基于ANSYS的智能制造實體模型的構建方法研究

楊明亞,孫媛媛,楊穎潔

(1.安徽新聞出版職業(yè)技術學院,安徽 合肥 230601；2.蘇州星德勝電機有限公司,江蘇 蘇州 215122)

0 引言

在智能制造中，CAD/CAM/CAE技術已經得到更加廣泛的應用，其中有限元分析軟件對于機械智能化的制造與設計中起到了重要的作用，它可以對智能制造的實體模型進行結構線性靜力學分析、動力學分析及疲勞分析等.有限元分析的基礎得實體模型的建立，也是有限元分析軟件ANSYS的重要功能之一.通常情況下，ANSYS中實體模型有兩種獲取模型的方法，一種方法可以通過一定的文件格式輸入，如果實體模型是 CAD軟件所繪制，CAD模型輸入ANSYS后模型并不一定可以直接在ANSYS中可以使用，可以通過IGES,SAT,STEP,PARASOLID等文件進行轉換格式[1-3]，而輸入到ANSYS中去，如圖1所示.使用CAD軟件所建立的模型，事先要在CAD軟件中對模型進行修整簡化，再把CAD零件模型輸出到ANSYS中去，這樣可以縮短有限元分析軟件ANSYS處理模型的時間.由于CAD軟件與ANSYS軟件定義圖元的方式不同，CAD文件可能存在不能用ANSYS軟件進行網格劃分的物理細節(jié).對CAD零件模型進行簡化時，必須清楚CAD零件實體模型和有限元模型中圖元的層次結構，不能隨意去除依附于高級圖元上的低級圖元部分，否則會引起實體模型的錯誤[4].比如不能刪除依附于面上的線，依附于體上的面等.另外一種方式就是在ANSYS前處理器中直接建模，如圖2所示，可以通過ANSYS軟件所提供的構建、旋轉、平移、放大、縮小等功能，達到建立、查看和修改產品實體模型的目的[5].

1 ANSYS中建立實體模型的方法

圖2 輸入到ANSYS中的模型

直接在ANSYS中建立實體模型時，可以分為自上而下和自下而上兩種建模方式.自上而下的建模過程，是先建立一些基本的幾何形體，如四棱柱、圓錐體、圓柱體等，再將這些基礎形體以搭積木的方法，運用ANSYS中的布爾運算，組合成最后的有限元實體模型.運用這種方式搭建的實體模型，結構形狀比較規(guī)則，一般適用于物體幾何形狀較為簡單的實體模型.自下而上的建模方法，是先定義一些物體上的重要關鍵點，然后由從點繪制成線，由線結合成面，再由面結合成形體，最后由不同的形體結合成完整的實體有限元模型[6-7].雖然實體模型建立的方式可分為這兩種方式，但是在實際的建模過程中大部分的有限元模型都是通過綜合運用以上兩種方式來實現的.

1.1 自下向上的建模過程

如果采用自下向上的建模方法，是指在繪制零件模型時，首先要建立幾何形體中的關鍵點，關鍵點是最低級的幾何圖元，然后利用已經建立好的關鍵點繪制線、面和體等幾何元素，從而完成建模過程的建模方法，如圖3所示.在構造實體模型時，需要注意的是自下向上的方式，其所繪制的實體有限元模型是在ANSYS軟件當前激活的坐標空間內建立的.

圖3 自下向上的建模過程

1.1.1 定義關鍵點

關鍵點是最低級的圖形對象，關鍵點是實體模型中最低級的圖元，可以直接繪制關鍵點.也可以通過已經建立的關鍵點來生成其他的關鍵點，ANSYS軟件中的布爾運算可以建立關鍵點.在軟件中，已經建立的關鍵點可以被修改和去除，但是這些關鍵點不能依附于其他高級圖元之上.通過命令Preprocessor/modeling/create/keypoints 建立關鍵點.

圖4 在ANSYS中建立的直線

圖5 在ANSYS中建立的面單元

1.1.2 繪制線

圖6 在ANSYS中繪制的體單元

通過菜單中的Preprocessor/modeling/create/Lines菜單列表顯示已定義的線的屬性比如線編號、組成線的關鍵點等，可以修改和刪除已經定義好的直線.建立關鍵點之后，根據關鍵點可以繪制并定義直線、圓弧、樣條曲線、自動生成圓弧、從已有線生成新線、查看、選擇和刪除線，如圖4所示.

1.1.3 繪制面

通過菜單中的Preprocessor/modeling/create/Areas的命令，可以建立有限元評面的屬性，如平面的編號、組成平面的直線線的編號等.定義好的面也可以被修改和刪除，可以重新定義和刪除不屬于其他形體的表明，并且這些還沒有進行有限元網格劃分.根據直線繪制平面，如圖5所示.

1.1.4 繪制體

由面繪制體單元，創(chuàng)建一個任意形狀的三維物體，創(chuàng)建長方體、創(chuàng)建圓柱體、創(chuàng)建球體、創(chuàng)建圓環(huán)體、從已有 體生成體.通過命令是：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>Along Lines生成體單元.還有VOFFST(面偏移成體)，VEXT(用突出的面生成額外體)等命令都是把面生成體的，如圖6所示.

1.2 自頂向下的建模過程

自頂向下的建模過程是由較高級的圖元來構造實體模型，通過繪制直線、平面、幾何體等圖形元素的方法來構造物體模型，如圖7所示.當繪制出一種圖形元素時，有限元分析軟件ANSYS會自動形成所有從屬于該幾何體元素的低一級級圖元，如圖7所示.零件的幾何體素是在工作平面上繪制的，因此需要清楚地知道當前工作平面所處的狀態(tài).可以簡單地將幾何體元素分為實體表面和實體本身.表面體素包括矩形面、圓形面或其他多邊形面；實體元素包括長方體、圓柱、球體、環(huán)體和錐體等等.

圖7 在ANSYS中創(chuàng)建的實體元素

圖8 由體單元素生成的幾何線元素

1.2.1 創(chuàng)建幾何體

幾何體用于表達三維幾何實體，零件幾何體的創(chuàng)建方式有多種，可由模型的頂點繪制幾何模型，也可以通過幾何形平面組合成幾何體，也可將形面沿一定路徑拖、拉等方法生成三維幾何體，當幾何形體建立好之后，它將自動生成其低級圖元素.體也可以被修改和刪除，但只有未進行網格劃分的體才能被重新定義和刪除.在主菜單中Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Volumes，展開的菜單如圖所示.具體功能包括：生成長方體，生成柱體，生成多棱柱體，生成球體，生成錐體，生成環(huán)體等等.

1.2.2 使用布爾操作來構建復雜幾何模型

有些實體的三維模型比較復雜，不是一個簡單的長方體或圓柱體，而是由多個形體的疊加、切割等等，這樣的實體的建模，通常會用到有限元軟件ANSYS中的布爾運算命令，在做布爾運算中，對一組幾何元素可運用交，并、差等算術邏輯運算來操作.ANSYS軟件也可以對實體模型執(zhí)行布爾操作，這樣建立實體模型就更加容易操作.布爾運算的就是為了構建更復雜的幾何模型，或者是為了修改模型存在的一些問題.

圖7中的三維模型就是由兩個長方體經過布爾減運算所得的形體，布爾減運算就是去除形體中一個或多個與子體重合的部分的圖素.與布爾加運算不同的是減運算可在不同級幾何圖素間進行運算，但相交部分最多與形體相差一級圖元.

2 建模過程的比較分析

圖9 模型的網格劃分

在實際的建模過程中，可以根據幾何形體本身的需要自由地組合自下向上和自上向下的建模方法.自下向上建模方法構造的模型是在軟件激活的坐標系內建立的.自上向下的建模方式中的形體體素是在工作平面上繪制的，因此在構建幾何形體的每一過程都要了解當前工作平面的狀態(tài).這兩種方法可以根據需要組合使用.對于已經構建的物體模型還可以由ANSYS軟件執(zhí)行布爾運算，生成較為復雜的幾何模型.自上而下的零件建模過程重點關注的是零件應實現的機械功能，最后才會關注實現這些功能的幾何結構造型，它符合產品工程技術人員的思維過程，在機械設計的最初就將產品的功能、關鍵約束等重要信息確定下來，同時分配給各子系統，便于實現多個子系統的協同.

模型建好之后要進行網格劃分，如圖9所示，因為零件的實體模型是無法直接用來進行有限元分析后處理的，在對它進行一定的網格劃分后以才生成有限元模型，有限元模型是實際結構的數學表示方法[8].

3 總結

在智能化的制造與設計過程中，對于結構復雜幾何模型的構建，一般都是先建立它的實體模型，然后通過ANSYS軟件進行網格劃分得到有限元模型.這樣做的優(yōu)點是因為零件的實體建模所需處理的數據量相對較小，而且支持使用面和體構建中的布爾運算.對于簡單的和小型的幾何模型，可以設置模型單元和節(jié)點來生成有限元模型的直接生成方法比較方便.在建立模型中可以完全控制幾何形狀及每個節(jié)點和幾何單元的編號.自下而上的建模方法是先建立關鍵點，在利用這些關鍵點定義較高級的幾何圖元.

自上而下的建模過程是運用高級別的圖元建立實體模型，建模過程中必須考慮建立的模型能否生成有限元網格以及能否得到較好的有限元網格.實體建模時特別要注意截面有變化的地方以及各個形體的交界面.

用自下向上的方法構建物體的幾何模型時，可以不必循規(guī)蹈矩地依照點、線、面、體這樣嚴格的建模過程生成較高級圖元，也可以通過關鍵點來繪制模型平面和形體，介于點與體之間的圖元在必要時由ANSYS軟件自動生成.比如：構建一個長方體，可由長方體的8個頂點作為有限元建模的關鍵點，ANSYS軟件會自動地生成該幾何模型的所有直線和平面[9-10].在修改實體模型時，必須了解零件的實體模型與有限元模型的結構層次關系，不能任意刪除依附在較高級圖元上的低級圖元；也不能刪除已劃分了有限元網格的物體模型，但是可以在刪除高級圖元的時候連同其低級圖元一起刪除.