几何建模技术与技巧

第第 2 2 章几何建模技术与技巧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。 2.12.1 坐标系和工作平面坐标系和工作平面 2.1.12.1.1 坐标系类型坐标系类型 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 DSYS0 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。 2.1.22.1.2 坐标系的定义与激活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 KCS1 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 KCS3 时，其值为环面的主半径。 PAR2---仅适用于类似球体的系统，当 KCS2 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 KCN2 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,