【进阶参数化建模技术】网格划分方法：映射网格与自由网格

### ANSYS建模与网格划分指南 #### 一、模型生成概述 **1.1 什么是模型生成？** 模型生成是指在计算机辅助工程(CAE)软件中创建虚拟模型的过程，这些模型可以用来模拟真实世界的现象，例如物理行为、热传导等。在ANSYS中，模型生成是基于用户输入的几何数据完成的，它包括了实体建模以及后续的网格划分。 **1.2 ANSYS中建模的典型步骤** 1. **定义问题:** 确定模拟的目的。 2. **创建几何:** 使用ANSYS或其他CAD软件构建几何模型。 3. **材料属性赋值:** 为不同的材料指定属性。 4. **边界条件设定:** 应用力、温度等外部条件。 5. **网格划分:** 将模型划分为更小的单元以便于计算。 **1.2.1 实体建模和直接生成的比较** 实体建模通常涉及从基本形状开始逐步构建复杂模型，而直接生成则侧重于通过修改现有模型来实现设计意图。直接生成更适合于已经存在的模型的修改，而实体建模更适合从零开始构建新的模型。 **1.3 从CAD系统中输入实体模型** 许多工程师选择在其他CAD软件中创建模型，并将其导入ANSYS进行进一步的分析。ANSYS支持多种文件格式，如IGES、STEP等，可以方便地导入这些模型并进行必要的调整。 #### 二、规划分析方案 **2.1 规划的重要性** 良好的规划可以确保分析的准确性和效率，避免不必要的资源浪费。 **2.2 确定分析目标** 明确分析的目标可以帮助确定哪些细节需要包含在模型中，哪些可以忽略。 **2.3 选择模型类型（二维、三维等）** 根据问题的复杂程度和精度要求选择合适的模型类型。二维模型适用于简单问题，三维模型则用于更复杂的场景。 **2.4 线性和高次单元的选择** - **线性单元（无中间节点）:** 这些单元比较简单，适合于初步分析。 - **二次单元（带中间节点）:** 提供更高的精度，适用于需要更精确的结果的情况。 **2.5 不同单元连接的限制** 单元之间的连接方式会影响模型的整体稳定性。确保所有单元之间有正确的连接非常重要。 **2.6 找到利用对称性的办法** 利用对称性可以减少计算时间和资源消耗。对于轴对称结构，只需模拟一部分即可。 **2.6.1 轴对称结构的说明** 对于轴对称结构，可以通过模拟一个部分来节省计算资源。这种简化方法仅适用于完全轴对称的情况。 **2.7 决定包含多少细节** 过多的细节会增加计算负担，而过少则可能导致不准确的结果。需要权衡精度和计算成本。 **2.8 确定合适的网格密度** 网格密度直接影响分析的精度。密集的网格可以提供更准确的结果，但也会增加计算时间。 #### 三、坐标系 **3.1 坐标系的类型** - **总体坐标系:** 用于整体模型的定位。 - **局部坐标系:** 用于特定部件或区域的定位。 **3.2 总体和局部坐标系** - **总体坐标系:** 定义了整个模型的空间定位。 - **局部坐标系:** 可以在特定的点、线、面上定义，用于局部坐标变换。 **3.2.3 坐标系的激活** 用户可以选择激活不同的坐标系以适应不同的建模需求。 **3.2.4 曲面** 曲面可以使用参数化的方式定义，在某些情况下，需要特定类型的坐标系来进行准确的描述。 **3.2.5 封闭曲面和奇异曲面** 封闭曲面是指没有边界的曲面，奇异曲面则是指具有特殊几何特征的曲面。 **3.3 显示坐标系** 可以在ANSYS的图形界面中显示坐标系，帮助用户更好地理解模型的空间布局。 **3.4 节点坐标系** 节点坐标系与每个节点相关联，用于描述节点的位置。 **3.4.1 节点坐标系中的数据译码** 节点坐标系的数据通常包括节点的位置坐标以及其他相关属性。 **3.5 单元坐标系** 每个单元都有自己的坐标系，这对于分析单元内的应力应变分布非常有用。 **3.6 结果坐标系** 结果坐标系用于表示最终分析结果的方向，确保结果的一致性和可比性。 #### 四、利用工作平面 **4.1 什么是工作平面** 工作平面是在建模过程中经常使用的参考平面，用于创建几何元素。 **4.2 生成一个工作平面** - **生成一个新的工作平面:** 用户可以根据需要定义新的工作平面。 - **控制工作平面的显示和样式:** 可以调整工作平面的颜色、透明度等。 **4.2.3 移动工作平面** 移动工作平面有助于定位模型的不同部分。 **4.2.4 工作平面的旋转** 旋转工作平面可以使用户更容易地查看模型的不同侧面。 **4.2.5 还原一个已定义的工作平面** 如果进行了多次操作导致工作平面变得混乱，可以还原到之前的定义状态。 **4.3 增强的工作平面** - **捕捉增量:** 在创建模型时保持一定的间距。 - **显示栅格:** 在工作平面上显示网格，帮助精确定位。 - **恢复容差:** 设置容差以确保几何元素之间的精确对齐。 - **坐标系类型:** 可以选择不同的坐标系类型来适应不同的建模需求。 **4.3.5 工作平面的轨迹** 轨迹功能可以帮助记录和回放一系列的操作，便于重复使用。 #### 五、实体建模 **5.1 实体建模操作概述** 实体建模是指创建三维实体模型的过程，包括关键点、线、面和体的创建。 **5.2 用自下向上的方法建模** - **关键点:** 定义模型的基本位置点。 - **硬点:** 特殊的关键点，通常用于定义固定点。 - **线:** 由两个或多个关键点连接而成。 - **面:** 由线围成的区域。 - **体:** 由面围成的三维空间。 **5.3 用自上向下的方法建模：体素** - **体素:** 体素是一种三维的单位体积，可以作为构建复杂模型的基础。 - **如何生成面体素:** 面体素通常通过拉伸面来创建。 - **如何生成实体体素:** 通过拉伸线或旋转面来创建实体体素。 **5.4 用布尔运算雕塑实体模型** 布尔运算是实体建模中常用的技术，包括交集、并集和差集等操作。 - **是否保留原始图元:** 用户可以选择保留或删除原始图元。 - **其它有用的BOPTN设置:** 包括精度设置、修复选项等。 **5.5 布尔运算之后的更新** 布尔运算后可能需要对模型进行更新，以确保模型的完整性。 **5.6 移动和拷贝实体模型** 可以轻松地移动和复制模型的不同部分，以快速构建复杂的设计。 **5.7 实体模型图元的缩放** 缩放功能允许用户调整模型的大小，这对于调整模型比例非常有用。 **5.8 实体模型加载** 加载实体模型包括应用外部载荷、边界条件等，以准备进行仿真。 **5.9 质量和惯量的计算** 质量和惯量是进行动力学分析的重要参数，ANSYS提供了相应的计算工具。 **5.10 实体建模中的注意事项** - **实体模型图元的显示:** 确保模型的所有部分都清晰可见。 - **布尔操作失败:** 当布尔操作无法完成时，需要检查模型是否有错误。 - **从图形上识别单元退化:** 单元退化会导致模型失真，需要及时发现并修正。 #### 六、输入实体模型 **6.1 从IGES文件中输入实体模型** IGES是一种通用的文件格式，可以用于在不同的软件之间交换几何数据。 - **使用SMOOTH选项:** SMOOTH选项可以帮助平滑模型表面，减少模型缺陷。 - **用FACETED选项:** FACETED选项将模型表面划分为多个小面片，适用于需要精细控制的场合。 #### 七、对实体模型进行网格划分 **7.1 如何对实体模型进行网格划分** 网格划分是将实体模型划分为多个小单元的过程，以便进行数值计算。 **7.2 定义单元属性** 单元属性包括单元类型、材料属性等，它们决定了网格的质量和计算的准确性。 **7.3 网格划分控制** - **ANSYS网格划分工具:** 提供了一系列工具来控制网格的生成。 - **单元形状:** 单元形状包括四面体、六面体等，不同的形状适用于不同的情况。 - **选择自由或映射网格划分:** 自由网格划分适用于不规则形状，而映射网格划分则用于规则形状。 - **控制中间节点的位置:** 对于高次单元，需要指定中间节点的位置以提高精度。 **7.4 自动生成网格** ANSYS提供了自动网格划分的功能，用户可以根据需要调整网格的密度和质量。