基于AutoCAD的有限元模型創(chuàng)建*

楊明亞，孫媛媛，楊穎潔

(1.安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.蘇州星德勝電機(jī)有限公司，江蘇 蘇州 215122)

有限元分析中實(shí)體模型是分析的關(guān)鍵，只有建立適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ?，并通過網(wǎng)格劃分、約束和加載等環(huán)節(jié)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分析計(jì)算，才能得出合理的結(jié)果.因此，實(shí)體模型的創(chuàng)建是ANSYS處理器首先要完成的任務(wù).ANSYS軟件具備建立實(shí)體模型的功能[1]，可以創(chuàng)建圖形的點(diǎn)、線、面、體及平面，并運(yùn)用軟件提供的各種操作，如拖拉、延伸、移動(dòng)和復(fù)制等命令，去觀測(cè)和修正模型.應(yīng)用ANSYS軟件建模大致有2種方法：一是直接運(yùn)用 ANSYS軟件中的MODELING命令繪制零件模型；二是通過一些文件格式導(dǎo)入模型.后者應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Software,CAD)軟件繪制實(shí)體模型或平面圖形，繪制完成后將其轉(zhuǎn)換成IGES，AT，STEP或PARASOLID等文件格式，然后用IMPORT命令輸進(jìn)ANSYS中.也可以直接轉(zhuǎn)變圖形界面，將零件的CAD圖形直接轉(zhuǎn)到ANSYS中.這種方法要先在CAD軟件中對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化(只要不影響分析，就可以略去CAD軟件中的大部分圖形細(xì)節(jié))，再把模型輸出到ANSYS中.[2-3]

相較于ANSYS，在AutoCAD中建立模型更容易.究其原因，AutoCAD有很多的繪圖優(yōu)點(diǎn):(1)具有非常成熟的圖形繪制命令，有較完整的圖形處理功能；(2)用戶可以對(duì)其二次開發(fā)或軟件操作進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)；(3)可以轉(zhuǎn)換成不同的圖形格式并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；(4)兼容多種硬件設(shè)施和操作系統(tǒng)軟件，適用于不同操作者的需要.從AutoCAD 2000開始，軟件添加了許多新的功能，如AutoCAD設(shè)計(jì)中心(ADC)功能、多個(gè)文檔設(shè)計(jì)環(huán)境(MDE)、互聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)、新的對(duì)象捕捉操作、標(biāo)注功能的改進(jìn)和局部加載操作等，從而使AutoCAD軟件的繪圖功能更加完善,被廣泛地應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)、建筑行業(yè)、零件加工、模具工業(yè)、航空航天和輕工化工等諸多領(lǐng)域[4-5].

1 在有限元分析軟件ANSYS中建模

圖1 在ANSYS中建立主軸的模型Fig. 1 Model of Building Spindle in ANSYS

在有限元分析軟件ANSYS中創(chuàng)建零件模型的方法有2種：一是自頂而下法.用戶需定義一個(gè)幾何模型的最高圖元，如球、多面體和圓柱體等，有限元分析程序自動(dòng)定義相關(guān)的面、線和關(guān)鍵點(diǎn).操作者利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造集合模型，如2D的圓形、矩形和多邊形等，也可以構(gòu)造3D的塊、球體、圓柱體和棱柱體等，還可以用一些基本的圖形單元以搭積木的方式、通過BOOLEANS運(yùn)算組合成零部件的3D模型.由這種方法建立的有限元模型，外形比較規(guī)則，通常適用于實(shí)體結(jié)構(gòu)形狀較簡(jiǎn)潔的模型.二是自底向上法.用戶要先定義實(shí)體上的一些關(guān)鍵點(diǎn)(Key point)，再由點(diǎn)連接成線，由線組成各種面，由不同的面組成一個(gè)實(shí)體，最后由實(shí)體組成完整的物體模型.在組合實(shí)體的過程中，有時(shí)也需要采用BOOLEANS運(yùn)算完成最后的實(shí)體模型的創(chuàng)建[6-7].在有限元模型創(chuàng)建的實(shí)際工作中，大部分的實(shí)體模型都是綜合運(yùn)用這2種方式來建造的，ANSYS建立模型的步驟是：首先按Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Area→Rectangle→By Dimension操作步驟建立各個(gè)矩形面，然后完成主軸零件圖的繪制(圖1).該方式的建模過程比較繁瑣，圖形繪制方式不直觀.若圖形復(fù)雜則需計(jì)算各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置，使得計(jì)算過程也十分復(fù)雜，一個(gè)點(diǎn)計(jì)算不準(zhǔn)確，其他點(diǎn)的尺寸坐標(biāo)點(diǎn)也要做相應(yīng)的修改.[8]

2 在繪圖軟件AutoCAD中建模

2.1 圖形的繪制

圖2 在AutoCAD中建立主軸的模型Fig. 2 Model of Building Spindle in AutoCAD

以“主軸”零部件模型為例，運(yùn)用AutoCAD繪制平面圖形(圖2)比較簡(jiǎn)單，具體步驟[9]為:

(1)建立圖層；

(2)繪制1條中心線和1條豎線；

(3)用offset命令進(jìn)行線的繪制，用trim命令進(jìn)行圖線的修剪；

(4)完成相關(guān)的標(biāo)注.

該方法步驟簡(jiǎn)潔，操作命令也比較簡(jiǎn)單，繪圖的時(shí)間比在ANSYS中建立模型的時(shí)間要短很多，而且繪制過程直觀，繪制的圖形精度較高，可以精確地繪制各種工程圖和3D圖.

2.2 面域操作

圖3 面域后的主軸零件Fig. 3 Part Drawing of Spindle After Regional Operation

2.2.1 在AutoCAD 中定義面域操作 雖然在AutoCAD中圖形已經(jīng)繪制完成，但是因?yàn)?個(gè)軟件的圖形還不能直接轉(zhuǎn)化，所以必須通過面域操作讓有限元分析軟件讀懂工程圖.打開“繪圖”工具欄中的圖標(biāo)或“繪圖”菜單中面域(region)命令，從軸的左端開始進(jìn)行面域操作.根據(jù)面域命令操作的特點(diǎn)，面域必須是封閉的形狀或繪制的二維封閉圖形，因此起點(diǎn)和終點(diǎn)封閉的多段線、直線和曲線都可以組成面域.圓和橢圓本身就是封閉的，當(dāng)然也可以定義為面域.AutoCAD使用邊界定義面域的步驟如下：點(diǎn)擊“繪圖”菜單→ “面域”→在所要設(shè)置為面域的閉合圖形內(nèi)點(diǎn)擊任一點(diǎn)后按“Enter”鍵.

依次對(duì)B，C，D，E，F(xiàn)和G部分進(jìn)行“面域”操作，使模型形成7個(gè)面域，結(jié)果如圖3所示.

圖4 boundary命令操作Fig. 4 Boundary Command Operation

2.2.2 用boundary命令創(chuàng)建面域 在面域的操作中，也可以應(yīng)用“邊界”命令，即點(diǎn)擊“繪圖”菜單中的“邊界”或輸入命令行boundary，點(diǎn)擊由封閉線段組成的區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)，定義需要?jiǎng)?chuàng)建的面域.創(chuàng)建面域的步驟為：首先，鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖形內(nèi)的點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)指定點(diǎn)的四周構(gòu)成的封閉圖形來確定邊界；其次，孤島判斷,boundary命令檢測(cè)內(nèi)部是否為閉合區(qū)域，若是閉合區(qū)域則該區(qū)域?yàn)楣聧u；最后，控制新區(qū)域?qū)ο蟮念愋?，boundary將區(qū)域定義為面域或多線段對(duì)象.主軸零件圖進(jìn)行面域操作后，形成了A，B，C，D，E，F(xiàn)和G等7個(gè)面(圖4)，選擇文件菜單，將文件輸出成SAT文件類型并保存.

3 用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析

3.1 輸入圖形

用ANSYS軟件打開主軸零件的SAT圖，打開后的圖形如圖5所示.圖5與在AutoCAD軟件中看到的圖形是一樣的效果，由此可知，零件圖已成功轉(zhuǎn)換成有限元圖形.接下來進(jìn)行有限元分析.

在ANSYS軟件查看工作平面狀態(tài)，主軸平面狀態(tài)如圖6所示.在ANSYS軟件查看主軸關(guān)鍵點(diǎn)的操作是，在主菜單中點(diǎn)擊Plot→Keypoints→Keypoints，主軸平面的關(guān)鍵點(diǎn)如圖7所示.在主菜單中點(diǎn)擊Plot→Lines,顯示不同的線段[10-11]，主軸平面如圖8所示.

圖7 在ANSYS中查看關(guān)鍵點(diǎn)Fig. 7 Key Points Examined in ANSYS

圖8 ANSYS軟件打開后的主軸平面Fig. 8 Plane Drawing of Spindle After Opening in ANSYS

在ANSYS軟件中對(duì)圖形進(jìn)行修整時(shí)，首先采用刪除面域的方式刪除重復(fù)的線并重新勾畫線條，然后在同一位置對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行壓縮，最后重新生成面域，完成圖形的修改.[12]

3.2 有限元分析

圖9 主軸的網(wǎng)格劃分Fig. 9 Mesh Generation of Spindle

有限元分析的步驟為：(1)采用GUI方式直接指定想要的材料屬性以取代選擇材料名稱.(2)定義單元類型Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete,單元類型是Solid45.(3)定義材料屬性Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models，雙擊合適的屬性選項(xiàng)來定義材料屬性[13].(4)零件的彈性模量為E=220 GPa,泊松比V=0.3，零件的密度ρ=7 830 kg/m3.對(duì)主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖9所示.(5)多主軸加載與求解.選擇分析類型為Modal，看求解結(jié)果時(shí)，選擇General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu，在Contour Nodal Solution Date菜單中選擇相應(yīng)的選項(xiàng).X分量的位移矢量如圖10所示，Nodal Solution顯示的結(jié)果[14-15]如圖11所示.

圖10 X分量的位移矢量Fig. 10 X-Component of Displacement

圖11 Nodal Solution顯示的結(jié)果Fig. 11 Result of Display After Nodal Solution

從圖10和圖11可以看出，用AutoCAD繪制的主軸零件圖經(jīng)處理再輸入ANSYS軟件后，完全可以對(duì)其進(jìn)行有限元分析.值得注意的是，因?yàn)锳utoCAD程序與有限元分析軟件ANSYS定義圖元的方式不同,CAD文件中存在難以進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分的圖元因素，所以在ANSYS中修改CAD軟件建立的零件圖或?qū)嶓w模型時(shí)，要清楚CAD模型與ANSYS模型中圖元之間的關(guān)系，不能輕易去除附在高級(jí)圖元上的低級(jí)圖元，避免造成模型缺陷.

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高有限元分析時(shí)建模的效率，筆者在AutoCAD軟件中建模，通過面域操作將模型保存為SAT圖形，然后將零件的CAD模型導(dǎo)入ANSYS軟件中.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在AutoCAD中建立零件模型比較容易，建模的速度也快，克服了ANSYS建模的缺點(diǎn).