几何建模技术与技巧.docx

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几何建模技术与技巧

第2章几何建模技术与技巧

ANSYS中的模型可分：

★几何模型（也称实体模型）

★有限元模型

ANSYS求解必须使用有限元模型。

几何模型通过定义各种属性和网格划分转成有限元模型，从而才能进行计算分析。

ANSYS的建模方法：

●直接建模：

直接在ANSYS中建立有限元模型，而不必先建几何模型。

先对结构进行节点和单元编号，然后输入节点坐标建立节点，再输入每个单元的节点编号，从而建立有限元模型。

该方法缺点是大量输入数据令人无法忍受，且对于复杂的3D实体靠人工去划分网格极易出错。

●几何建模：

在ANSYS软件中建立模型和从其它CAD软件导入模型。

如建模软件如AutoCAD、Pro/E、SolidWork、UG、SolidEdge等。

●混合建模：

在几何建模并网分后，再增加其它单元或特征的方法。

该法基本是在有限元模型生成后，再建立少量的单元，例如接触单元、约束方程、耦合自由度等。

2.1坐标系和工作平面

2.1.1坐标系类型

6类坐标系：

总体坐标系、局部坐标系、节点坐标系、单元坐标系、显示坐标系与结果坐标系。

1.总体坐标系

用于确定空间几何结构的位置，是一个绝对的参考系。

☆原点相同，右手系；

☆坐标系号:

0--直角坐标系，1--柱坐标系，2--球坐标系

☆可使用任意坐标系，但某时刻只能激活一个。

☆总体坐标系均用X、Y、Z表示，当激活的不是直角坐标系时，应理解为柱坐标系的R、θ、Z或球坐标系的R、θ、Φ。

2.局部坐标系

对于复杂的几何模型，仅使用总体坐标系不够方便，这时可建立自己的坐标系，即局部坐标系。

☆局部坐标系的原点和坐标轴方向可与总体坐标系不同

☆有4种坐标系，即直角坐标系、柱坐标系、球坐标系、环坐标系。

☆局部坐标系的编号必须≧11，且为整数号码。

总体坐标系和局部坐标系主要用于几何建模。

3.节点坐标系

★节点坐标系主要用于定义节点自由度的方向。

★每个节点都有自己的节点坐标系，缺省的节点坐标系的方向平行于总体直角坐标系，而与建立节点时所用的坐标系无关。

★当施加不同于总体坐标系方向的约束或荷载时，需要旋转节点坐标系到需要的方向，然后再施加约束或荷载。

★在时程后处理（POST26）中，节点结果如节点位移、节点荷载和支座反力等都是以节点坐标系方向表示。

★在通用后处理（POST1）中，节点结果数据均以结果坐标系表示。

4.单元坐标系

每个单元都有自己的单元坐标系，用于定义单元材料性质、面荷载和单元结果的方向。

单元坐标系的缺省方向遵循以下规则：

●线单元（杆、梁单元）的X轴通常从I节点指向J节点，Y和Z轴可由节点K或θ确定；当节点K省略且θ=0时，单元的Y轴总是平行于总体坐标系的XY平面；当单元的X轴平面于总体坐标系的Z轴时，单元的Y轴与总体坐标系的Y轴相同。

●壳单元的X轴通常也从I节点指向J节点，Z轴通过I节点且与壳面垂直，其正方向由单元的I、J、K节点按右手规则确定。

●2D/3D实体单元坐标系的方向总是平行于总体直角坐标系。

5.显示坐标系

显示坐标系用来定义几何元素被列表或显示的坐标系。

缺省时几何元素列表总是显示为总体直角坐标系，而不管它们是在何种坐标系下生成的。

显示坐标系的改变会影响到图形显示和列表，无论是几何图素或有限元模型都将受到影响。

但是边界条件符号、向量箭头和单元坐标系的三角符号都不会转换到显示坐标系下。

显示坐标系的方向是X轴水平向右，Y轴垂直向上，Z轴垂直屏幕向外。

当DSYS>0时，将不显示线和面的方向。

6.结果坐标系

结果坐标系用于列表、显示或在通用后处理中将节点或单元结果旋转到一个特定坐标系中。

求解结果如节点位移、单元应力或应变等，以节点坐标系或单元坐标系保存在文件中，在显示或列表时，均按当前激活的结果坐标系。

缺省时结果坐标系与总体直角坐标系平行。

2.1.2坐标系的定义与激活

缺省情况下总是激活总体直角坐标系，用户每定义一个局部坐标系则该坐标系自动被激活。

如果要激活一个总体坐标系或以前定义的局部坐标系则要通过菜单或命令。

1.激活总体和局部坐标系

命令：

CSYS,KCN

其中KCN表示坐标系号码，0-直角坐标系（缺省），1-柱坐标系，2-球坐标系，4-以工作平面为坐标系，5-柱坐标系（以Y轴为转轴），≥11-局部坐标系。

由于工作平面可不断移动和旋转，因此当采用CSYS,4时也相当于不断定义了局部直角坐标，在很多情况下应用非常方便。

2.定义局部坐标系

⑴根据总体坐标系定义局部坐标系

命令：

LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2

其中：

KCN---局部坐标系编号，此编号必须大于10，如果与既有编号相同，则将重新定义

KCS---坐标系类型，0或CART为直角坐标系，1或CYLIN为柱坐标系，2或SPHE为球坐标系，3或TORO为环坐标系。

XC,YC,ZC---新坐标系原点在总体直角坐标系中的坐标。

THXY,THYZ,THZX---新坐标系绕Z,X,Y轴的旋转角度，其正方向为：

XY,YZ,ZX。

PAR1---适用于椭圆、类似球体或环形系统，当KCS=1或2时，其值为椭圆Y轴半径与X轴半径之比，缺省为1即圆。

当KCS=3时，其值为环面的主半径。

PAR2---仅适用于类似球体的系统，当KCS=2时，其值为椭球体Z轴半径与X轴半径之比，缺省为1。

例如：

LOCAL,11,0,3,4,5,10,15,20---定义了局部坐标系号为11，原点为总体直角坐标系下的点（3,4,5），绕Z、X、Y轴旋转角度分别为10°、15°、20°的直角坐标系。

例如：

LOCAL,12,1,,,,,,,0.8---定义了局部坐标系号为12，原点和方位与总体坐标系相同的柱坐标系，但Y轴半径与X轴半径之比为0.8，用于定义椭圆。

当KCN=2时，PAR2为Z轴半径与X轴半径之比，用于椭球的定义。

⑵根据已有的三个节点定义局部坐标系

命令：

CS,KCN,KCS,NORIG,NXAX,NXYPL,PAR1,PAR2

⑶根据已有的三个关键点定义局部坐标系

命令：

CSKP,KCN,KCS,PORIG,PXAXS,PXYPL,PAR1,PAR2

⑷根据当前工作平面定义局部坐标系

命令：

CSWPLA,KCN,KCS,PAR1,PAR2

例如：

CSWPLA,12,1---定义的局部坐标系号为12，原点在工作平面的坐标原点，其XY平面与工作平面相同，为柱坐标系。

⑸根据激活的坐标系定义局部坐标系

命令：

CLOCAL,KCN,KCS,XL,YL,ZL,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2

⑹删除局部坐标系

命令：

CSDELE,KCN1,KCN2,KCINC

其中：

KCN1---为要删除的局部坐标系的起始编号，如果KCN1=ALL，则其后参数将忽略。

KCN2---为要删除的局部坐标系的最终编号。

KCINC---为编号的递增数值，缺省为1。

例如：

CSDELE,ALL---则删除了所有的局部坐标系。

CSDELE,11,15,2---则删除了11、13、15号局部坐标系。

⑺查看激活坐标系和局部坐标系

命令：

CSLIST,KCN1,KCN2,KCINC

例如：

CSLIST,ALL---则列表显示所有坐标系，并列出相关信息。

3.节点坐标系的旋转与修改

⑴将某些节点的坐标系旋转到与当前激活坐标系（简称“当前坐标系”）方向一致

命令：

NROTAT,NODE1,NODE2,NINC

其中NODE1、NODE2、NINC---要旋转节点的起始号、末编号（缺省为NODE1）及递增值（缺省值为1）。

如NODE1=ALL则其后参数将被忽略，NODE1也可为元件名。

例如：

NROTAT,3,6---使3,4,5,6节点的节点坐标系方向与当前坐标系方向相同。

⑵将既有节点的节点坐标系旋转某个角度

命令：

NMODIF,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

NODE---节点号、ALL或元件名称。

X,Y,Z---该节点的新坐标值。

其余参数意义同前。

例如：

NMODIF,8,,,,15---修改节点8的节点坐标系方向，使之绕Z轴旋转15°。

⑶在创建节点时直接定义其坐标系的旋转角度

命令：

N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

例如：

N,4,1,2,4,10,15,30---表示新建4号节点在当前坐标系中的坐标为1,2,4，其节点坐标系绕Z,X,Y轴的角度分为10°、15°和30°。

⑷按方向余弦旋转节点坐标系

命令：

NANG,NODE,X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3,Z1,Z2,Z3

⑸节点坐标系列表

命令：

NLIST,NODE1,NODE2,NINC,Lcoord,SORT1,SORT2,SORT3

Lcoord---坐标列表信息，缺省为全部信息，=COORD时仅列XYZ坐标。

SORT1---用于排序的第1项内容，可以是

NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THXZ。

SORT2,SORT3---用于排序的第2项和第3项内容，其内容同SORT1。

例如：

NLIST,3,9,3,,THXY,THYZ,THXZ---列出节点3,6,9相对总体直角坐标系的旋转角度。

NLIST,3,9,3---则列出节点3,6,9所有信息。

4.单元坐标系的定义与修改

⑴设置单元坐标系

命令：

ESYS,KCN

其中KCN为坐标系编号，KCN=0（缺省）表示使用单元定义时规定的坐标系方向。

当KCN=N（N>10）时使用编号为N的局部坐标系。

也即只能通过局部坐标系定义单元坐标系的方向，若要定义单元坐标系方向与总体坐标系方向相同，则应先定义一个与总体坐标系一致的局部坐标系，再利用该局部坐标系定义单元坐标系方向。

⑵修改单元坐标系方向

命令：

EMODIF,IEL,STLOC,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8

IEL---单元编号，或ALL，或元件名。

STLOC---将要修改的第一个节点序号或属性，属性之一为ESYS，则I1为局部坐标号。

例如：

EMODIF,4,ESYS,13---将4号单元的单元坐标系与12号局部坐标系一致。

5.激活显示坐标系命令：

DSYS,KCN

其中KCN---坐标系号，可为0,1,2及局部坐标系号。

缺省为总体直角坐标系。

6.激活结果坐标系命令：

RSYS,KCN

其中KCN---坐标系号，可为0（缺省）,1,2及局部坐标系号。

当KCN=SOLU时，则与求解计算时采用的坐标系相同，实际上采用数据存储时的坐标系。

2.1.3定义工作平面

工作平面是一个具有原点、二维坐标系、捕捉增量和格栅的无限大平面。

●在缺省却况下，工作平面是总体直角坐标系的XY平面

●工作平面只有一个，且与坐标系是独立的。

●工作平面可以想象成一个绘图板，可拖动或旋转，其坐标系方位随着移动和旋转而不断变化，利用它可使建模更加方便。

1.将既有坐标系的XY平面定义为工作平面

命令：

WPCSYS,WN,KCN

其中KCN为既有坐标系号，可以是0,1,2,或局部坐标系号。

缺省为激活的坐标系。

●如果工作平面位于直角坐标系下，则工作平面的坐标系也为直角坐标系。

●如果位于柱或球坐标系下，则工作平面的坐标系为极坐标系。

●如果WN为负值，则不改变视图方向。

或者在移动或旋转工作平面后，直接恢复到缺省状态。

2.通过3个坐标点定义工作平面

命令：

WPLANE,WN,XORIG,YORIG,ZORIG,XXAX,YXAX,ZXAX,XPLAN,YPLAN,ZPLAN

3.通过3个节点定义工作平面

命令：

NWPLAN,WN,NORIG,NXAX,NPLAN

4.通过3个关键点定义工作平面

命令：

KWPLAN,WN,KORIG,KXAX,KPLAN

5.通过垂直于线上的某个位置定义工作平面

命令：

LWPLAN,WN,NL1,RATIO

2.1.4工作平面的操控

1.工作平面的当前状态

查看当前状态的命令：

WPSTYL,STAT

恢复到ANSYS默认状态的命令：

WPSTYL,DEFA

2.移动工作平面

⑴将工作平面沿其自身坐标轴移动

命令：

WPOFFS,XOFF,YOFF,ZOFF

其中XOFF,YOFF,ZOFF为工作平面坐标系内沿其X轴、Y轴和Z轴的偏移增量。

例如：

WPOFF,10,-20---将工作平面沿其X轴相对偏移10，沿其Y轴相对偏移-20。

⑵将工作平面移动到一组关键点的中间位置

命令：

KWPAVE,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9

其中P1~P9为计算平均值的关键点号，至少定义一个关键点

例如：

KWPAVE,1,4,5---将工作平面移到关键点1,4,5中间。

KWPAVE,P---则采用GUI方式拾取关键点。

⑶将工作平面移动到一组节点的中间位置

命令：

NWPAVE,N1,N2,N3,N4,N5,N6,N7,N8,N9

其使用方法同上，但N1~N9为节点号。

⑷将工作平面移动到一组指定坐标的中间位置

命令：

WPAVE,X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2,X3,Y3,Z3

3.工作平面的旋转

命令：

WPROTA,THXY,THYZ,THZX

其中THXY,THYZ,THZX为绕工作平面坐标系Z轴、X轴和Y轴的旋转角度。

例如：

WPROTA,90---将工作平面绕其Z轴旋转90度。

2.1.5工作平面的显示样式

工作平面的显示和样式主要用于GUI方式，以方便拾取操作，对于命令流方式意义不大。

WPSTYL,SNAP,GRSPAC,GRMIN,GRMAX,WPTOL,WPCTYP,GRTYPE,WPVIS,SNAPANG

2.2创建几何模型

ANSYS中几何模型等级由低向高依次为关键点、线、面和体（称为几何图素或图素）。

几何模型的创建，可采用自底向上或自顶向下的方法。

所谓自底向上建模就是首先创建最低级的图素---关键点，再通过关键点生成较高级的图素（如线、面、体）。

而自顶向下建模就是首先创建较高级的图素（体或面），而自动生成较低级的图素，通过体或面的组合得到较复杂的模型。

在实际建模时，不必区分自底向上建模或是自顶向下建模，也不必按其顺序建模，可以混合使用自底向上建模和自顶向下建模。

例如某些情况下，通过创建关键点再创建面或体方便，而有些情况下可能直接建立体或面更方便，均视模型情况而定。

2.2.1创建关键点

命令

功能

备注

K

在给定坐标点创建关键点

可在当前坐标系或工作平面上

KBETW

在两关键点之间创建一个关键点

只能生成一个，位置与当前坐标系有关

KFILL

在两关键点之间创建多个关键点

也可生成1个，位置与当前坐标系有关

KGEN

复制生成关键点

可复制或移动，带关键点属性，与当前坐标系有关

KSYMM

通过坐标轴镜像生成关键点

带关键点属性，与当前坐标系有关

KL

在既有线的某位置上创建关键点

只能生成一个，位置与当前坐标系有关

KCENTER

在圆弧中心创建关键点

只能在直角坐标系中使用

KNODE

在既有节点上创建关键点

可用于修改模型

KPSCALE

比例创建一组关键点

按各轴坐标比例，与当前坐标系有关

KLIST

列表输出关键点信息

可复制为文本

KPLOT

显示关键点

可在屏幕上查看

KDELE

删除关键点

可删除独立的关键点

KSEL

选择一组关键点

命令流方式极为有用

KSLL

选择与所选线相关的关键点

命令流方式极为有用

KSLN

选择与所选节点相关的关键点

命令流方式极为有用

KMODIF

修改既有关键点坐标

依附较高级图素也可修改

KDIST

计算两关键点间的距离

在选择、运算或查询中用到

KSCALE

对关键点进行缩放

仅缩放既有关键点

KTRAN

对关键点坐标进行转换

在不同坐标系之间转换

KMOVE

移动关键点到一个相交位置

可用SOURCE定义的点

SOURCE

为未定义的关键点定义坐标

KSUM

对关键点进行计算并输出几何要素

KEYPTS

指定后续关键点状态

1.在给定坐标点创建关键点

命令：

K,NPT,X,Y,Z

NPT---关键点的编号，缺省时（0或空）自动指定为可用的最小编号。

X,Y,Z---在当前坐标系中的坐标值，当前坐标系可以是CSYS指定的坐标系。

如果输入的关键点号与既有关键点号相同，则覆盖既有关键点。

即关键点是惟一的，并以最后一次输入的为准。

如果既有关键点与较高级图素相连或已经划分网格，则不能覆盖，并给出错误信息。

例如：

/prep7!

进入前处理

k,,10!

创建缺省编号的关键点，其编号为1

k,15,10,5!

创建编号为15的关键点

k,16,10,5,5!

创建编号为16的关键点

k,,10,3!

创建缺省编号的关键点，其编号为2

k,15,10,6!

重新定义编号为15的关键点

2.在两关键点之间创建一个关键点

命令：

KBETW,KP1,KP2,KPNEW,TYPE,VALUE

KP1,KP2---第1个和第2个关键点号。

KPNEW---指定创建的关键点号，缺省时系统自动指定为可用的最小编号。

TYPE---创建关键点的方式，当TYPE=RATIO时（缺省），VALUE为两关键点距离的比值，即：

（KP1-KPNEW）/（KP1-KP2）。

当TYPE=DIST时，VALUE为KP1到KPNEW之间的距离，且仅限于直角坐标系。

VALUE---由TYPE决定的新关键点位置参数，缺省为0.5。

如果TYPE=RATIO，则VALUE为比率，若小于0或大于1，则在两个关键点的外延线上创建一个新关键点。

如果TYPE=DIST，则VALUE为距离值，若小于0或大于KP1与KP2之间的距离，也在外延线上创建一个新关键点。

新创建的关键点位置与当前坐标系有关，如为直角坐标系，新点将在KP1和KP2之间的直线上；否则将在由当前坐标系确定的线上。

3.在两关键点之间创建多个关键点

命令：

KFILL,NP1,NP2,NFILL,NSTRT,NINC,SPACE

NP1,NP2---两个既有关键点号.

NFILL---在NP1和NP2之间将要创建的关键点个数，缺省为|NP2-NP1|-1。

NSTRT---指定创建的第一个关键点号，缺省为NP1+NINC。

此号最好指定，以防覆盖。

NINC---将要创建的关键点编号增量，其值可正可负，缺省为（NP2-NP1）/（NFILL+1）。

SPACE---间隔比，即创建关键点后，最后一个间隔与第一间隔之比。

缺省为1.0，即等间隔。

与KBETW相同，新创建关键点位置与当前坐标相关。

/prep7!

进入前处理

k,1!

创建关键点1

k,20,10!

创建关键点20

k,3,10,5!

创建关键点3

kfill,1,20,8!

采用缺省设置，在1和20之间创建8个关键点

!

其编号依次为3,5,……,17。

而原来的关键点3则被覆盖。

k,50,10,5!

创建关键点50

kfill,1,50,20,100,1

!

在1和50之间创建20个关键点，起始编号100，编号增量为1

k,60,10,10!

创建关键点60

kfill,1,60,15,222,3,2.5

!

在1和60之间创建15个关键点，起始编号为222，编号增量为3,

!

间隔比为2.5。

创建的关键点间隔越来越大

4.复制创建关键点

命令：

KGEN,ITIME,NP1,NP2,NINC,DX,DY,DZ,KINC,NOELEM,IMOVE

ITIME---复制次数，缺省为2。

NP1,NP2,NINC---按增量NINC从NP1到NP2定义关键点的范围（缺省为NP1），NINC缺省为1。

NP1也可为ALL或元件名，此时NP2和NINC将被忽略。

DX,DY,DZ---在当前坐标系中，关键点坐标的偏移量。

对于柱坐标系为--,Dθ,DZ；对于球坐标系为--,Dθ,--，其中--表示不可操作。

KINC---要创建的关键点编号增量，缺省时由系统自动指定.

NOELEM---是否创建单元和节点控制参数。

NOELEM=0（缺省）如果存在单元和节点则生成；NOELEM=1不生成单元和节点。

IMOVE---关键点是否被移动或重新创建。

IMOVE=0（缺省）原来的关键点不动，重新创建新的关键点；当IMOVE=1不创建新关键点，原来的关键点移动到新位置，此时编号不变（即ITIME、KINC和NOELEM均无效）单元和节点一并移动。

例如：

/prep7!

进入前处理

k,1!

创建关键点1

k,20,10!

创建关键点20

kgen,,1,20,19,,5,,,,1!

移动关键点1和20，沿Y轴偏移量为5

kgen,8,all,,,,,5!

沿Z轴偏移5，复制8次（含自身）

kgen,3,all,,,,15!

沿Y轴偏移15，复制3次（实际另外复制2次）

kgen,,all,,,,60,,,,1!

再将所有关键点沿Y轴移动60

5.镜像创建关键点

命令：

KSYMM,Ncomp,NP1,NP2,NINC,KINC,NOELEM,IMOVE

Ncomp---对称控制参数，Ncomp=x，关于X（或R）轴对称（缺省）；

Ncomp=y，关于Y（或θ）轴对称；

Ncomp=z，关于Z（或Φ）轴对称。

可通过定义工作平面移动后，利用CSYS,4设定当前坐标系，则当前坐标系原点位置与工作平面相同，在利用镜像时其几何位置也发生相应变化。

当然也可通过局部坐标系对称。

例如：

/prep7!

进入前处理

k,1,1,1!

创建关键点1

k,20,10,10!

创建关键点20

kfill,1,20,8,30!

在1和20之间创建8个关键点，起始编号为30

ksymm,x,all!

所有关键点关于X轴（YZ平面）对称创建新的关键点

ksymm,y,all!

所有关键点（包括上条创建的）关于Y轴对称

!

创建新的关键点

7.列表显示关键点信息

命令：

KLIST,NP1,NP2,NINC,Lab

其中NP1,NP2,NINC参数意义同命令KGEN中。

Lab为列表信息控制参数，

Lab=0或空则列出全部信息；Lab=COORD则仅列出坐标值；Lab=HPT则仅

列出硬点信息。

例如：

klist!

列出所选择的关键点的所有信息。

klist,,,,coord!

列出所选择的关键点的坐标。

8.屏幕上显示关键点

命令：

KPLOT,NP1,NP2,NINC,Lab

其中Lab为关键点或硬点控制参数。

Lab=0或空，则显示所有关键点；

Lab=HPT则仅显示硬点。

其余参数意义同K