基于ANSYS的智能制造实体模型的构建方法研究

杨明亚,孙媛媛,杨颖洁

(1.安徽新闻出版职业技术学院,安徽 合肥 230601；2.苏州星德胜电机有限公司,江苏 苏州 215122)

0 引言

在智能制造中，CAD/CAM/CAE技术已经得到更加广泛的应用，其中有限元分析软件对于机械智能化的制造与设计中起到了重要的作用，它可以对智能制造的实体模型进行结构线性静力学分析、动力学分析及疲劳分析等.有限元分析的基础得实体模型的建立，也是有限元分析软件ANSYS的重要功能之一.通常情况下，ANSYS中实体模型有两种获取模型的方法，一种方法可以通过一定的文件格式输入，如果实体模型是 CAD软件所绘制，CAD模型输入ANSYS后模型并不一定可以直接在ANSYS中可以使用，可以通过IGES,SAT,STEP,PARASOLID等文件进行转换格式[1-3]，而输入到ANSYS中去，如图1所示.使用CAD软件所建立的模型，事先要在CAD软件中对模型进行修整简化，再把CAD零件模型输出到ANSYS中去，这样可以缩短有限元分析软件ANSYS处理模型的时间.由于CAD软件与ANSYS软件定义图元的方式不同，CAD文件可能存在不能用ANSYS软件进行网格划分的物理细节.对CAD零件模型进行简化时，必须清楚CAD零件实体模型和有限元模型中图元的层次结构，不能随意去除依附于高级图元上的低级图元部分，否则会引起实体模型的错误[4].比如不能删除依附于面上的线，依附于体上的面等.另外一种方式就是在ANSYS前处理器中直接建模，如图2所示，可以通过ANSYS软件所提供的构建、旋转、平移、放大、缩小等功能，达到建立、查看和修改产品实体模型的目的[5].

1 ANSYS中建立实体模型的方法

图2 输入到ANSYS中的模型

直接在ANSYS中建立实体模型时，可以分为自上而下和自下而上两种建模方式.自上而下的建模过程，是先建立一些基本的几何形体，如四棱柱、圆锥体、圆柱体等，再将这些基础形体以搭积木的方法，运用ANSYS中的布尔运算，组合成最后的有限元实体模型.运用这种方式搭建的实体模型，结构形状比较规则，一般适用于物体几何形状较为简单的实体模型.自下而上的建模方法，是先定义一些物体上的重要关键点，然后由从点绘制成线，由线结合成面，再由面结合成形体，最后由不同的形体结合成完整的实体有限元模型[6-7].虽然实体模型建立的方式可分为这两种方式，但是在实际的建模过程中大部分的有限元模型都是通过综合运用以上两种方式来实现的.

1.1 自下向上的建模过程

如果采用自下向上的建模方法，是指在绘制零件模型时，首先要建立几何形体中的关键点，关键点是最低级的几何图元，然后利用已经建立好的关键点绘制线、面和体等几何元素，从而完成建模过程的建模方法，如图3所示.在构造实体模型时，需要注意的是自下向上的方式，其所绘制的实体有限元模型是在ANSYS软件当前激活的坐标空间内建立的.

图3 自下向上的建模过程

1.1.1 定义关键点

关键点是最低级的图形对象，关键点是实体模型中最低级的图元，可以直接绘制关键点.也可以通过已经建立的关键点来生成其他的关键点，ANSYS软件中的布尔运算可以建立关键点.在软件中，已经建立的关键点可以被修改和去除，但是这些关键点不能依附于其他高级图元之上.通过命令Preprocessor/modeling/create/keypoints 建立关键点.

图4 在ANSYS中建立的直线

图5 在ANSYS中建立的面单元

1.1.2 绘制线

图6 在ANSYS中绘制的体单元

通过菜单中的Preprocessor/modeling/create/Lines菜单列表显示已定义的线的属性比如线编号、组成线的关键点等，可以修改和删除已经定义好的直线.建立关键点之后，根据关键点可以绘制并定义直线、圆弧、样条曲线、自动生成圆弧、从已有线生成新线、查看、选择和删除线，如图4所示.

1.1.3 绘制面

通过菜单中的Preprocessor/modeling/create/Areas的命令，可以建立有限元评面的属性，如平面的编号、组成平面的直线线的编号等.定义好的面也可以被修改和删除，可以重新定义和删除不属于其他形体的表明，并且这些还没有进行有限元网格划分.根据直线绘制平面，如图5所示.

1.1.4 绘制体

由面绘制体单元，创建一个任意形状的三维物体，创建长方体、创建圆柱体、创建球体、创建圆环体、从已有 体生成体.通过命令是：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>Along Lines生成体单元.还有VOFFST(面偏移成体)，VEXT(用突出的面生成额外体)等命令都是把面生成体的，如图6所示.

1.2 自顶向下的建模过程

自顶向下的建模过程是由较高级的图元来构造实体模型，通过绘制直线、平面、几何体等图形元素的方法来构造物体模型，如图7所示.当绘制出一种图形元素时，有限元分析软件ANSYS会自动形成所有从属于该几何体元素的低一级级图元，如图7所示.零件的几何体素是在工作平面上绘制的，因此需要清楚地知道当前工作平面所处的状态.可以简单地将几何体元素分为实体表面和实体本身.表面体素包括矩形面、圆形面或其他多边形面；实体元素包括长方体、圆柱、球体、环体和锥体等等.

图7 在ANSYS中创建的实体元素

图8 由体单元素生成的几何线元素

1.2.1 创建几何体

几何体用于表达三维几何实体，零件几何体的创建方式有多种，可由模型的顶点绘制几何模型，也可以通过几何形平面组合成几何体，也可将形面沿一定路径拖、拉等方法生成三维几何体，当几何形体建立好之后，它将自动生成其低级图元素.体也可以被修改和删除，但只有未进行网格划分的体才能被重新定义和删除.在主菜单中Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Volumes，展开的菜单如图所示.具体功能包括：生成长方体，生成柱体，生成多棱柱体，生成球体，生成锥体，生成环体等等.

1.2.2 使用布尔操作来构建复杂几何模型

有些实体的三维模型比较复杂，不是一个简单的长方体或圆柱体，而是由多个形体的叠加、切割等等，这样的实体的建模，通常会用到有限元软件ANSYS中的布尔运算命令，在做布尔运算中，对一组几何元素可运用交，并、差等算术逻辑运算来操作.ANSYS软件也可以对实体模型执行布尔操作，这样建立实体模型就更加容易操作.布尔运算的就是为了构建更复杂的几何模型，或者是为了修改模型存在的一些问题.

图7中的三维模型就是由两个长方体经过布尔减运算所得的形体，布尔减运算就是去除形体中一个或多个与子体重合的部分的图素.与布尔加运算不同的是减运算可在不同级几何图素间进行运算，但相交部分最多与形体相差一级图元.

2 建模过程的比较分析

图9 模型的网格划分

在实际的建模过程中，可以根据几何形体本身的需要自由地组合自下向上和自上向下的建模方法.自下向上建模方法构造的模型是在软件激活的坐标系内建立的.自上向下的建模方式中的形体体素是在工作平面上绘制的，因此在构建几何形体的每一过程都要了解当前工作平面的状态.这两种方法可以根据需要组合使用.对于已经构建的物体模型还可以由ANSYS软件执行布尔运算，生成较为复杂的几何模型.自上而下的零件建模过程重点关注的是零件应实现的机械功能，最后才会关注实现这些功能的几何结构造型，它符合产品工程技术人员的思维过程，在机械设计的最初就将产品的功能、关键约束等重要信息确定下来，同时分配给各子系统，便于实现多个子系统的协同.

模型建好之后要进行网格划分，如图9所示，因为零件的实体模型是无法直接用来进行有限元分析后处理的，在对它进行一定的网格划分后以才生成有限元模型，有限元模型是实际结构的数学表示方法[8].

3 总结

在智能化的制造与设计过程中，对于结构复杂几何模型的构建，一般都是先建立它的实体模型，然后通过ANSYS软件进行网格划分得到有限元模型.这样做的优点是因为零件的实体建模所需处理的数据量相对较小，而且支持使用面和体构建中的布尔运算.对于简单的和小型的几何模型，可以设置模型单元和节点来生成有限元模型的直接生成方法比较方便.在建立模型中可以完全控制几何形状及每个节点和几何单元的编号.自下而上的建模方法是先建立关键点，在利用这些关键点定义较高级的几何图元.

自上而下的建模过程是运用高级别的图元建立实体模型，建模过程中必须考虑建立的模型能否生成有限元网格以及能否得到较好的有限元网格.实体建模时特别要注意截面有变化的地方以及各个形体的交界面.

用自下向上的方法构建物体的几何模型时，可以不必循规蹈矩地依照点、线、面、体这样严格的建模过程生成较高级图元，也可以通过关键点来绘制模型平面和形体，介于点与体之间的图元在必要时由ANSYS软件自动生成.比如：构建一个长方体，可由长方体的8个顶点作为有限元建模的关键点，ANSYS软件会自动地生成该几何模型的所有直线和平面[9-10].在修改实体模型时，必须了解零件的实体模型与有限元模型的结构层次关系，不能任意删除依附在较高级图元上的低级图元；也不能删除已划分了有限元网格的物体模型，但是可以在删除高级图元的时候连同其低级图元一起删除.