第三章 模型建立的具体步骤

3.1 ANSYS软件介绍及转向节有限元模型建立

3.1.1 ANSYS的发展

ANSYS公司是由美国匹兹堡大学力学系教授、有限元法权威、著名专家John Swanson 博士于1970年创建而发展起来的，其总部位于美国宾夕法尼亚匹兹堡市，目前是世界CAE行业最大的公司之一。

经过30多年的发展，如今ANSYS软件更加趋于完善，功能更加强大，使用也更加方便。

3.1.2 ANSYS功能简介

软件主要包括3个部分，前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

3.1.3 前处理模块PREP7

双击“实用”菜单中的Preprocessor，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容；实体建模和网络划分。

（1）实体建模。

ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。

自顶向下进行建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论实用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而雕塑出来一个实体模型。在创建复杂实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔运算操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序提供了拖拉、

延伸、旋转、移动、延伸和复制实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。

自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。

（2）网格划分

ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元直接划分，避免了用户对各个部分分别划分后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

3.1.4 求解模块SOLUTION

前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。单击快捷工具区得SAVE_DB，将前处理模块生成的模型存盘，推出Preprocessor，单节“使用”菜单项中的Solution，进行分析求解模块。在该阶段，用户可以分析类型、分析选项、载荷和载荷步选项，然后开始有限元求解。

ANSYS软件提供的分析类型如下。

（1）结构静力分析。

用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

（2）结构动力学分析。

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括瞬态动力学分析、模态分析、谐波分析及随机振动响应分析。

（3）结构非线性分析。

结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3种。

（4）动力学分析。

ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的累积影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

（5）热分析。

程序可处理热传递的3种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的3种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和溶解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热—机构耦合分析能力。

（6）电磁场分析。

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分析、磁场线分布力、运动效应、电路和能量损失等，还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

（7）流体动力学。

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热—流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

（8）声场分析。

程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应、研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

（9）压电分析。

用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

3.1.5 后处理模块POST1和POST26

ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。

（1）通用后处理模块POST1。

单击“实用”菜单向项中的Gerneral Postproc选项即可进入通用后处理模块。这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果（如应力）在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色代表不同的值（如应力值）。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区（如应力范围），清晰地反映了计算结果的区域分布情况。

（2）时间历程响应后处理模块POST26。

单击“实用”菜单向项中的TimeHist Pstpro选项即可进入时间历程响应后处理模块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线，有助于形象化表示分析结果。另外，POST26还可以进行曲线的代数运算。

3.1.6 高杆灯有限元模型的建立

1．定义工作文件名

Utility Menu—File—Chang jobname,在弹出的Chang jobname对话框中输入GGD,并选择New Log and error files 复选框，单击OK按钮。

2．定义工作标题

Utility Menu—File—Chang Title,在弹出的Chang Title对话框中输入static analysis of high-light，单击OK按钮。

3．创建圆柱体

Main Menu—Preprocessor—Modeling—Creat—Volume—By Dimensions,输入坐标值，如下图所示：

4.调整视图缩放工具条，点按图中图标，使视图显示便于建模的位置；如图示：

5.创建底部支撑杆模型。旋转工作坐标系

Utility Menu—Workplane—Offset Wp by Increntments,弹出对话框，输入值.点击OK。

6.建立圆柱体横杆：

Main Menu—Preprocessor—Modeling—Creat—Volume—By Dimensions,输入坐标值，如下图所示：

建立如图示模型:

7.旋转工作坐标系，建立杆2使之与上部创建的杆1垂直：

Utility Menu—Workplane—Offset Wp by Increntments，弹出对话框，输入：

点击OK，完成工作坐标系的创建。

8.建立另一横杆：

Main Menu—Preprocessor—Modeling—Creat—Volume—By Dimensions,

输入坐标值，如下图所示：

建立如下图示模型：

9.建立约束竖杆: Utility Menu—Workplane—Offset Wp by Increntments，弹出对话框，输入：

点击OK，即完成工作坐标系的移动。

10.旋转工作坐标系， Utility Menu—Workplane—Offset Wp by Increntments，弹出对话框，输入：（0,0,90）点击OK,完成工作坐标系的旋转。

11. 创建约束杆：Main Menu—Preprocessor—Modeling—Creat—Volume—By Dimensions,输入坐标值，如下图所示：

点击OK即可完成竖直约束杆的创建。如图示：

12.移动工作坐标系: Utility Menu—Workplane—Offset Wp by Increntments，

弹出对话框，如图示：

点击ok即可完成坐标系的移动。

13. 创建约束杆：Main Menu—Preprocessor—Modeling—Creat—Volume—By Dimensions,输入坐标值，如下图所示：

点击OK

即可完成竖直约束杆的创建。结果如图示：

14.重复12—13步，完成另一横杆两端支撑的创建。结果如图示：

至此，完成了灯杆及其底部框架的模型建立。

15.对实体进行布尔运算

Main Menu—Preprocessor—Operate—Booleans—Add—Volumes，Pick All 完成实体布尔求和的操作。

16. 保存几何模型

Utility Menu—File—Save as，弹出一个对话框，输入GGD_Model, 单击OK按钮。

3.2 前处理

3.2.1 选择解题类型

1.ANSYS Main Menu > Preferences ，在弹出的ANSYS图形交互界面对话框，选中Structural复选框（解题类型选择为结构问题），点击OK按钮，如图所示：

3.2.2 定义单位

在工具栏的输入栏里输入/units,Mpa,按确定键结束。

3.2.3 定义单元类型

Main Menu—Preprocessor—Element Type—Add/Edit/Delete,弹出Element Type对话框，单击Add按钮，又弹出 Library of Element Type 对话框，在选项中分别选择 Structural Solid 和 Brick 8node 45，单击Ok按钮，单击Element Type对话框上的close按钮。

SOLID45单元说明: solid45单元用于构造三维实体结构.单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。

3.2.4 定义材料属性

对于分析的对象，在不同类型的分析中，需要给定材科的属性，也就是给出材料的各种力学，电磁学等参数．对于一般静力学的分析，最基本的各向同性材料参数包括杨氏模量、泊松比、材料密度等．通过材料模型属性设置对话框进行设置．通过对话框中进行设置，可以建立各种线性、非线性的材料模型。选择需要设置的材料类型后，双击鼠标按键，进一步设置材料的参数。

则具体操作如下:Main Menu—Preprocessor—Material Modes,弹出 Define Material Mode Behavior 对话框，在Material Mode Available 下面的对话框中，双击打开 Structural—Linear—Elastic—Isotropic，又弹出Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框，在EX后面的输入栏中输入2e11，在PRXY后面的输入栏中输入0.3，单击Ok按钮，然后单击菜单栏上的Material—Exit，完成材料属性的设置。

3.2.5 划分网格

一个几何模型仅仅表示了需要分析物体的几何尺寸、形状，若想实施进一步分析，还要通过划分单元格才能进行有限元分析。划分单元格时，不仅需要选择

划分单元格的方法，还需要选择划分单元格的形状、类型，同时还要根据分析精度，设定不同的单元格密度。划分单元格的方法主要有映射、扫掠、混合网格划分和自由网格划分等方法。单元格类型主要有四面体单元格和六面体单元格。本文由于高杆灯灯杆和底部框架尺寸相差较大的缘故，忽略定义单元尺寸。在此采用了四面体自由网格划分的方法，具体操作步骤如下：

Main Menu—Preprocessor—meshing—meshtool，弹出meshtool对话框，选中Smart Size复选框，将最小控制尺寸调为10，其他采取默认项，单击mesh按钮，弹出mesh Volumes 对话框，单击单击Pick All

按钮。

使用智能网格选项，可以方便地由程序自动分网，省去分网控制的麻烦。只需要拖动滑块控制分网的精度，其中1为最精细，10为最粗糙，默认精度为6。但是，智能分网只适用于自由网格，而不宜映射网格中采用。

划分网格后，实体的具体模型如下图所示：

至此，有限元模型建立完毕。

3.3 本章小结

本章以大型有限元分析软件ANSYS为基础，详细介绍了ANSYS软件的基本功能；研究讨论了在ANSYS中创建有限元模型的基本方法；针对高杆灯的具体结构，详细分析了创建高杆灯灯杆及底座有限元模型的具体步骤．确定了采用在ANSYA里建立有限元模型，选取工件的单元类型，设置工件的材料属性。采用了四面体单元对模型进行了自由网格划分，最终建立了合理的高杆灯有限元模性．