复杂模型的有限元分析方法*

周 健，郭世永，王保光

(青岛理工大学，山东 青岛 266033)

1 前言

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，是目前国际上最流行的有限元分析软件之一［1］。然而它在复杂的实体模型的建模和网格划分的功能方面则相对较弱，因此如果只用ANSYS去完成复杂模型的建立、网格划分和求解的话就比较困难了。法国达索公司开发的CATIA软件是目前最流行的实体建模软件之一，它具有强大的实体建模和曲面造型功能。HYPERMESH软件是美国Altair公司的产品，在CAE工程技术领域，HYPERMESH最著名的特点是它所具有强大的有限元网格划分前处理功能，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的交换数据。鉴于此，对于复杂模型的有限元分析，可以在CATIA软件中建立模型，通过HYPERMESH软件与CATIA之间的接口，可以把在CATIA中建立好的实体模型导入到HYPERMESH中进行网格划分和材料属性的设置，在HYPERMESH软件中对模型进行网格划分，利用HYPERMESH软件的开放性把模型保存为ANSYS常用的文件格式［2］，这样便可把模型导入到ANSYS中进行求解［3］。在此有限元分析的过程中，不仅发挥了各软件自身的优势，而且也提高了分析的准确性，为复杂模型的有限元分析提供了一条新思路。

2 预处理

2.1 实体模型的建立

利用CATIA的零件设计功能模块，根据设计图纸，运用从下而上或自上向下的建模方法，利用样条、桥接、偏置、投影、交叉等特性以及建立和编辑曲线、生成主片体等方法，逐步建立并修改模型，复杂的模型要利用CATIA的装配设计模块对模型进行组装，最终完成研究对象完整准确的实体模型［4］。

2.2 实体模型的网格划分

在HYPERMESH的ANSYS模块中导入CATIA保存的实体模型［5］，检查打开的实体模型是否完整，如果不完整则需要用HYPERMESH里的修补功能补充模型。之后定义材料属性和单元类型。经过对模型的处理、网格划分、网格质量的检查等操作后把模型保存为ANSYS格式的“.cdb”文件，至此实体模型的网格划分完成。

3 ANSYS计算及后处理

用ANSYS打开网格划分好的模型，检查模型的单元类型和材料属性是否正确，如果不正确则可用“EMODIF和MPCHG”命令来修改［6］。然后在ANSYS中定义约束并加载载荷［7］，完成后进行求解计算并在后处理器中查看结果。

4 算例

某轴承支座在冲击下的应力应变分析，支座的材料采用06Cr19Ni10型钢，常温下材料的弹性模量E=206 GPa，泊松比为0.3，密度为7.93 g/cm3。用ANSYS分析在轴向加速度为3 g的工况下查看支座的应变应力分布情况［8］。

4.1 CATIA和HYPERMESH的预处理

根据设计图纸在CATIA软件的零件设计工作台中建立实体模型，如图1所示。在CATIA中建模时注意要把长度单位设为mm，完成建模后把模型另存为“.igs”格式的文件。

图1 CATIA中的实体模型

把CATIA保存的“.igs”文件导入到HYPERMESH软件的ANSYS模块中，在HYPERMESH软件中首先检查模型的完整性，当用一个软件的文件导入到另一个软件的时候，因为软件之间做不到完全兼容，所以导入的模型可能会缺少部分结构。鉴于此，HYPERMESH软件中有专用来修补模型的功能，确定模型的完整性之后即对模型进行网格划分，如图2所示。对本文中的模型是采用HYPERMESH的自动网格划分完成的(本文模型共有1 824个节点和6102个单元体)，之后定义模型的的材料属性和单元类型。完成之后把模型保存为“.cdb”格式的文件。

图2 HYPERMESHH划分网格后的模型

4.2 ANSYS检查与后处理

通过ANSYS软件file菜单中的“read input from”命令将用HYPERMESH保存的“.cdb”文件读入ANSYS软件中，检查模型的材料属性和单元类型是否正确，然后检查网格的连续性，确定无误之后在ANSYS求解器中对模型进行约束和加载，本模型在计算的时候约束螺栓孔处节点的六个自由度，在轴向上加载3 g加速度，之后进行求解［9］，求解完成后在ANSYS的后处理其中查看计算结果，得到应力最大值为0.447 MPa，出现在螺栓孔处，如图3所示，应变最大值为0.000 36 mm，出现在支座顶部，如图4所示。

图3 支座的应力云图

图4 支座的应变云图

5 总结

本文针对ANSYS对于复杂模型在建模和网格划分方面的不足，并借助于CATIA实体建模和HYPERMESH网格划分功能的优势，提出了一个对复杂模型的有限元分析的方法。此方法利用这3个软件的开放性和兼容性，在CATIA中建立模型和在HYPERMESH中进行网格划分，然后把模型导入ANSYS中进行求解和结果处理。文中通过算例说明了此种方法的可行性，在算例中也能看出此方法不仅发挥了各自软件的长处，而且弥补了不足，为复杂模型的有限元计算提供了一条新途径。

［1］ 丁毓峰.ANSYS12.0有限元分析完全手册［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［2］ 于开平，周传月.HyperMesh从入门到精通［M］.北京:科学出版社，2005.

［3］ 阎树田，骆敬辉.利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力［J］.兰州理工大学学报，2007，33(2):39-42.

［4］ 许 平，樊海东.加强框和梁类零CATIA建模方法研究［J］.中国制造业信息化，2009，38(7):38-41.

［5］ 葛彦竹.基于Hypermesh的某中型货车车架仿真分析与改进设计［D］.长春:吉林大学，2011.

［6］ 王学文，杨兆建，段 雷.大型CAE软件ANSYS及强度试验对比研究［J］.计算机应用与软件，2007，24(10):212-215.

［7］ 张 宁，王贤虎.ANSYS在磁力机械设计中的应用［J］.机械研究与应用，2010(1):50-54.

［8］ 尹 飞，高宝奎，高 宏.基于ANSYS的割缝筛管应力分析和结构优化［J］.石油矿场机械，2011，40(6):8-10.

［9］ 李业盛，赖国伟，甘海阔.基于ANSYS的拱坝等效应力计算及图形显示［J］.水力发电，2011，37(4):55-58.