第八章:创建节点单元模型与网格划分技术;8.1创建有限元模型的两种方法; 8.2 单元库、单元类型与单元实常数; 二维实体单元: 用于模拟实体的横截面 必须在总体笛卡尔坐标系的X－Y平面内建模 所有载荷都在X－Y平面上，响应（位移）也在X－Y平面 单元可以有下列特性: 平面应力 平面应变 轴对称 轴对称简谐;平面应力 假定在Z方向的应力为零 有效的组成为Z方向比X及Y方向的尺寸小得多 Z向应变非零 允许任意厚度(Z向) 用于诸如承受面内载荷的平板 或承受压力或离心载荷的薄盘;;轴对称 假定三维结构及其载荷可由2维截面通过沿Y轴旋转 360 °得到： 对称轴必须与总体Y轴重合 负的X 坐标不允许 Y 方向为轴，X方向为径向，Z方向为周向（环向）。 环向位移为零；环向应变和应力通常十分显著。 用于能承受压力的容器、直管、轴等。;三维实体单元: 用于几何模型??材料、载荷或要求的结构细节不能用简化形式的单元模拟的情况。 还用于几何模型由三维CAD系统输入的情况，如果转化为二维或壳单元形式需要大量时间和精力。; 单元阶次 单元阶次指单元形函数多项式的阶次 何为形函数? 给出单元结果形状的数学函数。因为有限元求解器只解出节点的自由度值，需要形函数将节点自由度值映射到单元内的点上。 形函数代表给定单元的假定的表现 每个假定的单元形函数与真实情况的匹配程度直接影响求解精度;;线单元 只支持线性变化的位移因此一个单元内为常应力 对单元扭曲高度敏感 如果仅对名义应力结果感兴趣则可接受 对高应力梯度区需要大量单元;注意: 对壳单元，线性单元及二次单元的差别不如实体单元显著，因此通常优先采用线性壳单元;结构分析常用单元类型: 实体 SOLID45 SOLID92 SOLID95 SOLID185 壳 SHELL63 SHELL181 梁 BEAM4 BEAM188 BEAM189 质量 MASS21 杆 LINK10 LINK11 管 PIPE16 PIPE17 PIPE18 PIPE20 PIPE59 PIPE60 表面效应 SURF153 SURF154 弹簧 COMBIN14 ;8.3 材料模型库与材料模型;定义材料属性时应当注意以下几点：;;;（3）在涉及到惯性载荷的分析比如动力分析以及需要施加离心载荷的分析的时候，还 需 要定义材料的密度。在定义材料模型对话框中右边的列表框中依次双击 Structural Density，弹出定义材料密度对话框，如下图所示。在 DENS（密度）文本框中输入 材料 的密度值，确认后单击 OK 按钮。;8.4直接法创建有限元网格模型过程;8.5 几何模型划分单元生成有限元网格模型;Main Menu: Preprocessor Mesh Tool;(2) 智能网格划分控制 图中标识为（2）的区域提供了 Smart Sizing（智能单元尺寸）控制。Smart Sizing 控制在生成映射（Mapped）网格时无效。自由划分网格时建议使用 Smart Sizing。可以选取Smart Sizing前面的复框打开Smart Sizing 控制并同时激活滑动条 ，滑动条用来控制 Smart Sizing的级别（从 1 到 10，级别越低，单元越细密 ）。 ;(3)局部网格尺寸控制; 2. Areas（面） 对Global和Lines 的单元尺寸控制是针对实体模型的边界上的单元尺寸的定义。本项的设定可以在面的内部没有可以引导网格划分的尺寸线的区域控制单元尺寸，推荐在自由分网时对此项进行设定，往往可以在整个模型上得到较好的网格。单击 按钮会弹出一个选择对话框，要求选择欲设置的面，选择欲设置的面然后单击选择对话框上的 按钮或者 按钮确认，在弹出的设置对话框可以设定单元边长，输入合适的值即可。单击 按钮将会清除设置。; 3. Lines（线） 设置选定的模型中的线(通常代表模型的边界)的单元分划数。 单击 按钮弹出线选择对话框，要求选择欲进行设置的线，选择欲设置的线后单击选择 对话框上的 或者 按钮确认，在弹出 Element Sizes on Picked Lines（选定线上的单元尺寸）设置对话框（如下图所示）中填入单元边长或者每条线的单元分划数（单元边长项空或者为零时有效）即可。单击 按钮将会清除设置。;（4）指定单元形状;（5）自由网格划分或映射网格划分;如果所划分的面的边数多于四条边，由于对面采用映射网格 要求面必须是三或者四条边，多于四条边的面可以先通过合并（concatenate）操作将几条线合为一条，使待划分网格的面符合面映射网格的要求，然后附加选项可以再一次进行选择“3 or 4 sided”，进行网格划分。 ;当分网的对象为体: 单元形状选择为六面体（Hex），网格生成方式选择为 扫掠（Sweep） 时（如图 2.77 所示），附加选项为“Auto Src/Trg”和“Pick Src/Trg”（关于扫掠分网 参见下文）。通常情况下选择前者，ANSYS 可以自动判断扫掠操作的源面和目标面. 只有当ANSYS 采用此选项不能对所选体进行扫掠分网操作时，才要选择“Pick Src/Trg”选项指定扫掠操作的源面和目标面以决定扫掠方向。 当选取后者时，单击 按钮确认要采用扫掠方式对体进行网格划分后，首先会弹出体选择对话框，要 求选择欲对其进行扫掠分网的体，选择欲扫掠分网的体并确认，弹出面选择对话框，按要求选择扫掠的源面和目标面，依次选择两个面并确认后，ANSYS 程序会用选定的六 面体单元对所选体进行扫掠分网。 当选择前者时，在确认扫掠并选择扫掠对象后 ANSYS 程序会自动的决定扫掠的方向而不用再 选择源面和目标面。 ;（6）执行网格划分;自由网格的划分 （附）; 映射网格的划分（附）;如果一个面多于四条边，不能用映射网格划分。但是能用 LCCAT（连接）命令或者 LCOMB（合并）命令使总边线数减少到四条。LCOMB 命令可用于相切或不相切的线。用 LCOMB 合并的线，在两条线的交点出不一定会产生节点（LCCAT 生成得线在生成网格时必然会在交点出产生一个节点）。 连接线： Command：LCCAT GUI：Main Menu Preprocessor Meshing Concatenate Lines 合并线： Command：LCOMB GUI：Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Add Lines 有必要注意一下的是，划分网格时在依附于线、面或者体上的关键点处将生成节点。因此一 条线将至少有关键点数同样多的单元分划数。程序不允许对这样的的线用更少的分划数来 指定其单元分划数。而且单元尺寸的定义也是针对原始线的，而不是针对连接线（LCCAT） 的。也不能直接对连接线指定单元分划数（只能对形成连接线的原始线分别定义单元分划 数），不能对连接线（LCCAT）做除了划分网格之外的任何进一步的操作。但是合并线（LCOMB）可以被直接指定分划数还能够对合并线进行进一步的操作，因此使用合并线 比连接线有一些优势，建议在能使用布尔运算合并的情况下尽量使用合并线，只有当布尔运算不能成功执行时才考虑使用连接线 条边的面划分映射网格，除了将多余的边通过连接或者合并操作使面的 总边数为 4 或者 3 外，还能够正常的使用 AMAP 命令（在网格划分工具中选择对面进行映射网格 划分，附加选项为“pick corners”，或者在关闭网格划分工具的情况下单击菜单路径“Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped By Corners”）， AMAP 命令提供了对多边面划分映射网格的简捷途径。AMAP命令需要拾取面边界上的三或四个关键点为顶点进行面映射网格划分，这种方法内在地连接两顶点之间的所有线， 然后对此面用四边形或者三角形单元划分网格。AMAP 操作不再需要连接或者合并线：内部做连接并在生成网格 之后删除连接线（原始线依然存在），面本身的线不作改变。如下图的面用 AMAP 命令划分映射网格，依次选择关键点 1、3、6、4 后，ANSYS 程序会自动连接线，然后生成网格，然后删去连接生成的线。 在指定面边界线的单元分划数时，不比对所 有线指定单元分划数，只需要指定两条对边 的一条的分划数即可，ANSYS 程序会自动的 将分划数传递到对边（指定的分划数必须大 于线上关键点数）。; 体映射网格划分 （附）;(8.6)对体扫掠生成网格 ;（3）确保已定义了合适的二维或三维单元类型。例如，如果对源面进行预网格划分，并想扫掠生成二次（有中节点）的六面体的单元，应当先用二次二维单元对源面划分网格，再对体扫掠生成二次六面体单元网格。这就要求分别定义二次二维单元和二次六面体单元类型。 （4）确定在扫掠操作的流程中生成单元层的数目，即沿扫掠方向的单元分划数。可用下列办法来进行控制： 用局部网格尺寸控制的方法定义扫掠器生成的单元尺寸。VSWEEP 用这 个值在内 部计算单元层的数目。这是默认的设置方法。 2. 用 EXTOPT 命令（Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Sweep Opts 或 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Elem Ext Opts），单击菜单路径后在弹出的对话框中可以直接设定扫掠方向上的单元分划数，如下图所示（左图中 NO. Elem dives 文本框表示单元分划数，右图中为 Number of divisions in sweep direction）。 注意用 EXTOPT 设定的单元分划数会加在体的所有未划分网格的侧面（侧面一词，此处是相对于指定的源面和目标面而言）线上。如果侧面线已预划分了网格或通过局部网格尺寸控制工具定义了单元分划数或者单元尺寸，由 EXTOPT 定义的值将会被忽略。;;（5 ）确定做为扫掠操作的源面和目标面（也可以让 ANSYS 自动决定而省略本步工作）。 源面和目标面的指定可以是自定义选择也可以让ANSYS自动选择。 ANSYS 将依据源面上的面单元模式（可以是四边形和三角形单元）用相应的单元类型（六面体和楔形单元）填充体（如果在扫掠之前未对面预划分网格，ANSYS 会自动生成“临时面单元”。不过在数据库中并不存储这些面单元；在确定了扫掠模式后会立即丢掉抛弃这些临时面单元）。 目标面仅是与源面相对的面以确定扫掠方向，如上图所示。若多于一个体被扫掠，任何自定义的源面和目标面将被忽略。如果没有指定源面和目标面，VSWEEP 将自动确定做为源面和目标面的边界面，若无法自动的确定出这两个面，VSWEEP 命令将中止。 （6）有选择的对源面、目标面和侧面划分网格。 体扫掠地结果会因在扫掠之前是否对模型中的任何面（源面、目标面和边界面）进行了网格划分而不同。典型的情况是在扫掠之前，已经对源面划分了网格。如果不对源面划分网格，ANSYS 会在扫掠操作时内在的为源面划分网格，此时生成的单元尺寸和形状有可能不能够满足预期要求。如果分别对源面和目标面都划分了网格，则他们必是匹配的，但并不要求源面或目标面网格是映射网格。 通常的做法是对源面划分映射网格，接着进行扫掠操作。;(8.7)对面拖拉操作生成体及网格 ; 当用 VROTAT、VEXT、VOFFST 或 VDARG 命令延伸已划分了网格的面（或属于一 已划分了网格的体的面）生成的体，面的网格即可作为生成体的网格划分依据而生成体的有限元网格。 ;（3）对待延伸、拖拉、偏移或旋转的面划分网格。 （4）指定在延伸、旋转或偏移方向单元分划数（No.Elem divs）。若用 VDRAG命令，需指定拖拉路线上的单元划分数（如上图）。 （5）执行相应的命令，生成体及体网格。 注意：包含有连接面（ACCAT）或有连接线（LCCAT）的面不可以进行拖拉操作。可 以这样绕过连接线的限制：先对面进行网格划分，然后删除依附于面的连接线，最后拖拉 面成为划分了网格的体。

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