ANSYS机械工程实战应用30例最新章节_高耀东著

第1例
关键点和线的创建实例
——正弦曲线

1.1 实体建模概述

ANSYS中的模型分为几何实体模型和有限元模型。有限元分析的对象是有限元模型，它由节点和单元组成。几何实体模型由关键点、线、面、体等几何实体组成。

创建有限元模型的方法包括直接生成法和实体建模法。直接生成法包括人工创建节点和单元，它只适合创建形状简单、规模较小的模型，第5例就采用了这种方法。实体建模法先创建几何实体模型，然后通过指定属性、网格划分生成有限元模型，这种方法可以创建形状复杂、规模较大的模型，是比较常用的方法。而几何实体模型可以用ANSYS本身的功能来创建，也可以从其他CAD软件导入。

ANSYS使用的几何实体类型包括关键点、线、面、体。ANSYS规定从关键点、线、面到体，等级依次提高。高级实体由低级实体组成，体由面围成、面由线围成、线的端点是关键点，所以不能单独删除依附于高级实体上的低级实体。

实体建模法包括自上而下法和自下而上法。如图1-1（a）所示，自上而下法用ANSYS命令直接创建高级实体，而依附的低级实体自然被创建。如图1-1（b）所示，先创建关键点，再形成线、面、体，自下而上法先创建依附的低级实体，再创建高级实体。

图1-1 实体建模法

1.1.1 关键点的创建

1.创建关键点

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→On Working Plane

命令：K，NPT，X，Y，Z

命令说明：NPT为关键点编号，默认时软件自动指定为可用的最小编号。X，Y，Z为在当前激活坐标系上的坐标值。如果输入的关键点编号与已有的关键点重合，则覆盖已有关键点，但不能覆盖已有关键点与高级实体相连或已划分的单元。

2.在线上生成关键点

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→On Line

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→On Line w/Ratio

命令：KL，NL1，RATIO，NK1

命令说明：NL1为线的编号。RATIO为生成关键点的位置与线长度的比值，应介于0～1，默认为0.5。NK1指定生成关键点的编号，默认时为可用的最小编号。

3.在两个关键点间填充多个关键点

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→Fill between KPs

命令：KFILL，NP1，NP2，NFILL，NSTRT，NINC，SPACE

命令说明：NP1，NP2为要填充的两个关键点的编号。NFILL为要填充的关键点的数目。NSTRT指定要填充的第一个关键点的编号。NINC指定要填充关键点的编号的增量。SPACE为要填充的关键点的间距比，即最后的间距与第一个间距（见图1-2）的比值。当SPACE默认值为1时，称为等间距。新创建的关键点相邻间距的比值相等，位置与当前激活坐标系有关。

图1-2 间距比

4.在线或面上创建硬点

硬点是一种特殊的关键点，可以在硬点上施加载荷或获取结果数据。硬点附属于线或面，但不改变线或面的几何形状和拓扑关系，大多数针对关键点的命令也适用于硬点。创建硬点一般应在几何实体模型创建完毕、单元划分之前进行。

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→Hard PT on line

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→Hard PT on area

命令：HPTCREATE，TYPE，ENTITY，NHP，LABEL，VAL1，VAL2，VAL3

命令说明：TYPE为LINE或AREA。ENTITY为线或面的编号。NHP指定硬点编号，默认值为可用的最小编号。当LABEL=COORD时，由VAL1，VAL2，VAL3指定硬点在全局坐标系下的 x 、 y 、 z 坐标值；当LABEL=RATIO时，由VAL1指定比值，该选项只对线有效。

5.其他关键点创建命令

KNODE：在节点处创建关键点。

KBETW：根据距离或比值在两个关键点间创建一个关键点。

KCENTER：在圆弧的圆心创建关键点。

1.1.2 线的创建

线是几何实体的边界，其类型有直线、圆弧、样条曲线和其他曲线。常用的创建命令如下。

1.由两个关键点创建一条直线

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line

命令：LSTR，P1，P2

命令说明：P1，P2分别为线的起始和终止关键点编号。

2.由两个关键点创建一条线

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→In Active Coord

命令：L，P1，P2，NDIV，SPACE，XV1，YV1，ZV1，XV2，YV2，ZV2

命令说明：P1，P2分别为线的起始和终止关键点编号。NDIV指定线划分单元数量，通常不用此命令，推荐用LESIZE命令指定。SPACE指定划分单元的间距比，通常不用。XV1，YV1，ZV1为在当前激活坐标系下与关键点P1相关的斜率向量的末点位置，XV2，YV2，ZV2为在当前激活坐标系下与关键点P2相关的斜率向量的末点位置。

当前激活坐标系为直角坐标系时，该命令创建的是直线；当前激活坐标系为圆柱坐标系或球坐标系时，该命令可创建曲线。

3.创建一条直线与现有的线成给定角度

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→At angle to line

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Normal to Line

命令：LANG，NL1，P3，ANG，PHIT，LOCAT

命令说明：NL1为现有线的编号。P3指定新直线端点处的关键点编号。ANG为新直线与现有线在PHIT处切线的夹角，如果夹角为0°（默认值），新直线为现有线的切线；如果夹角是90°，则为垂线。PHIT指定现有线和新直线在交点处的关键点编号，默认时为可用的最小编号。LOCAT为沿线NL1长度的距离比值，用于确定PHIT的大致位置。

该命令新创建的直线为PHIT-P3，它与现有的线NL1在PHIT处切线的夹角为ANG，并将现有的线P1-P2（即NL1）在PHIT处分割为P1-PHIT和PHIT-P2两段。

4.由三个关键点创建一条圆弧

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Arcs→By End KPs & Rad

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Arcs→Through 3 KPs

命令：LARC，P1，P2，PC，RAD

命令说明：P1，P2为圆弧起始端和终止端关键点编号。PC用于定义圆弧所在平面及定位圆弧中心，PC不得在P1和P2的连线上。RAD为圆弧半径，若为空，则圆弧通过P1、PC和P2三个关键点。

5.创建一条圆弧

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Arcs→By Cent & Radius

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Arcs→Full Circle

命令：CIRCLE，PCENT，RAD，PAXIS，PZERO，ARC，NSEG

命令说明：PCENT为圆弧中心关键点编号。RAD为圆弧半径，若为空，则半径为PCENT到PZERO的距离。关键点PAXIS连同PCENT用于定义圆轴（圆弧平面法线），若为空，轴垂直于工作平面。关键点PZERO定义零度方向。ARC为圆心角，默认为360 °，方向沿着PCENT-PAXIS轴按右手定则为正方向。NSEG为圆弧线的段数，默认时每90°为一段。

6.由一系列关键点拟合样条曲线

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→Spline thru KPs

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→Spline thru Locs

命令：BSPLIN，P1，P2，P3，P4，P5，P6，XV1，YV1，ZV1，XV6，YV6，ZV6

命令说明：P1，P2，P3，P4，P5，P6为样条曲线通过的关键点，至少为两个。XV1，YV1，ZV1和XV6，YV6，ZV6分别定义样条曲线在P1和P6处切线的矢量方向。

7.在两条相交线间创建圆角

菜单：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Line Fillet

命令：LFILLT，NL1，NL2，RAD，PCENT

命令说明：NL1，NL2为两条相交线的编号。RAD为圆角半径，其值应小于线NL1和NL2的长度。PCENT指定圆弧中心关键点的编号，如果为零或空，则没有关键点产生。

要求线NL1和NL2间有公共关键点。

8.其他的线创建命令

LAREA：在面上的两个关键点间创建距离最短的线。

LTAN：创建与线段末端相切的线。

L2TAN：创建与两条线相切的线。

L2ANG：创建直线与两条线成指定角度。

SPLINE：由一系列关键点创建分段样条曲线。

1.2 正弦曲线创建原理

如图1-3所示，将圆的等分点向相应铅垂线进行投影，则投影点的连线即为一条近似正弦曲线。

图1-3 正弦曲线创建原理

1.3 创建步骤

（1）创建圆弧，圆心在原点，半径为1，圆心角为90°。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Arcs→By Cent & Radius，弹出选择窗口（见图1-4），在文本框中输入“0，0”后回车，再输入“1”，然后单击“OK”按钮；随后弹出如图1-5所示的对话框，在“ARC”文本框中输入“90”，单击“OK”按钮。

图1-4 选择窗口

图1-5 创建圆弧对话框

（2）激活全局圆柱坐标系。选择菜单Utility Menu→WorkPlane→Change Active CS to→Global Cylindrical。活跃坐标系改变为全局圆柱坐标系后，会在状态行上显示“CSYS=1”。

（3）在圆弧端点间等间距填充关键点。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→Fill between KPs，弹出选择窗口，选择圆弧的两个端点，然后单击“OK”按钮；随后弹出如图1-6所示的对话框，在“NFILL”文本框中输入“4”、在“NSTRT”文本框中输入“3”、在“NINC”文本框中输入“1”，单击“OK”按钮。

于是，在已存在的两个关键点1和2间填充了一系列关键点，编号为3、4、5、6，由于激活了全局圆柱坐标系，这些关键点填充在所选关键点1和2间圆弧的等分点上。

（4）创建关键点。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS，弹出如图1-7所示的对话框，在“NPT”文本框中输入“7”、在“X，Y，Z”文本框中分别输入“1+3.1415926/2，0，0”，单击“OK”按钮。

图1-6 填充关键点的对话框

（5）显示关键点、线的编号。选择菜单Utility Menu→PlotCtrls→Numbering，弹出如图1-8所示的对话框，将“Keypoint numbers”（关键点编号）和“Line numbers”（线编号）打开，单击“OK”按钮。

图1-7 创建关键点的对话框

图1-8 图号控制对话框

（6）在图形窗口同时显示关键点和线。选择菜单Utility Menu→Plot→Multi-Plots。

（7）激活全局直角坐标系。选择菜单Utility Menu→WorkPlane→Change Active CS to→Global Cartesian。

（8）在关键点1、7间等间距填充关键点。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→Fill between KPs，弹出选择窗口，选择关键点1、7，然后单击“OK”按钮；随后弹出如图1-6所示的对话框，在“NFILL”文本框中输入“4”、在“NSTRT”文本框中输入“8”、在“NINC”文本框中输入“1”，单击“OK”按钮。

（9）沿 y 方向复制关键点，距离为1。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Copy→Keypoints，弹出选择窗口，选择关键点7、8、9、10、11，单击“OK”按钮；随后弹出如图1-9所示的对话框，在“DY”文本框中输入“1”，单击“OK”按钮。

（10）创建铅垂线。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line，弹出选择窗口，分别在关键点8和13、9和14、10和15、11和16之间创建直线，单击“OK”按钮。

（11）过圆弧等分点作对应铅垂线的垂线。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Normal to Lines，弹出选择窗口，选择直线2，单击“OK”按钮；再次弹出选择窗口，选择关键点3，单击“OK”按钮，作过关键点3与直线2垂直的直线。用同样的方法可以作其余3条垂线。