ANSYS薄壁结构模型的高效处理技术

在结构设计过程中经常使用三维CAD工具，如CATIA、Pro/E、SolidWorks、UG、SolidEdge等。在进行有限元分析时，可以把CAD模型直接导入ANSYS中进行分析。在对几何模型划分网格时，需要考虑采用哪种单元类型来进行模拟。对于几何模型的厚度与短边长度的比值小于0.1时，对承弯构件需要采用壳单元。使用壳单元模拟薄的实体结构，可以降低模型的规模，而且满足精度要求。

把实体模型转换成壳模型的传统处理方法是通过删除实体，保留所需要的面。对面之间的缝隙进行人工建面连接，在划分网格时对壳进行偏置，使模型的几何位置保持与原形一致。但该方法的处理工作量较大，要弥补壳之间的缝隙，处理细节特征，并为变厚度壳的实常数赋值，因此需要采用新的技术来提高效率。

ANSYS提供了绝大部分的CAD接口。下面针对薄壁结构，说明在读入几何模型后，如何快速地把CAD薄实体模型，处理成满足有限元分析的壳模型。

1抽取中面

ANSYS可以对薄实体进行抽中面，可以处理各种T型截面、变厚度、有小突台等复杂特征的薄实体。自动抽中面的过程可以手动操作，而且可以对所有操作脚本化。在对类似结构抽中面时可以直接读入命令流，而避免重复操作。

对于T字形截面、凹槽，在抽取中面后会有缝隙，可以采用自动延伸功能消除缝隙。机翼工字型钢如图1（a）所示，抽完中面后，由于板是有厚度的，会在连接处出现缝隙，如图1（b）所示，可以采用自动延伸功能缝补缝隙，如图1（c）所示。

图1 机翼工字型钢抽中面图

金属模压零件结构的厚度是变化的，而且变化范围通常较大，可以通过设定厚度范围，然后抽取中面。如果各个构件之间的厚度差别较大，可以分别抽中面。对局部的复杂特征，可以在剖面上创建线，使所抽面的位置在线上。抽完中面后，实体的厚度会直接赋给面作为实常数，而无需人工干预。上述做法可以大大减少给壳单元赋厚度的工作量。

2几何修改、编辑

自动搜索几何拓扑关系，检查几何缺陷。方便地完成几何修复，包括：拓扑重建、填充孔、清除孔、闭合缝隙、缝合装配边界、延伸面、劈分折叠面和面法向调整。下面举例说明部分功能的应用方法。

实际的零件会有很多小孔、小倒角等细节特征，而且薄实体抽完中面后也存在边沿线缝隙、层叠面等，可以通过设置容差进行几何拓扑运算，把小的细节特征忽略掉。

对于复杂薄实体，可以通过特征探测功能，探测小的按钮、突台和倒角的位置，然后可以从模型中删除这些小特征。

对于小孔，通过设置孔的直径最大值和最小值，可以自动把在设置范围内的小孔补上。对于重迭面、近似面和小角面等也可以通过设置容差范围来清除。

3装配连接

薄壁结构经常使用焊点、焊缝和铆接等连接方式。对于这几种连接方式，在ANSYS中模拟时，需根据计算规模和计算目标采用不同的方式。

1）对于整体分析，如整架飞机的整体受力分析，由于计算规模非常大，不考虑局部的连接方式，采用共节点自由度协调进行连接；

2）对于分段分析，如前机身的分析，如果焊点或铆接之间的间距较大，就需要考虑连接方式对结构受力的影响，需要采用焊缝模拟；

3）局部零件分析，此时需要把焊接和铆接的连接方式，在模型中完整的体现出来。

对于分段分析和局部零件分析，ANSYS提供了多种方法建立焊点、焊缝和铆接。

1）焊点：通过连接两个点直接创建焊点，而且焊点可以独立于网格；

2）焊缝：通过选择焊缝的边线，直接设置焊缝上焊点的间距或焊点数生成焊缝。而且可以分别设置焊缝端部焊点与边线端点的距离、边沿线与焊缝的距离等来控制焊缝的位置；

3）通过读入坐标文件：对于大量的焊点，在设计时有焊点坐标文件。可以直接读入焊点的坐标文件，批量生成焊点。

4网格划分

忽略细节特征设置可以自动跨越几何缺陷及多余的细小特征，生成满意网格。一劳永逸的Replay技术可以自动对几何尺寸改变后的几何模型重划分网格。

ANSYS提供了全四边形、四边形为主、只允许一个三角形和全三角形等多种网格控制方法、工具来提高网格质量。ANSYS还具备大量的网格质量诊断工具，对网格质量进行评估，并采用不同的颜色表达质量差异。此外，ANSYS还有多种光滑技术、自动网格修补工具、网格转换和局部细化/粗化等方法。在划分网格时，也可以设置容差，忽略小的结构细节特征，如小孔、小碎面边线等，以使单元更均匀，避免因为拓扑结构的原因局部过细。

针对薄壁构件的特殊性，ANSYS的模型处理技术能够快速地把CAD实体模型转换成有限元壳模型。通过功能强大的模型处理技术，可以快速批量处理薄壁构件。

模型简化后进行网格划分、施加载荷及约束，可以输出到各种FEA求解器，包括ANSYS、CFX、LS-Dyna、ABAQUS和NASTRAN等。

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