去除操作;

④ Bodies Only(僅體):選擇此選項后,將對選中的實體進行抽空處理;

⑤ 在Direction(方向)欄中可以通過以下3種方式對抽殼進行操作。

• Inward(內(nèi)部壁面):選擇此選項后,抽殼操作對實體進行壁面向內(nèi)部抽殼處理;

• Outward(外部壁面):選擇此選項后,抽殼操作對實體進行壁面向外部抽殼處理;

• Mid-Plane(中間面):選擇此選項后,抽殼操作對實體進行中間壁面抽殼處理。

(7)Fixed-Radius Blend(確定半徑倒圓角):單擊此命令后,彈出圖2-12所示的倒圓角設置面板。

圖2-12 確定半徑倒圓角設置面板

① 在FD1,Radius(>0)欄中輸入圓角的半徑;

② 在Geometry欄中選擇要倒圓角的棱邊或者平面,如果選擇的是平面,倒圓角命令將平面周圍的幾條棱邊全部倒成圓角。

(8)Variable Radius Blend(變化半徑倒圓角):單擊此命令后,彈出圖2-13所示的倒圓角設置面板。

圖2-13 變化半徑倒圓角設置面板

① 在Transition(過渡)選項欄中可以選擇Smooth(平滑)和Linear(線性)兩種;

② 在Edges(棱邊)選項中選擇要倒角的棱邊;

③ 在FD1,Start Radius(>=0)欄中輸入初始半徑大小;

④ 在FD2,End Radius(>=0)欄中輸入尾部半徑大小。

(9)Chamfer(倒角):單擊此命令后彈出圖2-14所示的倒角設置面板。

圖2-14 倒角設置面板

① 在Geometry欄中選擇實體棱邊或者表面,當選擇表面時,將表面周圍的所有棱邊全部倒角。

② 在Type(類型)欄中有以下3種數(shù)值輸入方式。

• Left-Right(左-右)。選擇此選項后,在下面的欄中輸入兩側(cè)的長度。

• Left-Angle(左-角度)。選擇此選項后,在下面的欄中輸入左側(cè)長度和一個角度。

• Right-Angle(右-角度)。選擇此選項后,在下面的欄中輸入右側(cè)長度和一個角度。

(10)Pattern(陣列):單擊此命令后,彈出圖2-15所示的陣列設置面板。

圖2-15 陣列設置面板

在Pattern Type(陣列類型)欄中可以選擇以下3種陣列樣式。

① Linear(線性)。選擇此選項后,陣列的方式將沿著某一方向陣列,需要在Direction(方向)欄中選擇要陣列的方向及偏移距離和陣列數(shù)量。

② Circular(圓形)。選擇此選項后,陣列的方式將沿著某根軸線陣列一圈,需要在Axis(軸線)欄中選擇軸線及偏移距離和陣列數(shù)量。

③ Rectangular(矩形)。選擇此選項后,陣列方式將沿著兩根相互垂直的邊或者軸線陣列,需要選擇兩個陣列方向及偏移距離和陣列數(shù)量。

(11)Body Operation(體操作):單擊此命令后,彈出圖2-16所示的體操作設置面板。

圖2-16 體操作設置面板

在Type(類型)欄中有以下幾種體操作樣式。

① Sew(縫合)。對有缺陷的體進行補片復原后,再利用縫合命令對復原部位進行實體化操作。

② Simplify(簡化)。對選中材料進行簡化操作。

③ Cut Material(切材料)。對選中的體進行去除材料操作。

④ Slice Material(材料切片)。需要在一個完全凍結(jié)的體上執(zhí)行操作,對選中材料進行材料切片操作。

⑤ Imprint Faces(表面印記)。對選中體進行表面印記操作。

⑥ Clean Bodies(清理)。對選中的體進行清理操作。

(12)Boolean(布爾運算):單擊此命令后彈出圖2-17所示的布爾運算設置面板。

圖2-17 布爾運算設置面板

在Operation(操作)選項中有以下4種操作選項。

① Unit(并集)。將多個實體合并到一起,形成一個實體,此操作需要在Tools Bodies(工具體)欄中選中所有進行體合并的實體。

② Subtract(差集)。將一個實體(Tools Bodies)從另一個實體(Target Bodies)中去除;需要在Target Bodies(目標體)中選擇所要切除材料的實體,在Tools Bodies(工具體)欄中選擇要切除的實體工具。

③ Intersect(交集)。將兩個實體相交部分取出來,其余的實體被刪除。

④ Imprint Faces(表面印記)。生成一個實體(Tools Bodies)與另一個實體(Target Bodies)相交處的面;需要在Target Bodies(目標體)和Tools Bodies(工具體)欄中分別選擇兩個實體。

(13)Slice(切片):增強了DesignModeler的可用性,可以產(chǎn)生用來劃分映射網(wǎng)格的可掃掠分網(wǎng)的體。當模型完全由凍結(jié)體組成時,本命令才可用。單擊此命令后彈出圖2-18所示的切片設置面板。

圖2-18 切片設置面板

在Slice Type(切片類型)選項中有以下幾種方式對體進行切片操作。

① Slice by Plane(用平面切片)。利用已有的平面對實體進行切片操作,平面必須經(jīng)過實體,在Base Plane(基準平面)欄中選擇平面。

② Slice off Faces(用表面偏移平面切片)。在模型上選中一些面,這些面大概形成一定的凹面,本命令將切開這些面。

③ Slice by Surface(用曲面切片)。利用已有的曲面對實體進行切片操作,在Target Face(目標面)欄中選擇曲面。

④ Slice off Edges(用邊做切片)。選擇切分邊,用切分出的邊創(chuàng)建分離體。

⑤ Slice By Edge Loop(用封閉棱邊切片)。在實體模型上選擇一條封閉的棱邊來創(chuàng)建切片。

(14)Face Delete(刪除面):本命令用于“撤銷”倒角和去材料等操作,可以將倒角、去材料等特征從體上移除。單擊此命令后,彈出圖2-19所示的刪除面設置面板。

圖2-19 刪除面設置面板

在Healing Method(處理方式)欄中有以下幾種方式來實現(xiàn)刪除面的操作。

① Automatic(自動)。選擇本命令后,在Face欄中選擇要去除的面,即可將面刪除。

② Natural Healing(自然處理)。對幾何體進行自然復原處理。

③ Patch Healing(修補處理)。對幾何實體進行修補處理。

④ No Healing(不處理)。不進行任何修復處理。

(15)Edge Delete(刪除邊線):與Face Delete作用相似,這里不再贅述。

(16)Primitives(原始圖形):如圖2-5所示,可以創(chuàng)建一些原始的圖形,如圓形、矩形等。

3.Concept(概念)菜單

圖2-20所示為Concept(概念)菜單,Concept菜單中包含對線體和面操作的一系列命令,包括線體的生成與面的生成等。

圖2-20 Concept菜單

4.Tools(工具)菜單

圖2-21所示為Tools(工具)菜單,Tools菜單中包含對線、體和面操作的一系列命令,包括凍結(jié)、解凍、選擇命名、屬性、包含、填充等命令。

圖2-21 Tools菜單

下面對一些常用的工具命令進行簡單介紹。

(1)Freeze(凍結(jié)):DM平臺會默認地將新建立的幾何體和已有的幾何體合并起來保持單個體,如果想將新建立的幾何體與已有的幾何體分開,需要將已有的幾何體進行凍結(jié)處理。

凍結(jié)特征可以將所有的激活體轉(zhuǎn)到凍結(jié)狀態(tài),但是在建模過程中除切片操作以外,其他命令都不能用于凍結(jié)體。

(2)Unfreeze(解凍):凍結(jié)的幾何體可以通過本命令解凍。

(3)Named Selection(選擇命名):用于對幾何體中的節(jié)點、邊線、面、體等進行命名。

(4)Mid-Surface(中間面):用于將等厚度的薄壁類結(jié)構(gòu)簡化成“殼”模型。

(5)Enclosure(包含):在體附近創(chuàng)建周圍區(qū)域以方便模擬場區(qū)域,本操作主要應用于流體動力學(CFD)及電磁場有限元分析(EMAG)等計算的前處理,通過Enclose操作可以創(chuàng)建物體的外部流場或者繞組的電場或磁場計算域模型。

(6)Fill(填充):與Enclosure(包含)命令相似,Fill命令主要為幾何體創(chuàng)建內(nèi)部計算域,如管道中的流場等。

5.View(視圖)菜單

圖2-22所示為View(視圖)菜單,視圖菜單各個命令主要是對幾何體顯示的操作,這里不再贅述。

圖2-22 View菜單

6.Help(幫助)菜單

圖2-23所示為Help(幫助)菜單,幫助菜單提供了在線幫助等。

圖2-23 Help菜單

2.1.3 工具欄

圖2-24所示為DesignModeler平臺默認的常用工具命令,這些命令在菜單欄中均可找到,下面對建模過程中經(jīng)常用到的命令進行介紹。

圖2-24 工具欄

以三鍵鼠標為例,鼠標左鍵實現(xiàn)基本控制,包括幾何的選擇和拖動,此外與鍵盤部分按鈕結(jié)合使用實現(xiàn)不同操作。

• Ctrl+鼠標左鍵:執(zhí)行添加/移除選定幾何實體;

• Shift+鼠標中鍵:執(zhí)行放大/縮小幾何實體操作;

• Ctrl+鼠標中鍵:執(zhí)行幾何體平移操作。

另外,按住鼠標右鍵進行框選幾何實體,可以實現(xiàn)幾何實體的快速縮放操作,在繪圖區(qū)域右鍵單擊可以彈出快捷菜單,以完成相關(guān)的操作,如圖2-25所示。

圖2-25 快捷菜單

1.選擇過濾器

在建模過程中,會經(jīng)常需要選擇實體的某個面、某個邊或者某個點等操作,可以在工具欄中相應的過濾器中進行選擇切換,如圖2-26所示,如果想選擇齒輪上的某個齒的面,首先選中工具欄中的

按鈕使其處于凹陷狀態(tài),然后選擇所關(guān)心的面即可。如果想要選擇線或者點,則只需選中工具欄中的

圖2-26 面選擇過濾器

如果需要對多個面進行選擇,如圖2-27所示,則需要單擊工具欄中

圖2-27 面框選過濾器

線或者點的框選與面類似,這里不再贅述。

框選的時候有方向性,具體說明如下。

• 鼠標從左到右拖動:選中所有完全包含在選擇中的對象;

• 鼠標從右到左拖動:選中包含于或經(jīng)過選擇框的對象。

2.窗口控制

DesignModeler平臺的工具欄上面有各種控制窗口的快捷按鈕,通過單擊不同按鈕,實現(xiàn)圖形控制,如圖2-28所示。

• 
  按鈕用來實現(xiàn)幾何旋轉(zhuǎn)操作;

• 
  按鈕用來實現(xiàn)幾何平移操作;

• 
  按鈕實現(xiàn)圖形的放大縮小操作;

• 
  按鈕實現(xiàn)窗口的縮放操作;

• 
  按鈕實現(xiàn)自動匹配窗口大小操作。

利用鼠標還能直接在繪圖區(qū)域控制圖形,如圖2-28所示。當鼠標位于圖形的中心區(qū)域相當于

操作,當鼠標位于圖形之外時為繞Z軸旋轉(zhuǎn)操作,當鼠標位于圖形界面的上下邊界附近時為繞X軸旋轉(zhuǎn)操作,當鼠標位于圖形界面的左右邊界附近時為繞Y軸旋轉(zhuǎn)操作。

圖2-28 窗口控制

2.1.4 常用命令欄

圖2-29所示為DesignModeler平臺默認的常用命令,這些命令在菜單欄中均可找到,這里不再贅述。

圖2-29 常用命令欄

2.1.5 Tree Outline(模型樹)

圖2-30所示的模型樹中包括兩個模塊:Modeling(實體模型)和Sketching(草繪),下面對Sketching(草繪)模塊中命令進行詳細介紹。

圖2-30 Tree Outline

Sketching(草繪)模塊主要由以下幾個部分組成。

(1)Draw(草繪):圖2-31所示為Draw(草繪)卷簾菜單,菜單中包括了二維草繪需要的所有工具,如直線、圓、矩形、橢圓等,操作方法與其他CAD軟件一樣。

圖2-31 Draw

(2)Modify(修改):圖2-32所示為Modify(修改)卷簾菜單,菜單中包括了二維草繪修改需要的所有工具,如倒圓角、倒角、裁剪、延伸、分割等,操作方法與其他CAD軟件一樣。

圖2-32 Modify

(3)Dimensions(尺寸標注):圖2-33所示為Dimensions(尺寸標注)卷簾菜單,菜單中包括了二維圖形尺寸標注需要的所有工具,如一般標注、水平標注、垂直標注、長度/距離標注、半徑直徑標注、角度標注等,操作方法與其他CAD軟件一樣。

圖2-33 Dimensions

(4)Constraints(約束):圖2-34所示為Constraints(約束)卷簾菜單,菜單中包括了二維圖形約束需要的所有工具,如固定約束、水平約束、豎直約束、垂直約束、相切約束、對稱約束、平行約束、同心約束、等半徑約束、等長度約束等,操作方法與其他CAD軟件一樣。

圖2-34 Constraints

(5)Settings(設置):圖2-35所示為Settings(設置)卷簾菜單,Settings(設置)菜單主要完成草繪界面的柵格大小及移動捕捉步大小的設置任務。

圖2-35 Settings

① 在Settings(設置)菜單下單擊Grid命令,使Grid圖標處于凹陷狀態(tài)同時在后面生成Show in 2D:□和Snap:□,勾選□使其處于選中狀態(tài)

圖2-36 Grid柵格

② 在Settings(設置)菜單下單擊Major Grid Spacing命令,使Major Grid Spacing圖標處于凹陷狀態(tài)同時在后面生成

,在此文本框中輸入主柵格的大小,默認為10mm,將此值改成20mm后在用戶交互窗口出現(xiàn)圖2-37(b)右側(cè)所示的柵格。

圖2-37 主柵格大小

③ 在Settings(設置)菜單下單擊Minor-Steps per Major命令,使Minor-Steps per Major圖標處于凹陷狀態(tài)同時在后面生成

,在此文本框中輸入每個主柵格上劃分的網(wǎng)格數(shù),默認為10,將此值改成15后在用戶交互窗口出現(xiàn)圖2-38(b)右側(cè)所示的柵格。

④ 在Settings(設置)菜單下單擊Snaps per Minor命令,使Snaps per Minor圖標處于凹陷狀態(tài)同時在后面生成

,在此文本框中輸入每個小網(wǎng)格上捕捉的次數(shù),默認為1,將此值改成2后,選擇草繪直線命令,在用戶交互窗口中單擊直線第一點,然后移動鼠標,此時吸盤會在每個小網(wǎng)格四條邊的中間位置被吸一次,如果值是默認的1,則在4個角點被吸住。

圖2-38 主柵格中小網(wǎng)格數(shù)量設置

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