16、ANSYSWorkbench的几何建模

2016-10-21  by:CAE仿真在线  来源:互联网

在有限元分析之前,最重要的工作就是几何建模,几何建模的好坏直接影响到计算结果的正确性。一般在整个有限元分析的过程中,几何建模的工作占据了非常多的时间,同时也是非常重要的过程。本文将着重讲述利用ANSYS Workbench自带的几何建模工具—DesignModeler进行几何建模,同时也简单介绍Creo及SolidWorks软件的几何数据导入方法及操作步骤。

2.1 DesignModeler平台概述

DesignModeler是ANSYS Workbench 16.0的几何建模平台,DesignModeler与大多数CAD软件有相似之处,但是也有一些其他CAD软件所不具有的功能。

DesignModeler主要是为有限元分析服务的几何建模平台,所以有许多功能是其他CAD软件所不具备的,如梁单元建模(Beam)、包围(Enclose)、填充(Fill)、点焊(Spot Welds)等。

2.1.1 DesignModeler平台界面

图2-1所示为刚启动的DesignModeler平台界面,如同其他CAD软件一样,DesignModeler平台有以下几个关键部分:即菜单栏、工具栏、命令栏、图形交互窗口、模型树及草绘面板、详细视图及单位设置等。在几何建模之前先对常用的命令及菜单进行详细介绍。

菜单栏中包括File(文件)、Create(创建)、Concept(概念)、Tools(工具)、Units(单位)View(视图)及Help(帮助)共7个基本菜单。2.1.2 菜单栏

图2-1 DesignModeler平台

1.File(文件)菜单

File(文件)菜单中的命令如图2-2所示,下面对File(文件)菜单中的常用命令进行简单介绍。

图2-2 File菜单

(1)Refresh Input(刷新输入):当几何数据发生变化,单击此命令保持几何文件同步。

(2)Save Project(保存工程文件):单击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平台会提示输入文件名。

(3)Export(几何输出):单击Export命令后,DesignModeler平台会弹出图2-3所示的“另存为”对话框,在对话框的保存类型中,读者可以选择喜欢的几何数据类型。

(4)Attach to Active CAD Geometry(动态链接开启的CAD几何):单击此命令后,DesignModeler平台会将当前活动的CAD软件中的几何数据模型读入到图形交互窗口中。

图2-3 “另存为”对话框

注意:

如果在CAD中建立的几何文件未保存,DesignModeler平台将读不出几何文件模型。

(5)Import External Geometry File(导入外部几何文件):单击此命令,在弹出的图2-4所示的对话框可以选择所要读取的文件名,此外,DesignModeler平台支持的所有外部文件格式在“打开”对话框中的文件类型中被列出。

图2-4 “打开”对话框

其余命令这里不再讲述,请读者参考帮助文档的相关内容。

2.Create(创建)菜单

Create(创建)菜单如图2-5所示,Create菜单中包含对实体操作的一系列命令,包括实体拉伸、倒角、放样等操作,下面对Create(创建)菜单中的实体操作命令进行简单介绍。

图2-5 Create菜单

(1)New Plane(创建新平面):单击此命令后,会在Details View窗口中出现图2-6所示的平面设置面板,在Details of Plane4→Type中显示了8种设置新平面的类型。

图2-6 新建平面设置面板

① From Plane(由平面)。从已有的平面中创建新平面。

② From Face(由一个表面)。从已有的表面中创建新平面。

③ From Centroid(由质心)。从被选择的几何体的质心创建新平面。新平面的定义在XY平面上,原点由所选择的几何形状的质心确定。在质心的计算中使用同一类型的几何结构。如果选择了多个几何类型,则使用高阶类型。选择集必须具有相同的体类型。

④From Circle/Ellipse(由圆或椭圆)。新的平面是基于一个圆形或椭圆形的二维或三维的边创建,包括弧。原点是圆或椭圆的中心。如果选择一个圆形的边,X轴是与全局坐标系的X轴对齐。如果选择了一个椭圆的边,则X轴与椭圆的长轴对齐。Z轴是圆或椭圆的法线。

⑤ From Point and Edge(由一点和一条边)。从已经存在的一条边和一个不在这条边上的点创建新平面。

⑥ From Point and Normal(由一点和法线方向)。从一个已经存在的点和一条边界方向的法线创建新平面。

⑦ From Three Points(由3点)。从已经存在的3个点创建一个新平面。

⑧ From Coordinates(由坐标系)。通过设置与坐标系相对位置来创建新平面。

当选择以上8种中的任何一种方式来建立新平面,Type下面的选项均会有所变化,具体请参考帮助文档。

(2)Extrude(拉伸):如图2-7所示,本命令可以将二维的平面图形拉伸成三维的立体图形,即对已经草绘完成的二维平面图形沿着二维图形所在平面的法线方向进行拉伸操作。

图2-7 拉伸设置面板

① 在Operation选项中可以选择两种操作方式。

• Add Material(添加材料)。与常规的CAD拉伸方式相同,这里不再赘述。

• Add Frozen(添加冻结)。添加冻结零件,后面会提到。

② 在Direction选项中有4种拉伸方式可以选择。

• Normal(普通方式)。默认设置的拉伸方式。

• Reversed(相反方向)。此拉伸方式与Normal方向相反。

• Both-Symmetric(双向对称)。沿着两个方向同时拉伸指定的拉伸深度。

• Both-Asymmetric(双向非对称)。沿着两个方向同时拉伸指定的拉伸深度,但是两侧的拉伸深度不相同,需要在下面的选项中设定。

③ 在As Thin/Surface?。选择拉伸是否为薄壳拉伸,如果在选项中选择yes,则需要分别输入薄壳的内壁和外壁厚度。

(3)Revolve(旋转):单击此命令后,出现图2-8所示旋转设置面板。

图2-8 旋转设置面板

① 在Geometry(几何)中选择需要做旋转操作的二维平面几何图形;

② 在Axis(旋转轴)中选择二维几何图形旋转所需要的轴线;

③ Operation、As Thin/Surface?、Merge Topology选项参考Extrude命令相关内容;

④ 在Direction栏中输入旋转角度。

(4)Sweep(扫掠):单击此命令后,弹出图2-9所示的扫掠设置面板。

图2-9 扫掠设置面板

① 在Profile(截面轮廓)中选择二维几何图形作为要扫掠的对象;

② 在Path(扫掠路径)中选择直线或者曲线来确定二维几何图形扫掠的路径;

③ 在Alignment(扫掠调整方式)中选择按Path Tangent(沿着路径切线方向)或者Global Axes(总体坐标轴)两种方式;

④ 在FD4,Scale(>0)中输入比例因子来扫掠比例;

⑤ 在Twist Specification(扭曲规则)中选择扭曲的方式,有No Twist(不扭曲)、Turns(圈数)及Pitch(螺距)三种选项。

• No Twist(不扭曲):即扫掠出来的图形是沿着扫掠路径的;

• Turns(圈数):在扫掠过程中设置二维几何图形绕扫掠路径旋转的圈数;如果扫掠的路径是闭合环路,则圈数必须是整数;如果扫掠路径是开路,则圈数可以是任意数值。

• Pitch(螺距):在扫掠过程中设置扫掠的螺距大小。

(5)Skin/Loft(蒙皮/放样):单击此命令后,弹出图2-10所示的蒙皮/放样设置面板。

图2-10 蒙皮/放样设置面板

在Profile Selection Method(轮廓文件选择方式)栏中可以用Select All Profiles(选择所有轮廓)或者Select Individual Profiles(选择单个轮廓)两种方式选择二维几何图形;选择完成后,会在Profiles下面出现所选择的所有轮廓几何图形名称。

(6)Thin/Surface(抽壳):单击此命令后,弹出图2-11所示的抽壳设置面板。

图2-11 抽壳设置面板

① 在Selection Type(选择方式)栏中可以选择以下3种方式。

② Faces to Keep(保留面):选择此选项后,对保留面进行抽壳处理;

③ Faces to Remove(去除面):选择此选项后,对选中面进行去除操作;

④ Bodies Only(仅体):选择此选项后,将对选中的实体进行抽空处理;

⑤ 在Direction(方向)栏中可以通过以下3种方式对抽壳进行操作。

• Inward(内部壁面):选择此选项后,抽壳操作对实体进行壁面向内部抽壳处理;

• Outward(外部壁面):选择此选项后,抽壳操作对实体进行壁面向外部抽壳处理;

• Mid-Plane(中间面):选择此选项后,抽壳操作对实体进行中间壁面抽壳处理。

(7)Fixed-Radius Blend(确定半径倒圆角):单击此命令后,弹出图2-12所示的倒圆角设置面板。

图2-12 确定半径倒圆角设置面板

① 在FD1,Radius(>0)栏中输入圆角的半径;

② 在Geometry栏中选择要倒圆角的棱边或者平面,如果选择的是平面,倒圆角命令将平面周围的几条棱边全部倒成圆角。

(8)Variable Radius Blend(变化半径倒圆角):单击此命令后,弹出图2-13所示的倒圆角设置面板。

图2-13 变化半径倒圆角设置面板

① 在Transition(过渡)选项栏中可以选择Smooth(平滑)和Linear(线性)两种;

② 在Edges(棱边)选项中选择要倒角的棱边;

③ 在FD1,Start Radius(>=0)栏中输入初始半径大小;

④ 在FD2,End Radius(>=0)栏中输入尾部半径大小。

(9)Chamfer(倒角):单击此命令后弹出图2-14所示的倒角设置面板。

图2-14 倒角设置面板

① 在Geometry栏中选择实体棱边或者表面,当选择表面时,将表面周围的所有棱边全部倒角。

② 在Type(类型)栏中有以下3种数值输入方式。

• Left-Right(左-右)。选择此选项后,在下面的栏中输入两侧的长度。

• Left-Angle(左-角度)。选择此选项后,在下面的栏中输入左侧长度和一个角度。

• Right-Angle(右-角度)。选择此选项后,在下面的栏中输入右侧长度和一个角度。

(10)Pattern(阵列):单击此命令后,弹出图2-15所示的阵列设置面板。

图2-15 阵列设置面板

在Pattern Type(阵列类型)栏中可以选择以下3种阵列样式。

① Linear(线性)。选择此选项后,阵列的方式将沿着某一方向阵列,需要在Direction(方向)栏中选择要阵列的方向及偏移距离和阵列数量。

② Circular(圆形)。选择此选项后,阵列的方式将沿着某根轴线阵列一圈,需要在Axis(轴线)栏中选择轴线及偏移距离和阵列数量。

③ Rectangular(矩形)。选择此选项后,阵列方式将沿着两根相互垂直的边或者轴线阵列,需要选择两个阵列方向及偏移距离和阵列数量。

(11)Body Operation(体操作):单击此命令后,弹出图2-16所示的体操作设置面板。

图2-16 体操作设置面板

在Type(类型)栏中有以下几种体操作样式。

① Sew(缝合)。对有缺陷的体进行补片复原后,再利用缝合命令对复原部位进行实体化操作。

② Simplify(简化)。对选中材料进行简化操作。

③ Cut Material(切材料)。对选中的体进行去除材料操作。

④ Slice Material(材料切片)。需要在一个完全冻结的体上执行操作,对选中材料进行材料切片操作。

⑤ Imprint Faces(表面印记)。对选中体进行表面印记操作。

⑥ Clean Bodies(清理)。对选中的体进行清理操作。

(12)Boolean(布尔运算):单击此命令后弹出图2-17所示的布尔运算设置面板。

图2-17 布尔运算设置面板

在Operation(操作)选项中有以下4种操作选项。

① Unit(并集)。将多个实体合并到一起,形成一个实体,此操作需要在Tools Bodies(工具体)栏中选中所有进行体合并的实体。

② Subtract(差集)。将一个实体(Tools Bodies)从另一个实体(Target Bodies)中去除;需要在Target Bodies(目标体)中选择所要切除材料的实体,在Tools Bodies(工具体)栏中选择要切除的实体工具。

③ Intersect(交集)。将两个实体相交部分取出来,其余的实体被删除。

④ Imprint Faces(表面印记)。生成一个实体(Tools Bodies)与另一个实体(Target Bodies)相交处的面;需要在Target Bodies(目标体)和Tools Bodies(工具体)栏中分别选择两个实体。

(13)Slice(切片):增强了DesignModeler的可用性,可以产生用来划分映射网格的可扫掠分网的体。当模型完全由冻结体组成时,本命令才可用。单击此命令后弹出图2-18所示的切片设置面板。

图2-18 切片设置面板

在Slice Type(切片类型)选项中有以下几种方式对体进行切片操作。

① Slice by Plane(用平面切片)。利用已有的平面对实体进行切片操作,平面必须经过实体,在Base Plane(基准平面)栏中选择平面。

② Slice off Faces(用表面偏移平面切片)。在模型上选中一些面,这些面大概形成一定的凹面,本命令将切开这些面。

③ Slice by Surface(用曲面切片)。利用已有的曲面对实体进行切片操作,在Target Face(目标面)栏中选择曲面。

④ Slice off Edges(用边做切片)。选择切分边,用切分出的边创建分离体。

⑤ Slice By Edge Loop(用封闭棱边切片)。在实体模型上选择一条封闭的棱边来创建切片。

(14)Face Delete(删除面):本命令用于“撤销”倒角和去材料等操作,可以将倒角、去材料等特征从体上移除。单击此命令后,弹出图2-19所示的删除面设置面板。

图2-19 删除面设置面板

在Healing Method(处理方式)栏中有以下几种方式来实现删除面的操作。

① Automatic(自动)。选择本命令后,在Face栏中选择要去除的面,即可将面删除。

② Natural Healing(自然处理)。对几何体进行自然复原处理。

③ Patch Healing(修补处理)。对几何实体进行修补处理。

④ No Healing(不处理)。不进行任何修复处理。

(15)Edge Delete(删除边线):与Face Delete作用相似,这里不再赘述。

(16)Primitives(原始图形):如图2-5所示,可以创建一些原始的图形,如圆形、矩形等。

3.Concept(概念)菜单

图2-20所示为Concept(概念)菜单,Concept菜单中包含对线体和面操作的一系列命令,包括线体的生成与面的生成等。

图2-20 Concept菜单

4.Tools(工具)菜单

图2-21所示为Tools(工具)菜单,Tools菜单中包含对线、体和面操作的一系列命令,包括冻结、解冻、选择命名、属性、包含、填充等命令。

图2-21 Tools菜单

下面对一些常用的工具命令进行简单介绍。

(1)Freeze(冻结):DM平台会默认地将新建立的几何体和已有的几何体合并起来保持单个体,如果想将新建立的几何体与已有的几何体分开,需要将已有的几何体进行冻结处理。

冻结特征可以将所有的激活体转到冻结状态,但是在建模过程中除切片操作以外,其他命令都不能用于冻结体。

(2)Unfreeze(解冻):冻结的几何体可以通过本命令解冻。

(3)Named Selection(选择命名):用于对几何体中的节点、边线、面、体等进行命名。

(4)Mid-Surface(中间面):用于将等厚度的薄壁类结构简化成“壳”模型。

(5)Enclosure(包含):在体附近创建周围区域以方便模拟场区域,本操作主要应用于流体动力学(CFD)及电磁场有限元分析(EMAG)等计算的前处理,通过Enclose操作可以创建物体的外部流场或者绕组的电场或磁场计算域模型。

(6)Fill(填充):与Enclosure(包含)命令相似,Fill命令主要为几何体创建内部计算域,如管道中的流场等。

5.View(视图)菜单

图2-22所示为View(视图)菜单,视图菜单各个命令主要是对几何体显示的操作,这里不再赘述。

图2-22 View菜单

6.Help(帮助)菜单

图2-23所示为Help(帮助)菜单,帮助菜单提供了在线帮助等。

图2-23 Help菜单

2.1.3 工具栏

图2-24所示为DesignModeler平台默认的常用工具命令,这些命令在菜单栏中均可找到,下面对建模过程中经常用到的命令进行介绍。

图2-24 工具栏

以三键鼠标为例,鼠标左键实现基本控制,包括几何的选择和拖动,此外与键盘部分按钮结合使用实现不同操作。

• Ctrl+鼠标左键:执行添加/移除选定几何实体;

• Shift+鼠标中键:执行放大/缩小几何实体操作;

• Ctrl+鼠标中键:执行几何体平移操作。

另外,按住鼠标右键进行框选几何实体,可以实现几何实体的快速缩放操作,在绘图区域右键单击可以弹出快捷菜单,以完成相关的操作,如图2-25所示。

图2-25 快捷菜单

1.选择过滤器

在建模过程中,会经常需要选择实体的某个面、某个边或者某个点等操作,可以在工具栏中相应的过滤器中进行选择切换,如图2-26所示,如果想选择齿轮上的某个齿的面,首先选中工具栏中的

按钮使其处于凹陷状态,然后选择所关心的面即可。如果想要选择线或者点,则只需选中工具栏中的

图2-26 面选择过滤器

如果需要对多个面进行选择,如图2-27所示,则需要单击工具栏中

图2-27 面框选过滤器

线或者点的框选与面类似,这里不再赘述。

框选的时候有方向性,具体说明如下。

• 鼠标从左到右拖动:选中所有完全包含在选择中的对象;

• 鼠标从右到左拖动:选中包含于或经过选择框的对象。

2.窗口控制

DesignModeler平台的工具栏上面有各种控制窗口的快捷按钮,通过单击不同按钮,实现图形控制,如图2-28所示。

• 
  按钮用来实现几何旋转操作;

• 
  按钮用来实现几何平移操作;

• 
  按钮实现图形的放大缩小操作;

• 
  按钮实现窗口的缩放操作;

• 
  按钮实现自动匹配窗口大小操作。

利用鼠标还能直接在绘图区域控制图形,如图2-28所示。当鼠标位于图形的中心区域相当于

操作,当鼠标位于图形之外时为绕Z轴旋转操作,当鼠标位于图形界面的上下边界附近时为绕X轴旋转操作,当鼠标位于图形界面的左右边界附近时为绕Y轴旋转操作。

图2-28 窗口控制

2.1.4 常用命令栏

图2-29所示为DesignModeler平台默认的常用命令,这些命令在菜单栏中均可找到,这里不再赘述。

图2-29 常用命令栏

2.1.5 Tree Outline(模型树)

图2-30所示的模型树中包括两个模块:Modeling(实体模型)和Sketching(草绘),下面对Sketching(草绘)模块中命令进行详细介绍。

图2-30 Tree Outline

Sketching(草绘)模块主要由以下几个部分组成。

(1)Draw(草绘):图2-31所示为Draw(草绘)卷帘菜单,菜单中包括了二维草绘需要的所有工具,如直线、圆、矩形、椭圆等,操作方法与其他CAD软件一样。

图2-31 Draw

(2)Modify(修改):图2-32所示为Modify(修改)卷帘菜单,菜单中包括了二维草绘修改需要的所有工具,如倒圆角、倒角、裁剪、延伸、分割等,操作方法与其他CAD软件一样。

图2-32 Modify

(3)Dimensions(尺寸标注):图2-33所示为Dimensions(尺寸标注)卷帘菜单,菜单中包括了二维图形尺寸标注需要的所有工具,如一般标注、水平标注、垂直标注、长度/距离标注、半径直径标注、角度标注等,操作方法与其他CAD软件一样。

图2-33 Dimensions

(4)Constraints(约束):图2-34所示为Constraints(约束)卷帘菜单,菜单中包括了二维图形约束需要的所有工具,如固定约束、水平约束、竖直约束、垂直约束、相切约束、对称约束、平行约束、同心约束、等半径约束、等长度约束等,操作方法与其他CAD软件一样。

图2-34 Constraints

(5)Settings(设置):图2-35所示为Settings(设置)卷帘菜单,Settings(设置)菜单主要完成草绘界面的栅格大小及移动捕捉步大小的设置任务。

图2-35 Settings

① 在Settings(设置)菜单下单击Grid命令,使Grid图标处于凹陷状态同时在后面生成Show in 2D:□和Snap:□,勾选□使其处于选中状态

图2-36 Grid栅格

② 在Settings(设置)菜单下单击Major Grid Spacing命令,使Major Grid Spacing图标处于凹陷状态同时在后面生成

,在此文本框中输入主栅格的大小,默认为10mm,将此值改成20mm后在用户交互窗口出现图2-37(b)右侧所示的栅格。

图2-37 主栅格大小

③ 在Settings(设置)菜单下单击Minor-Steps per Major命令,使Minor-Steps per Major图标处于凹陷状态同时在后面生成

,在此文本框中输入每个主栅格上划分的网格数,默认为10,将此值改成15后在用户交互窗口出现图2-38(b)右侧所示的栅格。

④ 在Settings(设置)菜单下单击Snaps per Minor命令,使Snaps per Minor图标处于凹陷状态同时在后面生成

,在此文本框中输入每个小网格上捕捉的次数,默认为1,将此值改成2后,选择草绘直线命令,在用户交互窗口中单击直线第一点,然后移动鼠标,此时吸盘会在每个小网格四条边的中间位置被吸一次,如果值是默认的1,则在4个角点被吸住。

图2-38 主栅格中小网格数量设置

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