第5例 有限元模型创建实例——实体建模法
本例提示
本例介绍了利用ANSYS的网格划分工具将实体模型转化为有限元模型的方法、步骤和技巧。
5.1 概述
创建有限元模型的方法有两种，即实体建模法和直接生成法。前者先创建实体模型，然后划分网格形成有限元模型；后者直接创建节点、单元，生成有限元模型，该方法只能用于节点和单元数量较少的场合。
利用实体建模法创建有限元模型的步骤如下：
（1）选择单元类型，指定单元选项。
（2）定义实常数。
（3）定义材料模型。
（4）为实体指定材料模型、实常数、单元类型等属性。
（5）指定单元尺寸控制。ANSYS提供的尺寸控制方法有智能尺寸控制、全局尺寸控制和局部尺寸控制。
（6）选择单元形状。
（7）选择划分方法。
对于面单元，可以使用自由网格划分和映射网格划分。自由网格的形状可以是三角形、四边形或者二者的组合，自由网格划分可以使用智能尺寸控制。映射网格的形状只能是三角形或四边形的一种，要求面有3条边或4条边，面对边划分单元段数相同。
对于体单元，可以使用自由网格划分、映射网格划分和扫略生成网格。自由网格划分只能使用四面体单元，可以使用智能尺寸控制。映射网格划分一般使用六面体单元，要求体有4个、5个或6个面。扫略生成网格是将源面上的网格沿一定方向复制、拉伸，进而形成体单元。
（8）划分单元。
（9）重定义单元。
5.2 问题描述
图5-1所示为一个结构分析时所建立的实体模型，现对其划分单元形成有限元模型。钢和铜的材料特性参数如表5-1所示。
表5-1 材料的特性参数
图5-1 实体模型
5.3 分析步骤
5.3.1 改变任务名
拾取菜单Utility Menu→File→Change Jobname，弹出如图5-2所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE5，单击“OK”按钮。
图5-2 改变任务名对话框
5.3.2 选择单元类型，指定单元选项
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，弹出如图5-3所示的对话框，单击“Add...”按钮，弹出如图5-4所示的对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”，在右侧列表中选“8node 183”，单击“OK”按钮，返回如图5-3所示的对话框，单击“Options”按钮，弹出如图5-5所示的对话框，选择“K3”为“Plane strs w/thk”（平面应力，定义厚度），单击“OK”按钮，然后单击如图5-3所示对话框中的“Close”按钮。
图5-3 单元类型对话框
图5-4 单元类型库对话框
图5-5 单元选项对话框
5.3.3 定义实常数
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete，在所弹出“Real Constants”对话框中单击“Add...”按钮，再单击随后所弹出对话框中的“OK”按钮，然后弹出如图5-6所示的对话框，在“THK”文本框中输入“0.002”（厚度），单击“OK”按钮，最后关闭“Real Constants”对话框。
图5-6 设置实常数对话框
5.3.4 定义材料模型
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models，弹出如图5-7所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图5-8所示的对话框，在“EX”文本框中输入“2e11”（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入“0.3”（泊松比），单击“OK”按钮。
图5-7 材料模型对话框
图5-8 材料特性对话框
单击如图5-7所示对话框的菜单项Material→New Model，然后单击所弹出“Define Material ID”对话框中的“OK”按钮，然后重复定义材料模型1时的各步骤，定义材料模型2（铜）的弹性模量为1e11，泊松比为0.3，最后关闭如图5-7所示的对话框。
5.3.5 创建矩形面
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→By Dimension，弹出如图5-9所示的对话框，在“X1, X2”文本框中分别输入0, 1，在“Y1, Y2”文本框中分别输入0, 1，单击“Apply”按钮；再次弹出如图5-9所示的对话框，在“X1, X2”文本框中分别输入0.5, 1.5，在“Y1, Y2”文本框中分别输入0.5, 1.5，单击“OK”按钮。
图5-9 创建矩形面对话框
5.3.6 显示关键点号、线号及面号
拾取菜单Utility Menu→PlotCtrls→Numbering，弹出如图5-10所示的对话框，将关键点号、线号及面号打开，单击“OK”按钮。
图5-10 图号控制对话框
5.3.7 交叠面
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Overlap→Areas，弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。
5.3.8 划分单元
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，弹出如图5-11所示的对话框，本步骤的所有操作均在此对话框下进行。
图5-11 网格工具对话框
（1）为面指定属性。选择“Element Attributes”的下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择面3，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出如图5-12所示的对话框，选择“MAT”下拉列表框为1，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，选择面4和5，单击拾取窗口中的“OK”按钮，选择如图5-12所示对话框中的“MAT”下拉列表框为2，单击“OK”按钮。
图5-12 面属性对话框
（2）对面3划分单元。单击“Size Controls”区域中“Lines”后面“Set”按钮，弹出拾取窗口，拾取线9和10，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出如图5-13所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入5，单击“OK”按钮；再在如图5-11所示对话框中的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射）；最后单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面3，单击“OK”按钮。
图5-13 单元尺寸对话框
（3）显示面。拾取菜单Utility Menu→Plot→Areas。
（4）对面4和5划分单元。选中如图5-11所示对话框中的“Smart Size”，选择其下方滚动条的值为4；单击“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出类似如图5-13所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入0.3，单击“OK”按钮；再在如图5-11所示对话框的“Mesh”区域，选择划分单元的方法为“Free”（自由）；最后单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面4和5，单击“OK”按钮。
（5）显示面。拾取菜单Utility Menu→Plot→Areas。
（6）重定义单元。选择如图5-11所示对话框中“Refine at”下拉列表框为KeyPoints，然后单击“Refine”按钮，弹出拾取窗口，拾取关键点9，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出如图5-14所示的对话框，选择“LEVEL”下拉列表框为2，将“Advanced options”（深度选项）打开，单击“OK”按钮，最后单击随后所弹出对话框中的“OK”按钮。
图5-14 重定义单元对话框
结构的有限元模型如图5-15所示。
图5-15 有限元模型
5.4 命令流
/CLEAR ！清除数据库，新建分析
/FILNAME,EXAMPLE5 ！定义任务名为“EXAMPLE5”
/PREP7 ！进入预处理器
ET,1,PLANE183,,,3 ！定义单元类型，设置单元选项
R,1,0.002 ！定义实常数
MP,EX,1,2E11 ！定义材料模型1，弹性模量EX=2E11，泊松比PRXY=0.3
MP, PRXY, 1, 0.3
MP,EX,2,1E11 ！定义材料模型2，弹性模量EX=1E11，泊松比PRXY=0.3
MP, PRXY, 2, 0.3
RECTNG,0,1,0,1 ！创建矩形面
RECTNG,0.5,1.5,0.5,1.5
AOVLAP,ALL ！交叠面
AATT,1,1,1 ！指定单元属性
MSHAPE,0 ！指定单元形状为四边形
MSHKEY,1 ！指定映射网格
LESIZE,9,,,5 ！指定线上单元边长度
LESIZE,10, , ,5
AMESH,3 ！对面3划分单元
AATT,2,1,1 ！指定单元属性
MSHKEY,0 ！指定自由网格
ESIZE,0.3 ！指定全局单元边长度
SMRTSIZE,4 ！智能尺寸级别
AMESH,4,5,1 ！对面4和5划分单元
KREFINE,9,,,2,1 ！在关键点9附近重定义单元
/PNUM,MAT,1 ！显示材料模型编号
/REPLOT ！重画图形
FINISH ！退出预处理器
练习题
5-1对第1～4例所创建的实体模型划分单元。