《ANSYS 14有限元分析自学手册》一2.4　自底向上创建几何模型

本节书摘来自异步社区《ANSYS 14有限元分析自学手册》一书中的第2章，第2.4节，作者 李兵 , 宫鹏涵，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.4　自底向上创建几何模型

ANSYS 14有限元分析自学手册
无论是使用自底向上还是自顶向下的方法构造实体模型，均由关键点（Keypoints）、线（lines）、面（areas）和体（volumes）组成，如图2-44所示。

顶点为关键点，边为线，表面为面，而整个物体内部为体。这些图元底层次关系是：最高级的体图元以次高级的面图元为边界，面图元又以线图元为边界，线图元则以关键点图元为端点。

2.4.1　关键点

用自底向上的方法构造模型时，首先定义最低级的图元：关键点。关键点是在当前激活的坐标系内定义的。不必总是按从低级到高级的办法定义所有的图元来生成高级图元，可以直接在它们的顶点由关键点来直接定义面和体。中间的图元需要时可自动生成。例如，定义一个长方体可用8个角的关键点来定义，ANSYS程序会自动地生成该长方形中所有的面和线。可以直接定义关键点，也可以从已有的关键点生成新的关键点，定义好关键点后，可以对它进行查看、选择和删除等操作。

1．定义关键点
定义关键点的命令及GUI菜单路径如表2-12所示。

2．从已有的关键点生成关键点
从已有的关键点生成关键点的命令及GUI菜单路径如表2-13所示。

3．查看、选择和删除关键点
查看、选择和删除关键点的命令及GUI菜单路径如表2-14所示。

操作步骤：

定义截面上的关键点

（1）单击Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > On Working Plane，弹出如图2-45所示的关键点拾取对话框，在工作平面上任意选择3个点。如图2-46所示。

（2）单击Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS，弹出如图2-47所示的对话框，按照图示输入关键点4（0，0.2，0）的坐标值，用同样的方法依次输入关键点5（0，0.1，0）、关键点6（0，0.050，0），结果如图2-48所示。

（3）再转换激活的坐标系为柱坐标系（如图2-49所示），用同样的方法再创建关键点7（0.3，0，0）和关键点8（0.3，50，0），创建完关键点如图2-50所示。

2.4.2　硬点

硬点实际上是一种特殊的关键点，它表示网格必须通过的点。硬点不会改变模型的几何形状和拓扑结构，大多数关键点命令如FK、KLIST和KSEL等都适用于硬点，而且它还有自己的命令集和GUI路径。

如果发出更新图元几何形状的命令，例如布尔操作或者简化命令，任何与图元相连的硬点都将自动删除；不能用复制、移动或修改关键点的命令操作硬点；当使用硬点时，不支持映射网格划分。

1．定义硬点
定义硬点的命令及GUI菜单路径如表2-15所示。

表2-13　从已有的关键点生成关键点

表2-14　查看、选择和删除关键点

2．选择硬点
选择硬点的命令及GUI菜单路径如表2-16所示。

3．查看和删除硬点
查看和删除硬点的命令及GUI菜单路径如表2-17所示。

2.4.3　线

线主要用于表示实体的边。像关键点一样，线是在当前激活的坐标系内定义的。并不总是需要明确地定义所有的线，因为ANSYS程序在定义面和体时，会自动生成相关的线。只有在生成线单元（例如梁）或想通过线来定义面时，才需要专门定义线。

1．定义线
定义线的命令及GUI菜单路径如表2-18所示。

2．从已有线生成新线
从已有的线生成线的命令及GUI菜单路径如表2-19所示。

3．修改线
修改线的命令及GUI菜单路径如表2-20所示。

4．查看和删除线
查看和删除线的命令及GUI菜单路径如表2-21所示。

2.4.4　面

平面可以表示二维实体（例如平板和轴对称称实体）。曲面和平面都可以表示三维的面，例如壳、三维实体的面等。跟线类似，只有用到面单元或者由面生成体时，才需要专门定义面。生成面的命令将自动生成依附于该面的线和关键点，同样，面也可以在定义体时自动生成。

1．定义面
定义面的命令及GUI菜单路径如表2-22所示。

2．通过已有面生成新的面
通过已有面生成新的面的命令及GUI菜单路径如表2-23所示。

3．查看、选择和删除面
查看、选择和删除面的命令及GUI菜单路径如表2-24所示。

2.4.5　体

体用于描述三维实体，仅当需要用体单元时才必须建立体，生成体的命令将自动生成低级的图元。

1．定义体
定义体的命令及GUI菜单路径如表2-25所示。

其中，VOFFST和VEXT操作示意图如图2-51所示。

2．通过已有的体生成新的体
通过已有的体生成新的体的命令及GUI菜单路径如表2-26所示。

3．查看、选择和删除体
查看、选择和删除体的命令及GUI菜单路径如表2-27所示。

2.4.6　自底向上建模实例

自底向上建模，是从点到线、从线到面、从面到体的顺序建立模型，因为线由点构成，面由线构成，而体由面构成，所以称这个顺序为自顶向下建模。在建立模型的过程中，自底向上并不是绝对的，有时也用到自顶向下的方法。现在通过建立一个平面体来介绍自底向上建模的方法。

1．修改工作目录
进入ANSYS工作目录，按照前面讲过的方法，将“spacer”作为jobname。

2．创建两个圆面
（1）从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Circle > By Dimensions...。

（2）打开创建圆的对话框，设置RAD1 = 10，RAD2 = 6，THETA1 = 0，THETA2 = 180, 单击“OK”按钮，如图2-52所示。

得到如图2-53所示的结果。

3．建立另外两个圆面
（1）偏移工作平面到给定位置。

① 从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Offset WP to > XYZ Locations +。

（2）将激活的坐标系设置为工作平面坐标系。从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Change Active CS to > Working Plane。

（3）创建另两个圆面。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Circle > By Dimensions...

② 这时会打开创建圆的对话框，设置RAD1 = 5，RAD2 = 3，THETA1 = 0，THETA2 = 180, 然后单击“OK”按钮，如图2-55所示。

4．创建两圆面的切线
（1）将激活的坐标系设置为总体柱坐标系。从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Change Active CS to > Global Cylindrical。

（2）定义一个新的关键点

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS …。

② 出现定义点的对话框，设置点号为110，X=10, Y=73, 单击“OK”按钮，如图2-56所示。

（3）创建局部坐标系。

① 从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Local Coordinate Systems > Create Local CS > At Specified Loc +。

② 打开坐标系设置对话框，在Global Cartesian文本框中输入“16,0,0”，然后单击“OK”按钮，得到“Create Local CS At Specified Location”对话框。

③ 在“Ref number of new coord sys”中输入“11”，在“Type of coordinate system”中选择“Cylindrical 1”，在“Origin of coord system”文本框中分别输入“16,0,0”，单击“OK”按钮，如图2-57所示。

（4）定义另一个新的关键点。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS …。

② 打开定义点的对话框，设置点号为120，X=5, Y=73，单击“OK”按钮。

（5）将激活的坐标系设置为总体笛卡尔坐标系。从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Change Active CS to > Global Cartesian。

（6）在刚刚建立的关键点（110和120）之间创建直线。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Straight Line。

② 在选择窗口中输入如图2-58所示的两个关键点的点号，然后单击“OK”按钮。

（7）显示线。从应用菜单中选择Utility Menu：Plot > Lines。

所得结果如图2-59所示。

5．创建两圆柱面之间的连接面
（1）将激活的坐标系设置为总体柱坐标系。从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane> Change Active CS to > Global Cylindrical 。

（2）创建直线。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord。

② 拾取如图2-59中的大圆小段圆弧上的两个关键点，然后单击“OK”按钮，如图2-60所示。

（3）将激活的坐标系设置为局部柱面坐标系。

① 从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Change Active CS to > Specified Coord Sys。

② 在“Coordinate system number”文本框中输入坐标系编号“11”，单击“OK”按钮，如图2-61所示。

（4）在局部柱面坐标系中创建圆弧线。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord。

② 拾取如图2-62所示的关键点6和120，点1和6，然后单击“OK”按钮，结果如图2-63所示。

（5）将激活的坐标系设置为总体笛卡尔坐标系。从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Change Active CS to > Global Cartesian。

（6）由前面定义的线创建一个新的面。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > By Lines。

② 拾取刚刚建立的4条线，如图2-64所示，然后单击“OK”按钮。

（7）打开面的编号并画面。

① 从应用菜单中选择Utility Menu：PlotCtrls > Numbering。

② 打开点、线、面的编号，单击“OK”按钮，如图2-65所示。

（8）从应用菜单中选择Utility Menu：Plot > Areas。

6．把所有面加起来形成一个面。

（1）从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas。

（2）在打开的对话框中选择“Pick All”将面进行相加。所得结果如图2-66所示。

7．形成一个矩形孔。

（1）创建一个矩形面。

① 从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Offset WP to > Global Origin。

② 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By Dimensions...。

③ 在出现的定义矩形面对话框中，设置X1 = -2, X2 = 2, Y1 = 0, Y2 = 8, 单击“OK”按钮，如图2-67所示。

得到结果如图2-68所示。

（2）从总体面中“减”去矩形面形成孔。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Areas。

② 在图形窗口中选择总体面，作为布尔“减”操作的母体，单击“Apply”按钮。

8．将面进行映射得到完全的面。

（1）旋转工作平面。

① 从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane > Offset WP by Increments。

② 在“XY,YZ,ZX Angles”文本框中输入“0,0,90”，单击“OK”按钮，如图2-70所示。

（2）用工作平面切分面。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Divide > Area by WorkPlane。

② 在选择对话框中，选择“Pick All”，如图2-71所示，所得结果如图2-72所示。

（3）删除右边的面。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Delete > Area and Below。

② 选择左边的面，单击“OK”按钮，如图2-73所示。

（4）将面沿y－z面进行映射（在x方向）。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Reflect > Areas 。

② 选择“Pick All”，选择“y-z”面, 单击“OK”按钮，如图2-74所示。

所得结果如图2-75所示。

（5）将面沿x-z面进行映射（在y方向）。

① 从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor > Modeling > Reflect > Areas。

② 选择“Pick All”，选择“x-z”面，单击“OK”按钮，如图2-76所示。

所得结果如图2-77所示。

9．存储数据库并离开ANSYS。

（1）在工具条上拾取“SAVE_DB”。

（2）选取工具条上的“QUIT”。

本例操作的命令流如下：

/PREP7　
PCIRC,10,6,0,180,　 　　　　　　　　　　　　! 创建两个圆面
FLST,2,1,8　
FITEM,2,16,0,0　　　　　　　　　　　　　　　! 偏移工作平面到给定位置
WPAVE,P51X　
CSYS,4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 将激活的坐标系设置为工作平面坐标系
PCIRC,5,3,0,180,　　　　　　　　　　　　　　! 创建另两个圆面
CSYS,1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 将激活的坐标系设置为总体柱坐标系
K,110,10,73,,　 　　　　　　　　　　　　　　 ! 定义一个新的关键点
LOCAL,11,1,16,0,0, , , ,1,1,　　　　　　　! 创建局部坐标系
K,120,5,73,,　　　　　　　　　　　　　　　　 ! 定义另一个新的关键点
CSYS,0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 将激活的坐标系设置为总体笛卡尔坐标系
LSTR,　　 110,　　 120　　　　　　　　　　　! 在刚刚建立的关键点（110和120）之间创建直线
LPLOT　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 显示线
CSYS,1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 将激活的坐标系设置为总体柱坐标系
L,　　 110,　　　 1 　　　　　　　　　　　　　! 创建直线
CSYS,11,　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 将激活的坐标系设置为局部柱面坐标系
L,　　　 1,　　　 6 
L,　　　 6,　　 120 　　　　　　　　　　　　　! 在局部柱面坐标系中创建圆弧线
CSYS,0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 将激活的坐标系设置为总体笛卡尔坐标系
FLST,2,4,4　
FITEM,2,10　
FITEM,2,11　
FITEM,2,12　
FITEM,2,9　 
AL,P51X 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　! 由前面定义的线创建一个新的面
/PNUM,KP,1　
/PNUM,LINE,1
/PNUM,AREA,1
/PNUM,VOLU,0
/PNUM,NODE,0
/PNUM,TABN,0
/PNUM,SVAL,0
/NUMBER,0　 
!*　
/PNUM,ELEM,0
/REPLOT 
!*　
APLOT　 　　　　　　　　　　　　　　　　! 打开面的编号并画面
FLST,2,3,5,ORDE,2　 
FITEM,2,1　 
FITEM,2,-3　
AADD,P51X　 　　　　　　　　　　 　　　! 把所有面加起来形成一个面
CSYS,0　
WPAVE,0,0,0 
CSYS,0　
RECTNG,-2,2,0,8,　　　　　　　　　　　　! 创建一个矩形面
ASBA,　　　 4,　　　 1　　　　　　　　　! 从总体面中“减”去矩形面形成孔
wprot,0,0,90　　　　　　　　　　　　　　! 旋转工作平面
ASBW,　　　 2　 　　　　　　　　　　　　! 用工作平面切分面
ADELE,　　　 1, , ,1　　　　　　　　　　　! 删除右边的面
FLST,3,1,5,ORDE,1　 
FITEM,3,3　 
ARSYM,X,P51X, , , ,0,0　　　　　　　　　　! 将面沿y－z面进行映射(在x方向)
FLST,3,2,5,ORDE,2　 
FITEM,3,1　 
FITEM,3,3　 
ARSYM,Y,P51X, , , ,0,0　　　　　　　　　　! 将面沿x－z面进行映射 (在 y 方向)
/REPLOT,RESIZE　
SAVE
FINISH　　　　　　　　　　　　　　　　　! 存储数据库并离开ANSYS