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ANSYS 入门教程 (16) - 几何建模技巧 (a)  

2010-08-08 07:06:46|  分类: ANSYS 入门基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2.5   几何建模技巧

2.5.1   ANSYS的单位
1.   结构分析的单位
    ANSYS 软件不进行计算单位的换算和检查,默认用户使用的单位制是统一的。虽然有 /UNITS 命令,但该命令仅仅是“注释”用户使用了何种单位制,以便他人阅读,该命令并不进行单位制的换算,也即并不影响计算结果。因此要求用户使用统一的单位制。
    在力学范围内,国际单位制的基本物理量仅 3 个:长度(m) 、质量(kg )和时间(s)。其它物理量如力、力矩、应力、弹性模量、加速度、截面特性等的单位都可用上述基本单位表示。

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     当采用国际单位制时(称为 m-kg-s 单位制):
        长度 - m、质量 - kg、时间 - s,则导出的物理量单位分别为:

               面积 - m^2;   体积 - m^3;     惯性矩 - m^4;速度 - m/s;   加速度 - m/s^2;  
               密度 - kg/m^3;   力 - kg·m/s^2 =N;  力矩 - kg·m^2/s^2 = N·m;
               应力、压力、模量等 - kg/(m·s2) = kg·m/s^2/m^2 = N/m^2 = Pa。

     如果采用长度 - mm、质量 - kg、时间 - s,(称为 mm-kg-s 单位制),则导出的物理量单位分别为:
               面积 - mm^2;   体积 - mm^3;   惯性矩 - mm^4;    速度 - mm/s;   加速度 - mm/s^2;   密度 - kg/mm^3;
               力 - kg·mm/s^2 = 10^(-3) N = mN;    力矩 - kg·mm^2/s^2 = 10^-3 N·mm = mN·mm;
               应力、压力、模量等 - kg/(mm·s^2) = kg·mm/s^2/mm^2 = 10^-3 MPa =   kPa。

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    基本物理量单位的不同,导出物理量的单位也不同。
    实际工程中常用 N 和 Pa 或 MPa 单位,而长度单位随模型的大小常取 m 或 mm,因此可以将上述物理量的单位进行换算,即采用长度、力和时间为基本物理量,然后导出其它物理量的单位,
    这样仅质量和密度两个物理量。
    质量的量纲为:力 × 时间^2 / 长度,而密度单位为:力 × 时间^2 / 长度 4
    如果取:长度 - mm ;力 - N; 时间 - s。
    则:面积 - mm^2;  体积 - mm^3;   惯性矩 - mm^4; 速度 - m/s;   加速度 - mm/s^2;  力矩 - N·mm;
           应力、弹性模量、面压力 - N/mm^2 = MPa;   线分布力 - N/mm;
           质量 - N·s^2/mm;    密度 - N·s^2/mm^4
    例如以钢材为例,设其密度为 7800 kg/m^3,质量为 100 kg,弹性模量为 2.1×10^11 Pa,利用牛顿定义 1N = 1kg·m/s^2换算如下:
           密度:7800 kg/m^3 = 7800×(1/1000N·s^2/mm)/(10^9 mm^3) = 7.8×10^-9  N·s^2/mm^4
          100 kg 质量:100 kg = 100×(1/1000N·s^2/mm) = 0.1 N·s^2/mm。
           弹性模量:2.1×10^11 Pa = 2.1×10^5 MPa。

 

2.   函数中的角度单位
    在 ANSYS 中经常用到关于角度的设置,如三角函数 SIN、COS、TAN 的角度输入,反三角函数 ASIN、ACOS、ATAN、ATAN2 中的角度输出,及角度测量函数 ANGLEK 和 ANGLEN 的角度输出等,这些输入和输出角度在 ANSYS 中缺省情况下均采用弧度(rad),可以采用 *AFUN函数设置为度(°),以便运算和操作。该命令仅对上述函数有作用,对建模中采用的角度不起作用。
    命令:*AFUN,Lab
    其中:Lab 为设置单位的参数。
        如 Lab=RAD(缺省),则输入角度和输出角度的单位采用弧度(rad);
        如 Lab=DEG 则输入角度和输出角度的单位采用度(°);
        如 Lab=STAT 则显示角度单位的状态。

    示例:
            pi=acos(-1)          ! 得到 PI=3.1415926
            a1=sin(pi/6)         ! 得到 A1=SIN(π/6)=0.5
            *AFUN,DEG         ! 设置角度的输入输出单位为度
            pi1=acos(-1)       ! 得到 PI1=180
            a2=sin(30)          ! 得到 A2=sin(30°)=0.5

 

3.  频率的单位
    ANSYS 模态分析结果之一是模态频率,其单位为 Hz (即 1/s),也就是常说的工程频率。而频率或圆频率的单位为 rad/s。

 

2.5.2   椭圆与椭球的建模

    椭圆与椭球在几何建模中虽然用的不多,但由于其较为特殊,这里主要介绍椭圆线、椭圆面、旋转椭球和椭球的几何建模方法与技巧。

1.   椭圆线与椭圆面
    设椭圆的标准方程为:

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    创建椭圆线及椭圆面。
    创建椭圆的核心是建立一个局部坐标系,该局部坐标系定义椭圆 Y 轴半径与 X 轴半径之比,如 LOCAL 和 CSWPLA 命令等:

    示例:
            finish  $/clear
            /prep7  $a=5  $b=2                       ! 进入前处理,并定义 a 和 b 参数
            cswpla,12,1,b/a                             ! 根据当前工作平面定义局部柱坐标系,且 Y 轴半径与 X 轴半径之比为 b/a
            k,1,-a  $k,2,a  $l,1,2                      ! 创建关键点和椭圆线
            csys,0  $lsymm,y,all                       ! 激活总体直角坐标系,对称创建线
            nummrg,kp  $al,all                         ! 消除重合关键点,并由线创建面。该椭圆面可以进行布尔运算

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2.   旋转椭球面和椭球体
    设椭球面或体的标准方程为

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     当为旋转面或体时命令流如下:
            finish  $/clear
            /PREP7  $A=5  $B=2                         !进入前处理,并定义a和b参数
            CSWPLA,12,1,B/A                             !定义局部柱坐标系,Y轴半径与X轴半径之比为b/a
            K,1,-A  $K,2,A  $L,1,2                       !创建关键点和椭圆线
            CSYS,0  $arotat,1,,,,,,1,2,,8              !激活总体直角坐标系,旋转线创建椭球面
                                                                           !该椭球面可以进行布尔运算,例如切分等运算。
            !---------------------------------------------------------------------------------------------
            !创建旋转体命令流如下:
            finish  $/clear
            /prep7  $a=5  $b=2                         ! 进入前处理,并定义 a 和 b 参数
            cswpla,12,1,b/a                               ! 定义局部柱坐标系,Y 轴半径与 X 轴半径之比为 b/a
            k,1,-a$k,2,a  $l,1,2                          ! 创建关键点和椭圆线
            csys,0$L,1,2   $AL,ALL                 ! 激活总体直角坐标系,创建直线,并由线创建面
            vrotat,1,,,,,,1,2                                 !  旋转面创建椭球体
                                                                       !  该旋转椭球体也可以进行布尔运算。

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3.   任意椭球面和椭球体
    设椭球标准方程同上,且 a,b,c 互不相等。创建该椭球体或面也可有多种方法,如可采用直接创建椭球体法、由蒙皮创建体等。
    但是直接创建椭球体法不能进行布尔运算。蒙皮创建的椭球体可以进行布尔运算,进而可创建更复杂的模型。例如直接法创建 1/8 椭球体及全椭球的命令流为:
        finish  $/clear
        /prep7  $a=5  $b=4  $c=3                            ! 定义参数

        k,1,a  $k,2,,b  $k,3,,,c  $k,4                         ! 创建关键点

        local,12,2,,,,,,,b/a,c/a                                   ! 定义局部球坐标系

        v,1,2,3,4  $csys,0                                        ! 创建 1/8 椭球体,如使用 A,1,2,3 则创建椭球面
        vsymm,x,all$vsymm,y,all  $vsymm,z,all         ! 对称创建整个椭球
        !vadd,all                                                       ! 不能进行布尔加运算
        !vglue,all                                                      ! 不能进行布尔粘接运算
        nummrg,all                                                   ! 通过消除重合图素,达到合并的目的

 

4.   通过图素缩放创建椭圆或椭球
    虽然可通过蒙皮创建椭球体或面,但该方法毕竟要复杂的多。而通过图素比例缩放创建椭圆面、椭球面和椭球体比较方便,且创建的椭圆面、椭球面和椭球体均可进行布尔运算,因此是非常好的方法,也是创建椭圆相关的图素的最佳方法。
    如设圆的方程为  x^2 + y^2 = a^2,图素缩放比例为: x1 = x,y1 = (b/a)*y。
    将 x1,y1 代入圆的方程中并整理可得标准椭圆方程:

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     此为将圆缩放为椭圆的原理,创建椭球面或椭球体的原理相同。例如通过如下命令可创建椭圆和椭球:
          FINISH  $/CLEAR
          /PREP7  $A=5  $B=4  $C=3         ! 定义参数
          cyl4,,,a                                         ! 创建半径为 a 的圆
          arscale,1,,,1,b/a,,,,1                     ! 以 X 轴比例为 1,Y 轴的比例为 B/A 缩放圆创建椭圆

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     示例 2:

          sph4,3*a,,a                             ! 创建半径为 A 的球体
          vlscale,1,,,1,b/a,1,,,1              !  以 X 轴和  Z  轴的比例为 1,Y  轴的比例为 B/A 缩放球,创建椭球(同旋转椭球)
          sph4,6*a,,a                            !  创建半径为 A 的球体
          vlscale,2,,,1,b/a,c/a,,,1           !  以 X 轴的比例为 1,Y 轴的比例为 B/A 缩放球,Z 轴的比例为 c/A 创建椭球

 

2.5.3   图片保存与模型动画

1.   命令流中保存图片
    采用 /SHOW 命令定向显示设备,可得到各种效果的图片。

    示例:
        FINISH  $/CLEAR
        /prep7  $/view,1,1,1,1  $blc4,,,1,2,3          !  设置视图方式,创建一长方体
        /show,jpeg                                                 !  将图形显示定向到 JPEG 文件
        kplot                                                          !  显示关键点,创建第 1 幅图片
        lplot                                                           !  显示线,创建第 2 幅图片
        aplot                                                          !  显示面,创建第 3 幅图片
        vplot                                                          !  显示体,创建第 4 幅图片
        /show,close                                               !  将图形显示定向关闭,自动定向到屏幕
    只要将图形显示定向到文件,则所执行的每个显示命令都将产生一幅图片, 并保存到硬盘, 其文件名为 JOBNAMEnnn.JPEG。无论将命令粘贴到命令行或采用 /INPUT 等效果是一样的,这为用命令流创建图片提供了很大方便。   

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2.5.4   模型移动、旋转与装配

    几何模型或有限元模型有时需要移动或旋转。例如用其它软件分别建模然后导入 ANSYS,然后对模型进行移动或旋转以装配成整体;或者为建模方便在某个位置或方向建模,然后将模型移动或旋转到某个位置或方向;或者采用不同的单位制分别建模,分别导入后再行装配等。这些情况下,就需要对模型移动或旋转。
    模型的移动或旋转前文中已有介绍,主要是利用 xGEN(x=K,L,A,V,N,E)命令。

1. ANSYS中模型的移动和旋转
    为说明问题,这里以随意创建一立方体和圆柱体,然后装配成墩柱与承台。
        finish  $/clear
        /prep7  $/view,1,1,2,3                     ! 进入前处理,设置视图方式
        blc4,6,6,4,2,4                                 ! 在当前工作平面的 (6,6) 创建 X,Y,Z 分别为 4,2,4 的长方体
        cyl4,,,1,,,,6                                     ! 在当前工作平面的原点创建半径为 1 高为 6 的圆柱体
        local,12,1,,,,,,90                             ! 设置编号为 12 的局部柱坐标系,THXZ 旋转 90度
        vgen,1,2,,,,90,,,,1                          ! 旋转圆柱体 90 度,即 DY=90
        csdele,12                                       ! 删除编号为 12 的局部坐标系,回到总体直角坐标系
        vgen,1,2,,,0,8,0,,,1                        ! 沿 Y 方向移动圆柱体 8 个单位
        vgen,1,1,,,-8,-6,-2,,,1                    ! 移动长方体使其底面中心在原点,DX=-8, DY=-6, DZ=-2
        vglue,all                                         ! 粘接两体

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2.   用 ANSYS 独立建模再装配
    假设由甲乙两人分别创建一个模型的两部分,甲用长度单位为 m,乙用长度单位为 mm,分别创建了几何模型。将所创建的多个独立模型组合成一个模型,称为模型装配。模型装配主要通过三种途径,即:

        IGESOUT 和 IGESIN 命令;
        CDWRITE 和 CDREAD命令;
        命令流合并
    作业:自己建模并装配。

    注意:通过对部分模型的缩放使不同模型的单位统一。

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