復雜模型的有限元分析方法*

周 健，郭世永，王保光

(青島理工大學，山東 青島 266033)

1 前言

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是目前國際上最流行的有限元分析軟件之一［1］。然而它在復雜的實體模型的建模和網格劃分的功能方面則相對較弱，因此如果只用ANSYS去完成復雜模型的建立、網格劃分和求解的話就比較困難了。法國達索公司開發的CATIA軟件是目前最流行的實體建模軟件之一，它具有強大的實體建模和曲面造型功能。HYPERMESH軟件是美國Altair公司的產品，在CAE工程技術領域，HYPERMESH最著名的特點是它所具有強大的有限元網格劃分前處理功能，并能夠與眾多CAD系統和有限元求解器進行方便的交換數據。鑒于此，對于復雜模型的有限元分析，可以在CATIA軟件中建立模型，通過HYPERMESH軟件與CATIA之間的接口，可以把在CATIA中建立好的實體模型導入到HYPERMESH中進行網格劃分和材料屬性的設置，在HYPERMESH軟件中對模型進行網格劃分，利用HYPERMESH軟件的開放性把模型保存為ANSYS常用的文件格式［2］，這樣便可把模型導入到ANSYS中進行求解［3］。在此有限元分析的過程中，不僅發揮了各軟件自身的優勢，而且也提高了分析的準確性，為復雜模型的有限元分析提供了一條新思路。

2 預處理

2.1 實體模型的建立

利用CATIA的零件設計功能模塊，根據設計圖紙，運用從下而上或自上向下的建模方法，利用樣條、橋接、偏置、投影、交叉等特性以及建立和編輯曲線、生成主片體等方法，逐步建立并修改模型，復雜的模型要利用CATIA的裝配設計模塊對模型進行組裝，最終完成研究對象完整準確的實體模型［4］。

2.2 實體模型的網格劃分

在HYPERMESH的ANSYS模塊中導入CATIA保存的實體模型［5］，檢查打開的實體模型是否完整，如果不完整則需要用HYPERMESH里的修補功能補充模型。之后定義材料屬性和單元類型。經過對模型的處理、網格劃分、網格質量的檢查等操作后把模型保存為ANSYS格式的“.cdb”文件，至此實體模型的網格劃分完成。

3 ANSYS計算及后處理

用ANSYS打開網格劃分好的模型，檢查模型的單元類型和材料屬性是否正確，如果不正確則可用“EMODIF和MPCHG”命令來修改［6］。然后在ANSYS中定義約束并加載載荷［7］，完成后進行求解計算并在后處理器中查看結果。

4 算例

某軸承支座在沖擊下的應力應變分析，支座的材料采用06Cr19Ni10型鋼，常溫下材料的彈性模量E=206 GPa，泊松比為0.3，密度為7.93 g/cm3。用ANSYS分析在軸向加速度為3 g的工況下查看支座的應變應力分布情況［8］。

4.1 CATIA和HYPERMESH的預處理

根據設計圖紙在CATIA軟件的零件設計工作臺中建立實體模型，如圖1所示。在CATIA中建模時注意要把長度單位設為mm，完成建模后把模型另存為“.igs”格式的文件。

圖1 CATIA中的實體模型

把CATIA保存的“.igs”文件導入到HYPERMESH軟件的ANSYS模塊中，在HYPERMESH軟件中首先檢查模型的完整性，當用一個軟件的文件導入到另一個軟件的時候，因為軟件之間做不到完全兼容，所以導入的模型可能會缺少部分結構。鑒于此，HYPERMESH軟件中有專用來修補模型的功能，確定模型的完整性之后即對模型進行網格劃分，如圖2所示。對本文中的模型是采用HYPERMESH的自動網格劃分完成的(本文模型共有1 824個節點和6102個單元體)，之后定義模型的的材料屬性和單元類型。完成之后把模型保存為“.cdb”格式的文件。

圖2 HYPERMESHH劃分網格后的模型

4.2 ANSYS檢查與后處理

通過ANSYS軟件file菜單中的“read input from”命令將用HYPERMESH保存的“.cdb”文件讀入ANSYS軟件中，檢查模型的材料屬性和單元類型是否正確，然后檢查網格的連續性，確定無誤之后在ANSYS求解器中對模型進行約束和加載，本模型在計算的時候約束螺栓孔處節點的六個自由度，在軸向上加載3 g加速度，之后進行求解［9］，求解完成后在ANSYS的后處理其中查看計算結果，得到應力最大值為0.447 MPa，出現在螺栓孔處，如圖3所示，應變最大值為0.000 36 mm，出現在支座頂部，如圖4所示。

圖3 支座的應力云圖

圖4 支座的應變云圖

5 總結

本文針對ANSYS對于復雜模型在建模和網格劃分方面的不足，并借助于CATIA實體建模和HYPERMESH網格劃分功能的優勢，提出了一個對復雜模型的有限元分析的方法。此方法利用這3個軟件的開放性和兼容性，在CATIA中建立模型和在HYPERMESH中進行網格劃分，然后把模型導入ANSYS中進行求解和結果處理。文中通過算例說明了此種方法的可行性，在算例中也能看出此方法不僅發揮了各自軟件的長處，而且彌補了不足，為復雜模型的有限元計算提供了一條新途徑。

［1］ 丁毓峰.ANSYS12.0有限元分析完全手冊［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［2］ 于開平，周傳月.HyperMesh從入門到精通［M］.北京:科學出版社，2005.

［3］ 閻樹田，駱敬輝.利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力［J］.蘭州理工大學學報，2007，33(2):39-42.

［4］ 許 平，樊海東.加強框和梁類零CATIA建模方法研究［J］.中國制造業信息化，2009，38(7):38-41.

［5］ 葛彥竹.基于Hypermesh的某中型貨車車架仿真分析與改進設計［D］.長春:吉林大學，2011.

［6］ 王學文，楊兆建，段 雷.大型CAE軟件ANSYS及強度試驗對比研究［J］.計算機應用與軟件，2007，24(10):212-215.

［7］ 張 寧，王賢虎.ANSYS在磁力機械設計中的應用［J］.機械研究與應用，2010(1):50-54.

［8］ 尹 飛，高寶奎，高 宏.基于ANSYS的割縫篩管應力分析和結構優化［J］.石油礦場機械，2011，40(6):8-10.

［9］ 李業盛，賴國偉，甘海闊.基于ANSYS的拱壩等效應力計算及圖形顯示［J］.水力發電，2011，37(4):55-58.