有限元模型的案例
如何從有限元模型生成幾何模型？
在有限元分析過程中，雖然有限元軟件最終是以有限元模型為計算對象，但是幾何模型也有著獨特的用處。例如在面上施加分布力系，此時使用幾何模型比有限元模型更有優勢。
但是我們在有限元軟件之間轉換時，它們之間通常只能傳遞有限元信息，那么，對于一個從其它來源得到的有限元模型，我們能夠從它生成幾何模型嗎？
可以。ANSYS WORKBENCH的Finite Element Modeler可以根據有限元模型生成幾何模型，然后可以在幾何模型上加載。
本篇博文，就闡明這種技術。筆者首先使用某款三維軟件創建幾何模型，然后導入到HYPERMESH11中生成有限元模型，接著將該有限元模型導入到Finite Element Modeler中生成幾何模型，再次將此模型導入到結構靜力學分析系統中，在面上加載，最后進行分析，查看等效應力。下文將闡述此過程。
（1）創建幾何模型
首先使用任何一款三維軟件創建下圖所示的幾何體。
幾何體是什么形狀，并不重要。
用什么三維軟件，也并不重要。
讀者可以根據自己的需要，使用任意的三維軟件，創建任意的三維模型。
然后導出為*.stp格式的文件。
（2）創建有限元模型
本步驟將在HYPERMESH中劃分網格得到有限元模型
（2.1）導入幾何模型
打開HYPERMESH11，導入上面創建的幾何文件，結果如下圖。
（2.2）劃分網格
使用HYPERMESH中的任意網格劃分技術，創建如下的有限元模型。
（2.3）設置與ANSYS的接口并導出網格
進入工具面板，開始準備導出網格。
在上述工具面板中，依次使用1,2,3步，分別創建單元類型，材料模型，并把上述單元類型，材料模型與網格模型關聯。
展開 如何從有限元模型生成幾何模型？
在有限元分析過程中，雖然有限元軟件最終是以有限元模型為計算對象，但是幾何模型也有著獨特的用處。例如在面上施加分布力系，此時使用幾何模型比有限元模型更有優勢。
但是我們在有限元軟件之間轉換時，它們之間通常只能傳遞有限元信息，那么，對于一個從其它來源得到的有限元模型，我們能夠從它生成幾何模型嗎？
可以。ANSYS WORKBENCH的Finite Element Modeler可以根據有限元模型生成幾何模型，然后可以在幾何模型上加載。
本篇博文，就闡明這種技術。筆者首先使用某款三維軟件創建幾何模型，然后導入到HYPERMESH11中生成有限元模型，接著將該有限元模型導入到Finite Element Modeler中生成幾何模型，再次將此模型導入到結構靜力學分析系統中，在面上加載，最后進行分析，查看等效應力。下文將闡述此過程。
（1）創建幾何模型
首先使用任何一款三維軟件創建下圖所示的幾何體。
幾何體是什么形狀，并不重要。
用什么三維軟件，也并不重要。
讀者可以根據自己的需要，使用任意的三維軟件，創建任意的三維模型。
然后導出為*.stp格式的文件。
（2）創建有限元模型
本步驟將在HYPERMESH中劃分網格得到有限元模型
（2.1）導入幾何模型
打開HYPERMESH11，導入上面創建的幾何文件，結果如下圖。
（2.2）劃分網格
使用HYPERMESH中的任意網格劃分技術，創建如下的有限元模型。
（2.3）設置與ANSYS的接口并導出網格
進入工具面板，開始準備導出網格。
在上述工具面板中，依次使用1,2,3步，分別創建單元類型，材料模型，并把上述單元類型，材料模型與網格模型關聯。
展開 基于 ABAQUS 的多尺度有限元模型橋梁檢測與評估
基于此，以 ABAQUS 軟件為依托，將橋梁檢測中重點區域進行精細化建模并準確、合理地連接到 整體模型中，以此建立可以細致分析重點區域受力 情況的多尺度有限元模型。通過矩形截面簡支梁計 算驗證精細化有限元模型和宏觀有限元模型之間 連接形式的正確性， 并以福建某實際橋梁工程為例，對比計算結果及檢測數據，進一步驗證多尺度有限元模型的準確性。
1 多尺度有限元模型方法
多尺度有限元模型包含了宏觀及精細化有限元模型，其單元節點的自由度和精度不同，因此保 證不同單元界面之間正確合理地連接是多尺度有 限元模型建立的重難點[7]。當宏觀有限元模型和精 細化有限元模型分別建立時，主要考慮邊界條件的轉換問題，二者的連接可采用多邊界插值法、雙重 子模型法、子模型法等方法；當宏觀有限元模型和精細化有限元模型混合建立時，是不同維度單元的連接問題，二者之間的連接通常采用多點約束法[8-9]。
多點約束法是將一種節點自由度的耦合關系建立的多點約束方程，能處理線性及非線性的約束 問題，包含梁類型約束、線性約束、鉸結約束、綁定約束等。對于復雜的約束可以通過設置自由度矩陣來實現連接關系[10]。多點約束法的基本表達式如公 式（1）。
其中 uB 和 up 分別為單元界面連接處的節點位移向量，C 為界面連接約束方程的系數矩陣。
通過圖 1 可以直觀了解線性約束的原理，c 點被 a、b 兩點通過自由度線性插值的方式約束著。將宏觀有限元模型與局部精細化有限元模型建立在同一個模型中，通過多點約束法進行連接過渡的多尺度有限元模型被認為是計算精度最好且計算成本最少的方法。
展開 如何在ANSYS WORKBENCH中關聯幾何模型和有限元模型
我們都知道，通過諸如HPERMESH這樣的有限元網格劃分軟件得到的模型，在傳入ANSYS以后，只包含節點和單元信息。但是當我們在WB中使用模型操作時，有時候需要選擇幾何特征，如在圓孔面上施加圓柱支撐，而此時對象只有單元節點信息，并無體面線的幾何信息，該怎么辦呢？
顯然，處理此問題的有效途徑，在于把有限元模型與該有限元模型對應的幾何模型進行關聯，再一起導入到MECHANICAL中進行分析，則既能夠既享受HYPERMESH的網格劃分的樂趣，又能充分享受對于幾何體設置邊界條件的便利了。ANSYS WORKBENCH提供了這種功能，下面舉一個例子，說明如何在ANSYS WORKBENCH中關聯有限元模型和對應的幾何體，從而滿足上述要求。
幾何模型如下圖。該模型在DM中創建，在meshing中劃分網格，再導入到ANSYS 的WORKBENCH中的finite modeler中關聯幾何體，最后進入到MECHANICAL中分析。下面說明其主要過程。
1. 創建幾何模型
使用任何一款三維建模軟件創建下圖的模型，注意單位用mm.然后導出為geom.stp.
2. 創建有限元模型
使用常用的有限元網格劃分軟件導入上述模型，得到有限元模型。
3. 使用finite element modeler打開有限元模型
進入WORKBENCH，使用finite element modeler打開第二步創建的有限元模型如下
4.創建新的工作幾何體
首先創建新的工作幾何體
指明該幾何體的位置，就是第一步所導出的幾何模型文件
右鍵單擊該新的工作幾何體，并選擇“generate”
則樹形大綱結果如下
這是主窗口中得到的工作幾何體。
展開 
結構有限元模型修正分析
其動態特性由有限元分析和環境振動試驗獲得,有限元建模采用ANSYS 軟件中的Solid45 單元, 共劃分55 210個單元。
環境振動試驗在橋梁L/2跨處、L/4和3L/4處布置測點。試驗采用12 個加速度傳感器拾取環境振動響應。本次模態試驗的參數識別方法選用峰值拾取法, 該方法識別迅速, 容易操作。由此分析結構的動態特性, 結果如圖2 所示。
接下來將理論振型和實測振型配對。利用MAC準則定量地檢驗實測與理論模態參數的相關性, MAC為1 或接近1 , 說明兩振型相關性好。表1 列出了橋梁有限元理論與實測的固有頻率值和兩者的MAC值。
3 有限元動力模型修正
有限元模型的不精確因素一般情況下主要來自3個方面:模型結構誤差、模型階次誤差和模型參數誤差。假定模型參數誤差是有限元誤差的最主要因素。模型參數誤差一般由不精確的材料、幾何參數和聯結、邊界條件估計引起。
分析橋梁有限元模型, 主要有以下幾個部位建模欠精確:①混凝土材料彈性模量E ;②空心梁底部厚度H1 ;③空心梁高度和橋面鋪裝層厚度總和為H ;④單跨梁計算跨長L , 以及梁截面其他參數等。
經對以上部位結構參數進行了特征值靈敏度分析后, 并排除非敏感參數, 確定了由待修正參數組成的設計變量為H , H1 , L , E 。僅列出設計變量H ,H1 , L , E 在各自的變化范圍內的(±1 %)變化時,ω1 (有限元理論計算振型的第1 階頻率) 的變化量(即敏度) 分別為0.012 、0.007 6 、-0.016 4 、0.025Hz 。
狀態變量:ω1 、ω2 、ω3 、ω4 分別為實橋有限元理論計算振型的第1 、2 、3 、4 階頻率。
展開 拱壩-地基-庫水有限元模型
主要是在搞模型，現在算是能達到基本要求了，還有待完善。初步建立了考慮真實場地的拱壩-地基-庫水的有限元計算模型。目前的模型橫河向尺寸為3.5E3m，即大約3.5公里，順河向尺寸為3.3E+03m，即大約3.3公里，豎直向最大尺寸為1.9E+03m，即大約為2公里，后續尺寸會調整。拱壩和庫水采用六面體單元離散，中性軸算法；地基采用四面體單元離散。其中地基的單元總數為6591120個，節點總數為1170946個；拱壩的單元總數為108540個，節點總數為119938個；庫水單元總數為331464個，節點總數為348309個。總計節點數目1639193個，自由度總數為4917579，下面是一些圖片。
拱壩-地基-庫水整體有限元模型
地基-有限元模型
庫水有限元模型
拱壩有限元模型
總結：后續會繼續完善模型，主要是介質交界面的處理，最好能做到交界面的網格共節點，這樣就不用定義額外的約束，模型更容易收斂。還準備考慮并行計算等等。如有同行或者有興趣的朋友，可以私信聯系交流，獨學而無友，則孤陋而寡聞，期待與同行交流。
展開 voronoi多晶體有限元模型的建立 ￥22
在ABAQUS里重新打開修改之后的模型(INP文件格式類型)，并且在Color Code Dialog中選擇Color code by：Sets。
上述所建立的模型十分形象而又直觀地揭示了金屬材料內部晶粒大小、形狀、空間位置分布特點，較為真實地反映了金屬材料的微觀組織形態，接下來只需將材料參數、取向、加載方式和約束條件等信息添加到上述所建立的多晶體有限元模型INP文件里，最終便得到可以用于有限元模擬分析的三維Voronoi多晶體有限元模型。
MATLAB中生成的voronoi多晶體模型
ABAQUS中生成的voronoi多晶體有限元模型（含加載和約束）
如有需要10個晶粒的voronoi多晶體有限元模型（inp模型文件）及相應的UMAT子程序可以購買，更多關于如何在ABAQUS中生成圖示所示10個晶粒的voronoi多晶體有限元模型可以私信。如需要在MATLAB中如何生成voronoi多晶體模型的程序價格另外商議。本收費內容只包含10個晶粒的voronoi多晶體模型inp文件、相應的UMAT子程序。購買本模型文件的朋友如有需要，請私信我，可免費贈送在MATLAB中生成voronoi多晶體的Multi-Parametric Toolbox(MPT)工具箱。
展開 HyperMesh的鋼筋有限元模型搭建
文章應用HyperMesh軟件+DrawBar插件，結合AtuoCAD軟件+FPointE插件輔助快速搭建復雜繁瑣的鋼筋有限元模型。本例針對一鋼筋混凝土橋的鋼筋模型搭建介紹以上工具的使用方法。視頻教程參見我的技術鄰免費公開課<HyperMesh的鋼筋有限元模型搭建>。
1. 啟動DrawBar插件
2.創建局部坐標系
1）局部坐標系建立，能夠使在AuoCAD中提取的特征點在HyperMesh里快速到定位插入位置；
2）局部坐標系建立，能夠為橫截面上鋼筋截面的復制提供方向，架立筋的延伸提供方向。
3.添加用于定位鋼筋橫截面位置的向量
4.AutoCAD打開圖紙，加載FPointE插件，設置環境變量
5.抽取圖紙中鋼筋特征點
1）確定鋼筋橫截面布置位置。
2）在鋼筋橫截面圖紙上抽取特征點。
詳見我的技術鄰免費公開課<HyperMesh的鋼筋有限元模型搭建>。
6.導入AutoCAD中抽取的特征點
7.根據特征點分布建立橫截面鋼筋幾何模型
8.鋼筋橫截面幾何模型局部修改
9.將橫截面鋼筋幾何移動到特定組件中
詳見我的技術鄰免費公開課<HyperMesh的鋼筋有限元模型搭建>。
10.沿局部坐標系Z軸正向批量復制橫截面鋼筋幾何
詳見我的技術鄰免費公開課<HyperMesh的鋼筋有限元模型搭建>。
11.網格劃分
詳見我的技術鄰免費公開課<HyperMesh的鋼筋有限元模型搭建>。
展開 整車有限元模型
道奇整車有限元模型，已經進行正面碰撞驗證其有效性了。
整車有限元模型1.rar
整車有限元模型2.rar
F117A-殲擊有限元模型及網格
HyperMesh®是一個高性能的有限元前后處理器，它能讓CAE分析工程師在高度交互及可視化的環境下進行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比較，HyperMesh的圖形用戶界面易于學習，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型(UG,Pro/E,CATIA等)已有的有限元模型，并且導入的效率和模型質量都很高，可以大大減少很多重復性的工作，使得CAE分析工程師能夠投入更多的精力和時間到分析計算工作上去。同樣，Hypermesh也具有先進的后處理功能，可以保證形象地表現各種各樣的復雜的仿真結果，如云圖，曲線標和動畫等。
F117A-殲擊有限元模型及網格 3.rar
F117A-殲擊有限元模型及網格 1.rar
F117A-殲擊有限元模型及網格 2.rar
展開 voronoi多晶體有限元模型的建立及應用 ￥25
在ABAQUS里重新打開修改之后的模型(INP文件格式類型)，并且在Color Code Dialog中選擇Color code by：Sets。
上述所建立的模型十分形象而又直觀地揭示了金屬材料內部晶粒大小、形狀、空間位置分布特點，較為真實地反映了金屬材料的微觀組織形態，接下來只需將材料參數、取向、加載方式和約束條件等信息添加到上述所建立的多晶體有限元模型INP文件里，最終便得到可以用于有限元模擬分析的三維Voronoi多晶體有限元模型。
MATLAB中生成的voronoi多晶體模型
ABAQUS中生成的voronoi多晶體有限元模型（含加載和約束）
如有需要10個晶粒的voronoi多晶體有限元模型（inp模型文件）及相應的UMAT子程序可以購買，更多關于如何在ABAQUS中生成圖示所示10個晶粒的voronoi多晶體有限元模型可以私信。如需要在MATLAB中如何生成voronoi多晶體模型的程序價格另外商議。本收費內容只包含10個晶粒的voronoi多晶體模型inp文件、相應的UMAT子程序。購買本模型文件的朋友如有需要，請私信我，可免費贈送在MATLAB中生成voronoi多晶體的Multi-Parametric Toolbox(MPT)工具箱。
有限元分析結果
展開 
牙頜三維有限元模型生成方法的探討
研究建立牙頜三維有限元模型的新途徑。方法 :利用牙及牙頜的系列 CT截面影像、工程掃描儀系統、計算機輔助設計軟件和 Super SAP有限元程序 ,建立三維有限元模型。結果 :該方法彌補了傳統方法的不足 ,充分利用了 CT片準確、相似程度高及掃描儀完整、直觀、精確復制二維圖像的優勢 ,能夠較準確處理口腔組織結構復雜的特點 ,建立一種更符合口腔生物力學研究的三維有限元模型。結論 :此方法簡單、方便、準確 ,確為一種有效的三維有限元模型生成方法。
牙頜三維有限元模型生成方法的探討.pdf
裝配式鋼框架梁柱節點有限元模型仿真(abaqus) ￥280
正確地施加預緊力不僅能夠確保模型的接觸狀態和實際情況相符，還能夠模擬在實際加載過程中螺栓預緊力可能發生的變化。
螺栓有限元模型
1.4 接觸設置
在低多層裝配式鋼結構梁柱節點的有限元分析中，接觸設置是模擬結構實際行為的關鍵。由于這種結構類型涉及多種部件，如梁、柱、柱底板、連接件、夾板和高強螺栓等，因此確保這些部件之間的接觸關系準確模擬是至關重要的。接觸設置主要分為焊接和摩擦接觸兩種方式。
1.5 邊界條件
有限元模型的邊界設置
2 仿真結果
梁翼緣處微小裂縫的有限元云圖
梁翼緣處屈曲有限元位移云圖
梁翼緣處螺栓孔開裂有限元云圖
荷載-位移曲線
荷載-位移骨架曲線
剛度退化曲線
耗能能力
展開 基于CT圖像人體脊柱腰椎有限元模型研究
本文利用逆向工程軟件Mimics,基于CT斷層掃描圖像,重建人體脊柱腰椎節段三維幾何模型,經ANSYS轉化建立脊柱腰椎L1-3的理想三維有限元模型,然后在Mimics中對所建立的有限元模型賦材質,實現了非均勻材質的骨組織賦值問題。該腰椎節段三維有限元模型高度模擬腰椎結構與材料的
基于CT圖像人體脊柱腰椎有限元模型研究.pdf
上頜第一磨牙的三維有限元模型的建立
建立上頜第一磨牙的三維有限元模型 ,為分析上頜第一磨牙的生物力學性質提供一個數字模型。方法 :采正常的頭顱骨 ,通過螺旋CT掃描的方法得到上頜第一磨牙的 2 6副斷層圖像 ,將這些圖像描繪在坐標紙上得到 2 6副牙齒平面圖 ,將這些牙齒平面圖在PentiumⅡ 35 0的計算機上用Super SAP93的程序進行處理得到上頜第一磨牙的三維有限元模型。結果 :建立的有限元模型包括牙齒、牙槽骨、牙周膜在內 ,共 4983個節點 ,42 81個單元。結論 :該模型所包含的數據量大 ,可以滿足對該牙在正畸作用下的各種力學分析。
上頜第一磨牙的三維有限元模型的建立.pdf
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