基于 ANSYS 環境的參數化有限元建模

參數化建模是指先用一組參數來定義幾何圖形( 體素 ) 尺寸數值并約束尺寸關系 , 然后提供給設計者進行幾何造型使用。它的主題思想是用幾何約束、數學方程與關系來說明產品模型的形狀特征 , 從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設計方案。產品設計的目的是為了滿足工業生產、科學研究和實際生活的需要。對于實際需要提出的各種各樣的要求 , 工業產品在功能上 , 型號上都要不斷的進行改進。如果以往的設計不能滿足功能的要求 , 就要重新設計產品 ; 如果僅是應用工況的不同造成的產品在尺寸方面的不同 , 只需要開發不同尺寸型號的產品就可以了。對于系列化、通用化和標準化的定型產品 , 如模具、夾具、液壓缸、閥門等 , 這些產品設計所采用的數學模型及產品的結構都是相對固定不變的 , 所不同的只是產品的結構尺寸有所差異 , 而結構尺寸的差異是由于相同數目及類型的已知條件在不同規格的產品設計中取不同值造成的。對于這類產品進行設計時 , 采用參數化建模方法對尺寸進行替換 , 這樣對于不同結構尺寸的產品只需要改變相應參數化尺寸的值就可以自動迅速的得到產品的模型 , 省去了大量重復過程 , 提高了設計生產效率。基于此優點 , 參數化建模的思想與功能在諸多 CAD軟件中得到應用實現。然而 , 在許多三維 CAD 軟件產品中建立的三維參數化模型導入有限元分析軟件后很難保持參數化的特征 , 對于有限元優化設計帶來困難。

三維 CAD 參數化建模的目的僅僅是在設計參數確定后可以方便的生成模型和出工程圖。而參數化有限元模型方法建立模型的目的除了為了方便的修改模型進行系列產品的工程分析外 , 更重要的是在有限元分析的基礎上進行優化設計。如果有限元模型不是參數化的 , 就不能得到進行優化分析過程中的設計變量 , 更談不上進行優化了。雖然在工程分析軟件中可以導入三維 CAD 軟件生成得三維模型 , 但是在導入過程中丟失了模型得參數化信息 , 因而仍然不能進行優化分析。解決此問題的方法之一是在有限元軟件產品環境中建立參數化的有限元模型。

基于 ANSYS 的參數化有限元模型

ANSYS 軟件是國際流行的融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件 , 廣泛應用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業及科學研究。它的建模功能非常實用 , 在參數化有限元模型建立方面很方便 , 現介紹如下 :

進入 ANSYS 的前處理模塊 , 在工具菜單中(U2 tility Menu) 中選擇 Parameters 選項下 Scalar Param 2 eters 項 , 調出參數尺寸定義界面。例如在界面中定義了一個參數化尺寸 dim1 = 10 , 如圖 1 所示。將模型中需要進行參數化的尺寸依次輸入 , 完成參數化過程。實際問題中 , 需要參數化的尺寸是有限的 , 在定義參數尺寸時 , 要注意不要使得模型過約束。然后在 ANSYS 中開始建模 , 在模型中的尺寸如果是參數化的 , 要用尺寸的定義名輸入 , 否則參數化信息沒有進入模型。

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