基于ANSYS环境的参数化有限元建模方法详解

基于 ANSYS 环境的参数化有限元建模

参数化建模是指先用一组参数来定义几何图形( 体素 ) 尺寸数值并约束尺寸关系 , 然后提供给设计者进行几何造型使用。它的主题思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征 , 从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。产品设计的目的是为了满足工业生产、科学研究和实际生活的需要。对于实际需要提出的各种各样的要求 , 工业产品在功能上 , 型号上都要不断的进行改进。如果以往的设计不能满足功能的要求 , 就要重新设计产品 ; 如果仅是应用工况的不同造成的产品在尺寸方面的不同 , 只需要开发不同尺寸型号的产品就可以了。对于系列化、通用化和标准化的定型产品 , 如模具、夹具、液压缸、阀门等 , 这些产品设计所采用的数学模型及产品的结构都是相对固定不变的 , 所不同的只是产品的结构尺寸有所差异 , 而结构尺寸的差异是由于相同数目及类型的已知条件在不同规格的产品设计中取不同值造成的。对于这类产品进行设计时 , 采用参数化建模方法对尺寸进行替换 , 这样对于不同结构尺寸的产品只需要改变相应参数化尺寸的值就可以自动迅速的得到产品的模型 , 省去了大量重复过程 , 提高了设计生产效率。基于此优点 , 参数化建模的思想与功能在诸多 CAD软件中得到应用实现。然而 , 在许多三维 CAD 软件产品中建立的三维参数化模型导入有限元分析软件后很难保持参数化的特征 , 对于有限元优化设计带来困难。

三维 CAD 参数化建模的目的仅仅是在设计参数确定后可以方便的生成模型和出工程图。而参数化有限元模型方法建立模型的目的除了为了方便的修改模型进行系列产品的工程分析外 , 更重要的是在有限元分析的基础上进行优化设计。如果有限元模型不是参数化的 , 就不能得到进行优化分析过程中的设计变量 , 更谈不上进行优化了。虽然在工程分析软件中可以导入三维 CAD 软件生成得三维模型 , 但是在导入过程中丢失了模型得参数化信息 , 因而仍然不能进行优化分析。解决此问题的方法之一是在有限元软件产品环境中建立参数化的有限元模型。

基于 ANSYS 的参数化有限元模型

ANSYS 软件是国际流行的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件 , 广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。它的建模功能非常实用 , 在参数化有限元模型建立方面很方便 , 现介绍如下 :

进入 ANSYS 的前处理模块 , 在工具菜单中(U2 tility Menu) 中选择 Parameters 选项下 Scalar Param 2 eters 项 , 调出参数尺寸定义界面。例如在界面中定义了一个参数化尺寸 dim1 = 10 , 如图 1 所示。将模型中需要进行参数化的尺寸依次输入 , 完成参数化过程。实际问题中 , 需要参数化的尺寸是有限的 , 在定义参数尺寸时 , 要注意不要使得模型过约束。然后在 ANSYS 中开始建模 , 在模型中的尺寸如果是参数化的 , 要用尺寸的定义名输入 , 否则参数化信息没有进入模型。

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