Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）

奈文摩爾

2020年1月2日 15:18

以前搜集的一些資料，并非我原創(chuàng)但是沒(méi)找到出處，很多年以前的資料，可能版本比較古老，僅給大家做個(gè)參考。

IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是不同CAD/CAE軟件系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的一種規(guī)范，Ansys也支持讀入和輸出這一類型的數(shù)據(jù)文件。Ansys讀入該文件類型有兩種模式（見(jiàn)附圖1紅線框內(nèi)）：

（1）光滑模式(SMOOTH)，對(duì)應(yīng)選項(xiàng)”No Defeaturing”，這種模式不會(huì)對(duì)原模型做任何修改，而且Ansys不會(huì)創(chuàng)建體積（只創(chuàng)建點(diǎn)、線、面元素），導(dǎo)入的模型一般需要手動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，需要用到的幾何修復(fù)工具位于前處理器（Preprocessor）模塊中。

（2）小平面模式（FACETED），對(duì)應(yīng)選項(xiàng)“Defeature Model”，在這種模式下Ansys會(huì)自動(dòng)執(zhí)行點(diǎn)、線、面的合并操作，并且自動(dòng)創(chuàng)建用于網(wǎng)格劃分的體積，該模式主要用于對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。如果在導(dǎo)入模型過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，Ansys會(huì)彈出相應(yīng)的幾何修改工具。注：對(duì)于大尺寸或復(fù)雜的模型，不推薦采用FACETED模式。

下面將詳細(xì)講解兩種模式使用過(guò)程需要注意的問(wèn)題。

1 SMOOTH模式

GUI路徑：【Utility Menu】|【File】|【Import】|【IGES】，選擇“No defeaturing”。

建議導(dǎo)入IGES格式數(shù)據(jù)時(shí)首先嘗試采用SMOOTH模式，如果利用幾何修復(fù)工具仍無(wú)法修復(fù)導(dǎo)入模型上的缺陷，再考慮采用FACETED模式。

1.1 CAD軟件建模注意事項(xiàng)

2 如果生成的模型是軸對(duì)稱的，注意對(duì)稱軸選擇Y軸。

2 避免創(chuàng)建閉合曲線（即曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)重合）和閉合曲面（比如曲面起始和終止邊重合）。因?yàn)锳nsys中曲線應(yīng)該至少包含兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，所以無(wú)法存儲(chǔ)閉合曲線和閉合曲面，如果導(dǎo)入的模型中包含閉合曲線或閉合曲面，Ansys將嘗試將其分割成多個(gè)幾何特征。

2 由于IGES發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有多個(gè)版本，從CAD軟件輸出IGES文件時(shí)，盡量選擇ANSYS軟件能支持的IGES版本。

1.2 CAD軟件輸出IGES文件注意事項(xiàng)

2 輸出時(shí)只選擇Ansys分析需要用到的那一部分模型，Ansys有限元分析不需要像CAD軟件那樣關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)。

2 對(duì)于通過(guò)修剪操作生成的曲面，在將其轉(zhuǎn)換為IGES數(shù)據(jù)格式時(shí)，數(shù)據(jù)中應(yīng)該包含XYZ坐標(biāo)數(shù)據(jù)和UV坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 如果要分析的模型非常大，應(yīng)該將模型分成多塊分別輸出，每個(gè)IGES數(shù)據(jù)文件只包含模型的一部分。在Ansys中將多個(gè)文件讀入后采用前處理器中的合并操作進(jìn)行重新組合。（合并操作GUI路徑：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Numbering Ctrls】|【Merge Items】）。

2 如果IGES文件的數(shù)據(jù)是以ASCII碼存儲(chǔ)的，確保文件中每行都是80個(gè)記錄。

1.3 Ansys導(dǎo)入IGES文件注意事項(xiàng)

2 注意導(dǎo)入文件時(shí)ANSYS程序的各種提示信息。警告信息包括諸如IGES轉(zhuǎn)換失敗的部件以及轉(zhuǎn)換成功的部件在ANSYS中對(duì)應(yīng)的部件號(hào)。

2 如果存在IGES部件沒(méi)有轉(zhuǎn)換，可以采用模型修補(bǔ)命令進(jìn)行重構(gòu)。SMOOTH模式能夠讀入任何不超過(guò)20階的有理B樣條曲線和有理B樣條曲面，如果階數(shù)超過(guò)20階ANSYS將提示出錯(cuò)信息。

1.4 ANSYS導(dǎo)出IGES文件注意事項(xiàng)

2 輸出IGES數(shù)據(jù)前需要先設(shè)定系統(tǒng)單位，單位的設(shè)置只能通過(guò)命令的形式設(shè)置：/UNITS，比如要設(shè)定國(guó)際單位體系，只要在命令輸入框中輸入“/UNITS,SI”,回車確認(rèn)即可。

2 輸出數(shù)據(jù)前，需要選擇幾何實(shí)體的所有下屬元素，GUI操作：【Utility Menu】|【Select】|【Everything Below】。

2 如果想輸出模型的部分元素，則只需要選中那些需要輸出的模型及其下屬元素（包括關(guān)鍵點(diǎn)和邊線），然后去掉選中的更高級(jí)別的特征元素即可。

2 FACETED模式

2.1 FACETED模式使用的9個(gè)步驟

①、采用SMOOTH模式導(dǎo)入IGES文件。.

②、通過(guò)創(chuàng)建基本幾何元素（比如創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，線等）對(duì)導(dǎo)入的幾何體進(jìn)行改善和修復(fù)，適當(dāng)時(shí)候結(jié)合布爾操作進(jìn)行修改，記住，不要急著劃分網(wǎng)格。

③、將導(dǎo)入的模型和創(chuàng)建的模型保存到數(shù)據(jù)庫(kù)文件，這一步只要點(diǎn)擊保存圖標(biāo)即可完成。

④、將模型保存到IGES格式的文件。

⑤、在命令輸入框中輸入“/CLEAR”命令，清空當(dāng)前軟件中的數(shù)據(jù)（也可以退出然后重啟軟件）。

⑥、執(zhí)行【Utility Menu】|【File】|【Import】|【IGES】，選擇“Defeature Model ”。

⑦、選擇第4步保存的模型文件，將其以FACETED模式導(dǎo)入。

⑧、在FACETED模式下，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去掉可能導(dǎo)致劃分網(wǎng)格失敗的幾何特征。

⑨、對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如果在劃分網(wǎng)格中碰到問(wèn)題，則需要對(duì)模型做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化處理。

注意：不是所有的幾何問(wèn)題都可以在FACETED模式中得到解決，必要的時(shí)候需要在創(chuàng)建模型的CAD軟件中做相應(yīng)的修改。

2.2 FACETED模式簡(jiǎn)化模型

2.2.1 目測(cè)檢查模型的幾何缺陷

模型的幾何缺陷（參見(jiàn)附圖2）主要包括：很短的線條(Small line)、不相關(guān)的幾何特征、面積很小的面域(Small area)、在一個(gè)方向上尺寸很不協(xié)調(diào)的面域(Thin area)（比如狹長(zhǎng)條表面）等，這些幾何缺陷很容易導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不理想甚至失敗（見(jiàn)附圖2）。需要借助幾何簡(jiǎn)化工具消除這些缺陷。

從附圖2的網(wǎng)格劃分來(lái)看，單元間網(wǎng)格尺寸急劇變化，這在有限元分析中是不被允許的，需要對(duì)模型進(jìn)行修改，重新劃分網(wǎng)格。

2.2.2 查找定位幾何缺陷

2 查找定位短曲線：

2 查找定位小環(huán)線

2 查找定位小面域

在找到這些幾何缺陷后可以采用修補(bǔ)工具進(jìn)行修改。

2.2.3 短曲線的修補(bǔ)

對(duì)于短曲線的修補(bǔ)有兩種方法可用，一種是合并操作（merge lines），將短曲線與長(zhǎng)曲線進(jìn)行合并，合并后得到一條曲線（注意，合并節(jié)點(diǎn)處不能有第三條曲線與之相接，因?yàn)楹喜⒑蠊?jié)點(diǎn)將不復(fù)存在）；另一種是降階操作（collapse lines），將曲線收縮到該曲線兩個(gè)端點(diǎn)中的一個(gè)，這會(huì)對(duì)原有模型有所改變。

2.2.4 小曲面的修補(bǔ)

與短曲線的修補(bǔ)類似，小曲面的修補(bǔ)也有兩種方法，一種是合并曲面（merge areas），將小曲面與鄰近的大曲面進(jìn)行合并，在合并的過(guò)程中需要注意保持曲面的規(guī)則性（比如小曲面合并前為四變形，合并后的曲面仍然是四變形），這樣可以避免曲面參數(shù)化失敗（見(jiàn)附圖4）

另外一種方法是曲面降階（collapse areas），即將曲面向其邊界收縮。操作時(shí)，先選擇要降階的曲面，然后選擇曲面要簡(jiǎn)化的目標(biāo)邊線。一般需要先進(jìn)行曲線簡(jiǎn)化操作，然后再做曲面簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的邊線一般選擇曲面較長(zhǎng)的一條邊作為目標(biāo)邊線，簡(jiǎn)化實(shí)例見(jiàn)附圖5所示。

2.2.5 空腔和凸臺(tái)的簡(jiǎn)化

模型上的空腔（包括凹槽和通孔）和凸臺(tái)特征都可能影響網(wǎng)格劃分效果甚至使得網(wǎng)格劃分失敗，因而有必要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在清除這些特征時(shí)，需要選中組成特征的所有曲面，選擇曲面的順序很關(guān)鍵，選擇過(guò)程中應(yīng)該先選擇特征的組成面，最后選擇空腔或凸臺(tái)的附著面，如果順序不對(duì)的話會(huì)扭曲模型的幾何形狀，這是我們不愿看到的。

清除空腔和凸臺(tái)的GUI操作如下：

2.3 FACETED模式下模型的修復(fù)

上面講的都是有關(guān)如何簡(jiǎn)化模型的方法，實(shí)際導(dǎo)入IGES模型還會(huì)碰到模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題（比如模型上有縫隙 gaps）或者模型不完整（比如曲面邊線不封閉）等。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺陷或幾何不完整都需要在FACETED模式下進(jìn)行修復(fù)。

2.3.1 修補(bǔ)模型上的縫隙

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖8 縫隙的修補(bǔ)歸屬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修補(bǔ)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修補(bǔ)工具位于【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】下，利用這些工具可以“縫合”模型上的小縫隙。在生成封閉體積前必須將邊線和曲線段縫合到鄰近的曲面上。當(dāng)拓?fù)湫迯?fù)工具打開(kāi)時(shí)，其他任何幾何工具都處于不可選用狀態(tài)。模型上存在的很多問(wèn)題都可以通過(guò)拓?fù)湫迯?fù)工具進(jìn)行修復(fù)。

2.3.1.1 縫隙繪圖顯示和列表顯示的相關(guān)設(shè)置

要對(duì)于模型上存在的縫隙進(jìn)行修復(fù)，需要首先找到這些縫隙，為便于觀察縫隙的位置，需要對(duì)縫隙進(jìn)行突出顯示。

顯示設(shè)置GUI路徑：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Preferences】，見(jiàn)附圖7所示。

有兩項(xiàng)設(shè)置項(xiàng)：

l 誤差限設(shè)置（TOLER）：設(shè)置在多大間距下認(rèn)為存在間隙，當(dāng)兩者間距超過(guò)該設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為存在縫隙。

l 邊線列表和繪圖顯示設(shè)置（OESELE）：設(shè)置縫隙以何種方式顯示。

2.3.1.2 查找并顯示縫隙

對(duì)于模型上的縫隙，可以通過(guò)列表顯示和在繪圖窗口顯示兩種方式顯示。

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖10 l 列表顯示功能

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖11 l 繪圖顯示功能

在此，可以通過(guò)繪圖功能設(shè)置來(lái)突出顯示裂口和封閉的曲線，下面講述如何通過(guò)顏色來(lái)突出顯示：

2 藍(lán)色 – 表示封閉邊線；

2 紅色 – 表示非封閉邊線，即使在執(zhí)行GAPMERGE命令后，非封閉曲線依然保持為非封閉狀態(tài) ；

2 黃色 – 表示非封閉邊線，但在執(zhí)行GAPMERGE后將要變?yōu)樾蟹忾]曲線。

在進(jìn)行設(shè)置后，就可以用繪圖命令來(lái)顯示想要顯示的曲線了：

2.3.1.3 合并縫隙

合并縫隙有兩種方法，一種是手動(dòng)合并（需要指定一個(gè)誤差限），另一種是自動(dòng)合并（使用迭代合并工具）。對(duì)于大多數(shù)模型都是采用的自動(dòng)合并功能。在進(jìn)行合并操作前建議先對(duì)模型進(jìn)行保存數(shù)據(jù)庫(kù)操作，以便當(dāng)合并出現(xiàn)意外時(shí)可以撤銷前面的操作。

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖12 2 自動(dòng)合并

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖13 當(dāng)采用自動(dòng)合并時(shí)，程序會(huì)嘗試采用反復(fù)迭代的方式從最低等誤差限（默認(rèn)為1級(jí)）開(kāi)始直到最高級(jí)誤差限（默認(rèn)為10級(jí)）對(duì)所有的縫隙進(jìn)行合并。

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖14 2 手動(dòng)合并

采用手動(dòng)合并操作時(shí)建議選用最低等級(jí)的誤差限（誤差限的設(shè)置方法：【Main Menu】| 【Preprocessor】|【 Modeling】|【 Topo Repair】|【 Preferences】），如果采用過(guò)高的誤差限會(huì)導(dǎo)致模型面型發(fā)生扭曲，因此再次提醒在操作前能對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

2 小問(wèn)題： Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖15

ü 如果無(wú)法合并所有的縫隙怎么辦？

這種情況是有可能出現(xiàn)的，對(duì)于這種情況，需要先退出拓?fù)湫迯?fù)工具箱，然后采用其他的幾何工具進(jìn)行修復(fù)； Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖16

ü 關(guān)于退出拓?fù)湫迯?fù)工具箱

如果完成了所有的拓?fù)湫迯?fù)（或者碰到上面提到的情況）你需要退出拓?fù)湫迯?fù)工具箱，需要提請(qǐng)注意的是，一旦你選擇退出，將不能再次進(jìn)入拓?fù)涔ぞ呦浠蛘邎?zhí)行GAPMERGE命令，你只能重新以FACETED模式導(dǎo)入IGES模型，或者點(diǎn)擊“Resume“按鈕，讀入之前保存的模型數(shù)據(jù)。

退出拓?fù)湫迯?fù)工具箱GUI操作: 【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Finish】

2.3.2 修補(bǔ)幾何體的缺失部分

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖17 對(duì)于合并操作不能完全解決的遺留缺陷（比如縫隙過(guò)大），ANSYS還提供了一整套幾何修復(fù)工具用于修補(bǔ)。此時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建新的曲線來(lái)使得邊界封閉，然后在封閉邊界內(nèi)創(chuàng)建曲面。當(dāng)然，你還可以刪除不必要的曲線或者曲面。

創(chuàng)建一個(gè)體積的一般流程：

1. 找到模型上的小洞或者不完整的邊界（縫隙）；

2. 用新創(chuàng)建的曲線或曲面近似丟失的幾何體；

3. 用新創(chuàng)建的曲面完成體積創(chuàng)建。

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖18 2.3.2.1 定位顯示不完整邊界

與查找縫隙類似，查找不完整邊界同樣有列表顯示和繪圖顯示兩種方法。

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖20 2.3.2.2 封閉不完整邊界

在找到不封閉邊界后，可以通過(guò)在已經(jīng)存在的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間創(chuàng)建新的直線段使得邊界封閉。

在兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間創(chuàng)建直線段GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Geom Repair】|【Fill Lines】

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖22 2.3.2.3 由完整邊界創(chuàng)建曲面

當(dāng)完成邊界創(chuàng)建后，就可以創(chuàng)建位于邊界內(nèi)具有最小面積的面，ANSYS會(huì)自動(dòng)尋找相連的曲面邊界，然后自動(dòng)創(chuàng)建好曲面。這里需要注意的是，要?jiǎng)?chuàng)建曲面的曲線邊界內(nèi)部不能有環(huán)線，而且曲面邊界中的任何一條邊界只能屬于一個(gè)面，不能同時(shí)屬于多個(gè)面。

由邊界創(chuàng)建曲面GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Geom Repair】|【Fill Areas】

Ansys10.0 復(fù)合材料操作知識(shí)（五）的圖25 2.3.2.4 解除非流行幾何體

非流行幾何體包括非流形線條（Non-manifold line 見(jiàn)附圖8）和非流形面（Non-manifold area），指的是附著于面域的線條或曲面，這些附著線條或曲面對(duì)幾何體不起作用，但這些非流行幾何體的存在會(huì)對(duì)創(chuàng)建體積帶來(lái)影響，因而需要將其先解除，然后刪掉。