ANSYS的建模方法和网格划分

学 术 版

Vol.6 No.09 2006年 09月 China Water Transport Academic Version September 2006

收稿日期2006-7-5

作者简介邢静忠

男1

966 兰州理工大学理学院 博士 兰州理工大学教授

730050 李 军 男1

979 兰州理工大学理学院工程力学2004级研究生

730050

研究方向

工程结构优化设计

ANSYS 的建模方法和网格划分

邢静忠 李 军

摘 要

随着计算机硬件升级更新速度的不断加快

有限元技术得到空前的发展

越来越多地应用于各个领域

而

ANSYS 软件具有建模简单快速

方便的特点

因而成为大型通用有限元软件的代表

对有限元作了一个总体的介

绍简要叙述了ANSYS

软件的主要特点着重介绍了ANSYS 软件的建模方法并结合自己的实践经验谈了ANSYS 软

件的网格划分技巧 关键词有限元 ANSYS 实体建模 网格划分

中图分类号

TP311

文献标识码

A 文章编号

1006-7973

2006

09-0116-03

一有限元简介

有限单元法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法在上个世纪50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静动态特性分析中得到应用

随后很快广泛应用于

热传导

电磁场

流体力学等连续性问题

有限元的核心思

想是结构的离散化就是将实际结构假想地离散为有限数目

的规则单元组合体实际结构的物理性能可以通过对实际结

构的分析得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析

这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又

无法解决的复杂问题

二ANSYS 软件介绍

1

概况

ANSYS

是一种应用广泛的商业套装工程分析软件所谓

工程分析主要是机械结构系统受到外力载荷时所出现的反

应

例如应力

位移

温度等

根据该反应可知道机械结构

系统受到外力载荷后的状态

进而判断是否符合设计要求

一般机械结构系统的几何结构相当复杂

受的载荷也相当多

理论分析往往无法进行

想要得到解答

必须先简化结构

采用数值模拟的方法进行分析

由于计算机行业的发展

相

应的软件也应运而生

ANSYS

就是其中一种

它是由美国匹

兹堡大学力学系教授JohnSwanskon 博士开发出的颇有影响

的大型通用有限元分析软件

该软件在原有结构的基础上

又融热

流体

电磁

声学于一体

可广泛用于机械航空

航天

能源

交通运输

土木建筑

水利

电子

地矿

生

物医学

教学科研等众多领域

它具有结构静力分析

结构

动力学分析声场分析压电分析等功能

同时它还具有良好的用户界面

前后处理和图形功能

因而受到国际工程界和学术界的普遍欢迎和重视

ANSYS

软件的分析过程分为前处理求解和后处理三个

过程分析过程如图1

[1

]

图1 ANSYS 分析计算的基本流程 2特点

1

完备的前处理功能 ANSYS 不仅提供了一个强大的实体建模及网格划分工具

可以方便地构造数学模型及有限元模型 ,而且还专门设有与我们所熟悉的一些大型通用有限元分析软件的数据接口

如MSC/ NSSTRAN ,ALGOR ,ABAQUS 等 ,允许从这些程序读取有限元数据,甚至材料特性与边界条件,完成 ANSYS 中的初步建模工作此外,ANSYS 还具有近190种单元类型 ,这些丰富的单元类型能使工程人员方便而准确地构建出反映实际结构的仿真计算模型

2

强大的求解器

万方数据

第09期 邢静忠等ANSYS 的建模方法和网格划分 117

ANSYS 提供了对各种物理场量的分析 ,是目前世界范围

内唯一能融结构热电磁

流体声学等于一体的有限元

分析软件

除了常规的线性

非线性结构静动力分析外 ,

还能解决高度非线性结构动力分析

结构线性及非线性屈曲

分析

3

方便的后处理器

ANSYS 的后处理器分为通用后处理模块 (POST 1)和时间历程后处理模块(POST26)

两部分

该后处理器可以很容易获

得求解过程中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

4

提供了多种进行二次开发的工具

ANSYS 除了具有较为完善的分析功能外,同时还为用户进行二次开发提供了多种实用工具如宏(Marco)用户界面设计语言(UIDL)参数设计语言(APDL)及用户编程特性

UPFS

[2]

三ANSYS 的建模 直观

方便

快捷和有效的建模技术是ANSYS 得到广

泛应用的重要原因之一对于那种结构外形尺寸比较简单的

计算模型ANSYS

可采用直接建模方法

即先确立节点

然

后创建单元

这种方法在土木工程中应用比较广泛

若结构

外形尺寸比较复杂ANSYS

则采用立体模型建立法

即间接

建模法一般航天航空和机械工程中大多采用间接建模方法

ANSYS

的前处理器的实体建模功能允许用户直接同模

型的几何特性打交道而不必关心有限元模型的特定图元点

和单元为了便于建模该程序把几何特性和边界条件的定

义与有限元网格的生成分开进行用户首先描述实体模型的

几何结构

当通过交互方式和命令方式完成后

则可以容易

地验证输入的数据

最后该程序对最终模型进行网格划分该过程实质上就是一个CAD

过程

ANSYS

程序提供了两种实体建模的方法

即自顶向下和

自底向上

自顶向下进行实体建模时

用户只要定义一个模

型的最高级图元较为常用的实体建模形状如球

棱柱称为几何体素可以用单独的ANSYS 命令来生成自底向上

进行实体建模时用户从最低级图元向上构建模型

即

用

户首先定义关键点

然后依次是相关的线

面

体

自顶向

下与自底向上建模技术可在任何模型中自由组合使用ANSYS

各图元之间的关系如下图

Keypoint(关键点

)

Line(线)Area 面Volume(体)

低

高 ANSYS

程序还提供了拖拉

延伸

旋转

移动或拷贝实

体模型图元的功能这些操作都近似于CAD 软件的操作附

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

自倒角生成

硬点

用于

网格划分

的建立

移动

拷贝和删除

除此之外

还可以

根据需要控制网格密度

计算质量特性以及进行组元组合在ANSYS

实体建模中所有线均用非均匀有理B

样条

NURBS

表示

线是两端的关键点围成的样条的一部分

面是由线完全围成的

体是由面围成的实体部分

利用

NURBS

的实体模型图元表示法

称为蒙皮

也称放样的表

面构造技术更易于使用

利用该技术用户可定义一组截面

曲线然后指示ANSYS 程序自动生成一个通过这些曲线的面蒙皮技术可使用户快捷地建立变截面的复杂形状模型

[3]

四ANSYS 的网格划分 1

划分方法

划分网格是建立有限元模型的一个重要环节他要求考

虑的问题较多

需要的工作量较大

网格划分的输入占到

有限元分析的工作量的一半以上

而且所划分的网格形式对

计算精度和计算规模将产生直接影响

ANSYS

中的网格划分方法主要有自由网格划分

映射网

格划分和体扫掠网格划分三种自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术它对所有划分的模型没有特殊的要求

可以应用于任何模型的网格划分

在面上

平面

曲面

它

自动生成三角形或四边形网格在体上它自动生成四面体网

格在自由网格划分时可以应用ANSYS 内置的一个专家系统

智能尺寸控制系统

对网格的疏密进行控制

也可以手工

控制

建议在自由网格划分时打开智能尺寸控制

虽然应用

自由网格划分技术划分网格省时省力

效率很高

但是由于

它只能将体划分成四面体网格这样造成有限元模型网格数

量过大

降低了计算的精度和速度

所以在对体进行网格划

分时尽量不使用自由网格划分 如果由于模型比较复杂必

须使用自由网格划分时 则尽量选用二次四面体单元如 92

号单元

不要选用线性六面体单元如 (45 号单元)因为线

性六面体单元没有中间节点

在使用自由网格划分后

自动

将其退化为相应的线性四面体单元

该类型单元有过高的刚

度

将会影响计算的精度

映射网格划分是对规整模型的一种网格划分技术它在

面上生成四边形网格在体上生成六面体网格 使用这种方

法生成的有限网格形状规则数量要比相应的自由网格少很

多

可以大大节省计算时间

提高计算精度

但是

这种网

格划分技术对面和体的形状有一定的要求

对于复杂模型必须使用ANSYS 的布尔运算功能将其分割成许多规则形状的

模型后才能使用映射网格划分技术

因此

使用映射网格划

分技术会花费较多的时间和精力但可得到较高的计算精

度

扫掠网格划分是由面网格经过拖拉

旋转

偏移等方式

而生成网格的一种网格划分技术在ANSYS 中碰到柱状的模

型一般可以考虑使用扫掠网格划分

例如对于具有高度不

规则横截面的3D 模型

在横截面上自由划分四边形网格 然

后在体内扫掠成六面体单元在扫掠前可对四边形网格加密

如需要确认加密后产生的单元保持四边形以保证扫掠成

六面体单元

2划分技巧

1在网格划分时

首先要考虑的是模型的网格数量

网格数量的多少将影响计算规模的大小

一般来讲

网

格数量增加

计算精度会有所提高

但同时计算规模也会增

加ANSYS 软件规定了模型的最大节点数目以其计算模型

所以在确定网格数量时应权衡2个因素综合考虑图2

万方数据

118

中 国 水 运学 术 版 第06卷

中的曲线1表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线曲线2代表计算时间随网格数量的变化可以看出网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高而计算时间不

会有大的增加

当网格数量增加到一定程度后

在继续增加

网格时精度提高甚微

而计算时间却有大幅度增加

所以应

注意增加网格的经济性

图2 网格数量与求解精度的关系 2

考虑分析数据类型选择合适的网格数量

在决定网格数量时应考虑分析数据的类型在静力分析

时如果仅仅是计算结构的变形网格数量可以少些

如果

需要计算应力则在精度要求相同的情况下应取相对较多的

网格

同样在响应计算中

计算应力响应所取的网格数应比

计算位移响应多在计算结构固有动力特性时若仅仅是计

算少数低阶模态可以选择较少的网格

如计算的模态阶次较高则应选择较多的网格在热分析中

结构内部的温度

梯度不大

不需要大量的内部单元这时可划分较少的网格 3

用结构的对称性来减少模型的网格数量

结构的对称性是指假想结构的某一部分对称于结构的某

一平面轴线或点经反射或旋转之后

得到与结构其余部

分在形状物理特性

载荷情况和约束条件等完全一致的特

性

结构与对称性的利用就是根据分析结构的对称特性

只取结构的一半或者若干分之一进行分析一般地

计算机求

解方程组所用的时间与NB 其中N 为结构总自由度数

B 为整体刚度矩阵的带宽

成正比

因此利用结构的对称性

可

以大大减少计算机分析所需计算时间和存储容量但此时要注意的是施加边界条件时

不要忘记确定对称面上的节点施

加必要的位移约束条件使约束条件具有连续性

4

保证分析精度的前提下略去结构细节

在实际结构中常常会遇到一些复杂的细节或结构复杂的构件但分析的目标又不是这些细节或构件的应力与变形

而是整个结构的特性这时在建立模型时应该本着着眼于整体特征的基本思想将构件或零件上的一些对问题求解影

响很小的细节加以忽略

如倒角

圆角

安装孔等

也可以

利用等效它甚至将其简化

5

应力梯度较大时采取疏密不同的网格

在计算数据变化梯度较大的部位如应力集中处为了较好地反映数据变化规律需要采用比较密集的网格

而在

计算数据变化梯度较小的部位

为减小模型规模

则应划分

相对稀疏的网格采用疏密不同的网格划分既可以保持相当的计算精度又可使网格数量减小

因此

网格数量应增

加到结构的关键部位

在次要部位增加网格是不必要的

也

是不经济的

五

结束语

ANSYS 软件经过几十年的发展

已日渐成熟

它不但具

有良好的数据库管理和强大的前后处理功能

而且还时刻追踪最先进的计算方法和计算机技术不断提高分析精度和扩

展自身的开放性

并提供良好的二次开发功能

其中ANSYS

的网格划分和建模功能是最重要的部分

本文简要介绍了这

两种功能

希望对用户能有所启发

只有在实践中不断地总

结经验才能熟练运用ANSYS

参考文献

[1] 王立涛大型有限元分析软件

ANSYS 的应用技巧[J]安

徽工程科技学院学报,2003,18(3):1 [2] 高兴军等大型通用有限元分析软件ANSYS 简介[J]辽宁石油化工大学学报,2004,21(3):27 [3] 潘玉松浅谈使用ANSYS 时的建模方法[J]成都电子机械高等专科学校学报,2006年6月:12

[4] 王瑞等ANSYS 有限元网格划分浅析[J]天津工业大学学报,21(4):2

4

[5] 等ANSYS 中几中建模方法的研究[J]计算机应用

技术,2005,32(6)

[6] 王凤丽等在ANSYS 中建立复杂有限元模型[J]哈尔滨

理工大学学报,2003,8(3)

[7] 马奎兴

有限元及软件ANSYS 简介[J]

水利科技与经

济,2004,10(3)

[8] 李新坡等

ANSYS 结构计算二次开发技术研究及应用

[J]

岩土工程技术,2004,18(2)

Abstract: Speeds up unceasingly along with the computer hardware promotion renewal speed, the finite element technology obtains the unprecedented development, more and more many applies in each domain. But the ANSYS software has the modelling to be simple, fast, facilitates characteristic, thus becomes the large-scale general finite element software representative. Has made an overall introduction to the finite element, briefly narrated the ANSYS software main characteristic, introduced emphatically the ANSYS software modelling method, and unified own practice experience sharing ANSYS software the grid division skill.

Key word: Finite element ANSYS Entity modelling Grid division

数量

计算

时间

万方数据

ANSYS的建模方法和网格划分

作者：邢静忠， 李军， Xing Jingzhong， Li Jun

作者单位：兰州理工大学理学院,730050

刊名：

中国水运（学术版）

英文刊名：CHINA WATER TRANSPORT(ACADEMIC VERSION)

年，卷(期)：2006,6(9)

被引用次数：14次

1.李新坡ANSYS结构计算二次开发技术研究及应用[期刊论文]-岩土工程技术 2004(02)

2.马奎兴有限元及软件ANSYS简介[期刊论文]-水利科技与经济 2004(03)

3.王凤丽在ANSYS中建立复杂有限元模型[期刊论文]-哈尔滨理工大学学报 2003(03)

4.ANSYS中几中建模方法的研究[期刊论文]-计算机应用技术 2005(06)

5.王瑞ANSYS有限元网格划分浅析[期刊论文]-天津工业大学学报 2002(04)

6.潘玉松浅谈使用ANSYS时的建模方法 2006

7.高兴军大型通用有限元分析软件ANSYS简介[期刊论文]-辽宁石油化工大学学报 2004(03)

8.王立涛大型有限元分析软件-ANSYS的应用技巧[期刊论文]-安徽工程科技学院学报 2003(03)

1.由美雁.谢里阳.YOU Mei-yan.XIE Li-yang ANSYS的网格划分在工程实例上的应用[期刊论文]-机械2007,34(9)

2.郭洪锍基于ANSYS软件的有限元法网格划分技术浅析[期刊论文]-科技经济市场2010(4)

3.李庆龄.Li Qingling ANSYS中网格划分方法研究[期刊论文]-上海电机学院学报2006,9(5)

4.仇亚萍.黄俐军.冯立飞.Qiu Yaping.Huang Lijun.Feng Lifei基于ANSYS的有限元网格划分方法[期刊论文]-机械管理开发2007(6)

5.袁国勇.YUAN Guoyong ANSYS网格划分方法的分析[期刊论文]-现代机械2009(6)

6.杨小兰.刘极峰.陈旋基于ANSYS的有限元法网格划分浅析[期刊论文]-煤矿机械2005(1)

7.高志刚.刘泽明.李娜.GAO Zhi-gang.LIU Ze-ming.LI Na复杂模型的ANSYS有限元网格划分研究[期刊论文]-机械工程与自动化2006(3)

8.王立涛大型有限元分析软件--ANSYS的应用技巧[期刊论文]-安徽工程科技学院学报2003,18(3)

9.才漪.闫再友.CAI Yi.YAN Zai-you ANSYS网格划分技巧与网格信息提取技术[期刊论文]-浙江科技学院学报2007,19(3)

10.刘丽贤.马国鹭.赵登峰.LIU Li-xian.MA Guo-lu.ZHAO Deng-feng基于APDL的ANSYS网格划分及应用[期刊论文]-重庆科技学院学报（自然科学版）2008,10(5)

1.邹微微.王玉霞.徐扬.张秀AlN薄膜的热应力模拟计算[期刊论文]-光机电信息 2011(1)

2.翟会超.任凤玉.张国建FLAC3D中随机裂隙模型实现技术研究[期刊论文]-中国矿业 2011(10)

3.杨林建.吴先文.冯锦春.李剑基于ANSYS的大型立磨机机身立柱改造研究[期刊论文]-机械设计与制造 2011(8)

4.刘守法经济型喷漆机器人的设计与仿真分析[期刊论文]-煤矿机械 2010(11)

5.高旭.曾国英.李婷婷螺纹连接法兰结构的模态分析[期刊论文]-中国重型装备 2009(3)

6.刘守法斜井人车插爪设计及有限元分析[期刊论文]-煤矿机械 2009(5)

7.高旭.曾国英.李婷婷基于ANSYS的螺纹连接法兰结构模态分析[期刊论文]-传感器世界 2009(6)

8.高旭.曾国英.李婷婷基于ANSYS的螺纹连接法兰结构模态分析[期刊论文]-重庆科技学院学报（自然科学版） 2009(5)

9.王小敏.刘小勇大坝变形分析与预报的有限元法[期刊论文]-地理空间信息 2009(5)

10.伍胜男.杨枝衡.戴光泽基于ANSYS的地铁弹条强度模拟分析[期刊论文]-江西理工大学学报 2008(5)

11.马国鹭.刘丽贤.曾国英长虹某型电视机的跌落仿真分析[期刊论文]-噪声与振动控制 2008(6)

12.丁雪兴.王悦.刘雪岭.周新光.张浩民机械密封焊接金属波纹管波纹膜片动态应力计算及分析[期刊论文]-化工机械 2008(1)

13.马国鹭.刘丽贤.曾国英基于ANSYS的长虹SF21366型电视机模态分析[期刊论文]-装备制造技术 2008(4)

14.李强.刘丽军.翁海珊.张桂霞.张洪祥复杂结构渐开线直齿圆柱内齿轮有限元模型的建立[期刊论文]-煤矿机械 2008(5)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgsy-xsb200609048.aspx