《ANSYS Workbench 14有限元分析自学手册》——2.6　概念建模

2.6　概念建模

ANSYS Workbench 14有限元分析自学手册
Concept菜单中的特征用于创建及修改线和体，将它们变成有限元梁和板壳模型，进行概念建模有两种方式可供选择，一种为利用Design Modeler中的工具箱来创建；另一种为通过导入外部几何体文件特征直接创建模型。图2-133所示为概念建模菜单。

图2-134 点生成线

**2.6.1 概念建模工具
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进行概念建模首先需要了解概念建模工具，概念建模工具中可以用来创建线体的方法有点生成线（Lines From Points）、从草图生成线（Lines From Sketches）及从边生成线（Lines From Edges）。概念建模工具中可以用来创建表面体的方法有：从线生成表面（Surfaces From Edges）和从草图生成表面（Surfaces From Sketches）。

概念建模中首先需要创建线体，线体是概念建模的基础。

1．从点生成线
由点生成线时（Lines From Points），点可

以是任何二维草图点，三维模型顶点或特征（PF）点，如图2-134所示。一条由点生成的线通常是一条连接两个选定点的直线。另外对由点生成的线的作域操作，允许在线体中选择添加或添加冻结选择。

在利用“从点生成线Lines From Points”创建线体时，首先选定2个点来定义一条线，绿线表示要生成的线段，单击“Apply”确认选择。然后按“Generate”生成，结果如图2-135所示，线体被显示成蓝色。

2．从草图生成线
“从草图生成线（Lines From Sketches）”命令是基于草图和从表面得到的平面创建线体，此命令在菜单中的位置如图2-136所示。操作时在特征树形目录中选择草图或平面使之高亮显示，然后在属性窗格中单击“Apply”，如图2-137所示为由草图生成的线。多个草图、面以及草图与平面组合可以作为基准对象来创建线体。

3．从边生成线
从边生成线（Lines From Edges）基于已有的二维和三维模型边界创建线体，取决于所选边和面的关联性质可以创建多个线体，在树形目录中或模型上选择边或面，表面边界将变成线体（另一种办法是直接选三维边界），然后在属性窗格中单击“Apply”，作为为基本对象，如图2-138所示为所创建的线。

4．修改线体：分割边
分割线体（Split Edges）命令可以将线进行分割。菜单栏中的位置为：“Concept”→“Split Edges”，如图2-139所示。分割线体命令将边成为两段，可以将线用比例特性控制分割位置（例如，0.5 = 在一半处分割）。

在属性窗格中可以通过设置其他选项对线体进行分割，如图2-140为属性窗格中可调的分割类型，例如，按Delta分割（Split by Delta），沿着边上给定的Delta确定每个分割点间的距离；按N分割（Split by N），边的段数。

2.6.2 定义横截面
通常情况下，横截面命令可以把生成的概念线体赋予梁的属性。此横截面可以使用草图描绘，并可以赋予它一组尺寸值。而且只能修改界面的尺寸值和横截面的尺寸位置，在其他情况下是不能编辑的。如图2-141为横截面的菜单栏。

1．横截面树形目录
在Design Modeler中对横截面使用一套不同于ANSYS环境的坐标系，从概念菜单中可以选择横截面，建成后的横截面会在树形目录中显示，如图2-142所示，在这里列出了每个被创建的横截面，单击选中横截面即可在属性窗格中修改它的尺寸。

2．横截面编辑
横截面尺寸编辑：单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Move Dimensions”移动尺寸，如图2-143所示。这样就可以对横截面尺寸的位置重新定位。

另外还可以将横截面赋给线体。将横截面赋给线体的操作步骤为：在树形目录中保持线体为选择状态，横截面的属性出现在属性窗格，在此处的下拉列表中单击选择想要的横截面，如图2-144所示。

在Design Modeler中还可定义用户已定义的横截面。在这里可以不用画出横截面，而只需基于用户定义的闭合草图来创建截面的属性，如图2-145所示。

创建用户定义的横截面的步骤为：首先从概念菜单中选“Cross Section”→“User Defined”，然后在树形目录中会多一个空的横截面草图，单击画图标签绘制所要的草图（必须是闭合的草图），最后单击工具栏中的图片 1重新生成按钮，Design Modeler会计算出横截面的属性并在细节窗口中列出，这些属性不能更改。

3．横截面对齐
在Design Modeler中横截面位于xy平面，

如图2-146所示：定义横截面对齐的步骤为：局部坐标系或横截面的+y方向，默认的对齐是全局坐标系的+y 方向，除非这样做会导致非法的对齐。如果是这样的话，这时将会使用+z 方向。

注意　在ANSYS 经典环境中，横截面位于YZ平面中，用X方向作为切线方向，这种定位上的差异对分析没有影响。

用有色编码显示线体横截面的状态。

紫色：线体未赋值截面属性。
黑色：线体赋予了截面属性且对齐合法。
红色：线体赋予了截面属性但对齐非法。

树形目录中的线体图标有同样的可视化帮助，如图2-147所示。

绿色：有合法对齐的赋值横截面。
黄色：没有赋值横截面或使用默认对齐。
红色：非法的横截面对齐。

用视图菜单进行图形化的截面对齐检查步骤为：选择“Show Cross Section Alignments”，其中“绿色箭头= +y，蓝色箭头= 横截面的切线边”，或选择“Cross Section Solids”。

选择默认的对齐，总是需要修改横截面方向，有2种方式可以进行横截面对齐，选择或矢量法，选择使用现有几何体（边，点等）作为对齐参照方式，矢量方式法输入相应的x、y、z 坐标方向。

上述任何一种方式都可以输入旋转角度或是否反向。

4．横截面偏移
将横截面赋给一个线体后，属性窗格中的属性允许用户指定对横截面进行偏移的类型，如图2-148所示。

质心（Centroid）：横截面中心和线体质心相重合（默认）。
剪力中心（Shear Center）：横截面剪切中心和线体中心相重合。
注意质心和剪切中心的图形显示看起来是一样的，但分析时使用的是剪切中心。

原点（Origin）：横截面不偏移，就照着它在草图中的样子放置。
用户定义（User Defined）：用户指定横截面的x方向和y方向上的偏移量。
2.6.3 面操作
在Workbench中进行分析时，需要建立面。可以通过从线建立面（Surfaces from Edges）、从草图创建面（Surfaces From Sketches）。在修改操作中，可以进行面修补及缝合等。

1．从线建立面
从线建立面（Surfaces from Edges）命令可以用线体边作为边界创建表面体，此命令的操作路径为“Concept”→“Surfaces from Edges”。由线体边必须没有交叉的闭合回路，每个闭合回路都创建一个冻结表面体，回路应该形成一个可以插入到模型的简单表面形状，可以是平面、圆柱面、圆环面、圆锥面、球面和简单扭曲面等。从线建立面如图2-149所示。

注意　在从线建立面时，无横截面属性的线体能用于将表面模型连在一起，在这种情况下，线体仅仅起到确保表面边界有连续网格的作用。
2．从草图创建面
在Workbench中可以由草图作为边界创建面体（单个或多个草图都是可以的），操作的路径为“Concept”→“Surfaces From Sketches”。基本草图必须是不自相交叉的闭合剖面。在属性窗格中可以选择“添加”或“加入冻结体”操作、是否和法线方向相反，如图选“No”为和平面法线方向一致。另外，输入厚度则用于创建有限元模型。

3．面修补
面修补（Surface Patch）操作可以对模型中的缝隙进行修补操作，如图2-151所示。面修补命令在菜单栏中的位置为“Tools”→“Surface Patch”。

面修补的使用类似与面删除的缝合方法（natural and patch）。对于复杂的缝隙，可以创建多个面来修补缝隙。修补的模式除了Automatic（自动模式）外，还可以使用Natural Healing（正常修补）和Patch Healing（补丁修补模式）。

4．边接合
边接合粘接需要连续网格的体，如图2-152所示。在Workbench中创建有一致边的面或线多体零件时会自动产生边结合。在没有一致拓扑存在时，可以进行人工接合。边结合的操作路径为“Tools”→“Joint”。

在View菜单中选中边结合选项，如图2-153所示。边接合将被显示。

在视图中边接合以蓝色或红色显示分别代表不同的含义。

蓝色：边接合包含在已正确定义的多体素零件中。
红色：边接合没有分组进同一个零件中。

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2.6.4 概念建模实例**
下面将以实例说明概念建模的绘制步骤。通过本实例可以了解并熟悉在建模过程中是如何进行概念建模的。

1．新建模型
1打开Workbench程序，展开左边工具箱中的Component Systems栏，将工具箱里的Geometry 选项直接拖动到项目管理界面中或是直接在项目上双击载入，建立一个含有Geometry的项目模块。结果如图2-154所示。

2创建模型。双击A2栏图片 1，启动Design Modeler创建模型应用程序。

3选择单位。进入到Design Modeler应用程序时，会弹出单位选择对话框，在这里选择“Millimeter”选项，然后单击“OK”按钮。选择毫米为单位。

2．创建草图
1创建工作平面。首先单击选中树形目录中的“xy轴平面”图片 1分支，然后单击工具栏中的“创建工作平面”图片 1按钮，创建一个工作平面，此时树形目录中“xy轴平面”分支下，会多出一个名为Sketch1的工作平面。

2创建草图。单击选中树形目录中的“Sketch1”草图，然后单击树形目录下端的“Sketching”标签，打开草图绘制工具箱窗格。在新建的Sketch1的草图上绘制图形。

3切换视图。单击工具栏中的正视于按钮。将视图切换为xy方向的视图。

4绘制矩形。打开的草图绘制工具箱默认展开绘图栏，首先单击绘图栏中的“矩形图片 1”命令。将光标移入到右边的绘图区域。移动光标到视图中的原点附近，直到光标中出现“P”的字符。单击鼠标确定圆的中心点，然后移动光标到右上角单击鼠标，绘制一个矩形。结果如图2-155所示。

5绘制直线。首先单击绘图栏中的“直线图片 1”命令。在绘图区域中绘制两条互相垂直的直线。结果如图2-156所示。

6添加水平尺寸标注。单击草图绘制工具箱的Dimensions栏，将此尺寸标注栏展开。单击尺寸栏内的“水平标注”图片 1命令。然后分别标注两个水平方向的尺寸，单击尺寸栏内的“垂直标注”图片 1命令。分别标注两个垂直方向的尺寸，然后移动光标到合适的位置放置尺寸。标注完水平尺寸的结果如图2-157所示。

7修改尺寸。由上步绘制后的草图虽然已完全约束，但尺寸并没有指定。现在通过在属性窗格中修改参数来精确定义草图。此时的属性窗格如图2-158所示。将属性窗格中H1的参数修改为200mm，H2的参数修改为400mm，V3的参数修改为200mm，V4的参数修改为400mm。单击工具栏中的“缩放到合适大小图片 1”命令，将视图切换为合适的大小。绘制的结果如图2-159所示。

3．创建线体
1创建线体。单击菜单栏中的“Concept”→“Lines From Sketches”，如图2-160所示，执行从草图创建线体命令。此时属性窗格的“BaseObjects”栏为激活的状态，单击选中树形目录中的“Sketch1”分支，然后返回到属性窗格单击“Apply”按钮，完成线体的创建。

2生成模型。完成从草图生成线体命令后，单击工具栏中的“生成”图片 1按钮，来重新生成模型，结果如图2-161所示。