Построение объёмной конечно-элементной сетки с помощью экструзии (выдавливания)

Метод экструзии используется для превращения областей двумерной сетки в трёхмерные объекты, состоящие из параллелепипедов, клиновидных элементов или их комбинации. Процесс экструзии осуществляется с помощью процедур смещения из плоскости, буксировки, поступательного и вращательного перемещений.

Например:

1. Построение квадрата.

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By 2 Corners

В появившемся окне Rectangle by 2 Corners вводим следующие параметры:

WP X: 0

WP Y: 0

Width: 2

Height: 2 OK.

2. Построение окружности.

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas > Circle > Solid Circle

В появившемся окне Solid Circular Area в полях WP X, WP Y вводим координаты центра окружности (2; 2), в поле Radius – радиус окружности 0.5. ОК (рис.1.66).

Рис.1.66

3. Вырезаем окружность из квадрата.

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas

После появления окна Subtract Areas курсором мыши выделяем квадрат. ОК. Затем выделяем круг. ОК. (рис.1.67).

Рис.1.67

4. Задаём тип элемента.

Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add / Edit / Delete > Add…

В открывшемся окне Library of Element Types выбираем оболочечный элемент Shell 8 node 93. Apply. Затем выбираем элемент, предназначенный для твердотельной модели – Solid 20 node 95. OK. Close.

5. Построение направляющей линии, вдоль которой будет «выдавливаться» конечно-элементная сетка.

Задаём точку.

Main Menu>Preprocessor>Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

В поле NPT keypoint number вводим номер точки — 9. В полях X, Y, Z Location in active CS вводим координаты точки — (0; 0; 4).

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines > Straight Line

Курсором выделяем точку 9 и точку, находящуюся в начале системы координат. ОК.

6. Строим упорядоченную сетку на поверхности.

Для построения упорядоченной сетки поверхность должна быть правильной, ограниченной четырьмя линиями. Для создания правильной поверхности выполним операцию «сшивки».

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Concatenate > Line

Курсором выделяем две линии, расположенные напротив круглого выреза. ОК. Задаём количество разбиений на линиях:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool

В окне Mesh Tool нажимаем кнопку Set рядом с Lines. Курсором выделяем линии, примыкающие к вырезу, и линию выреза. ОК. В поле NDIV No, of element divisions вводим количество разбиений на линии – 10. ОК.

Строим сетку.

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool

В окне Mesh Tool в выпадающем меню Mesh выбираем Areas, в меню Shape выбираем Quad (квадратичные элементы) и Mapped (упорядоченная сетка), нажимаем Mesh, затем в появившемся окне — Pick All. Полученное изображение показано на рис.1.68.

Рис.1.68

Очищаем линии от «сшивки».

Main Menu>Preprocessor > Meshing > Concatenate > Del Concats > Lines

7. Задаём опции операции экструзии.

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate > Extrude > Elem Ext Opts

В появившемся окне Element Extrusion Options необходимо указать для создаваемых элементов: тип элемента [ TYPE ], свойства материала [ MAT ], реальные константы [ REAL ], систему координат элемента, количество создаваемых элементов вдоль направляющей (VAL1) и коэффициент сжатия вдоль направляющей (VAL2). При установке флажка в положение Yes в строке ACLEAR Clear area(s) after ext выдавливаемая поверхность будет очищена от предварительного разбиения.

Для данного примера достаточно в выпадающем меню [TYPE] Element type number выбрать 2 SOLID95, в поле VAL1 No, Elem divs указать количество разбиений вдоль направляющей — 20. ОК.

8. Создаём объёмную сетку.

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Areas > Along Lines

Выделяем поверхность. ОК. Затем выделяем направляющую линию. ОК. Прорисуем элементы:

Utility Menu > Plot > Elements

Полученное изображение представлено на рис.1.69.

Рис.1.69

Рассмотрим подробно построение конечно-элементной сетки для каждого типа компонента твердотельной модели.

При разбиении объема на конечные элементы в выпадающем меню Mesh выбираем Volumes. Затем выбираем форму конечного элемента в меню Shape. От формы конечного элемента зависит и дальнейшее построение сетки.

· При выборе четырехгранных элементов Tet возможно построение только произвольной сетки Free, остальные функции недоступны. Нажать кнопку Mesh. При появлении меню выбора Mesh Volumes необходимо выбрать разбиваемые объемы и нажать ОК. Соответствующий пункт главного меню:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volumes > Free

· При выборе шестигранных элементов Hex возможны 2 варианта: построение упорядоченной сетки (Mapped) и построение сетки путем проецирования конечно-элементной сетки с плоскости на объем (Sweep).

Для построения упорядоченной сетки при выборе Hex выбираем Mapped. Затем нажимаем Mesh. Появляется меню выбора Mesh Volumes,курсором мыши необходимо выбрать разбиваемые объемы и нажать ОК.

 

Соответствующий пункт главного меню:

Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Volumes>Mapped>4 to 6 sides

Для построения конечно-элементной модели путем проецирования при выборе Hex выбираем Sweep; при этом возможны 2 варианта построения:

- если в выпадающем меню выбрать Auto Src/Trg,то после нажатия Sweep в меню Volume Sweeping необходимо указать разбиваемый объем и нажать ОК. Программа автоматически спроецирует сетку с плоскости на объем;

- если в выпадающем меню выбрать Pick Src/Trg и нажать кнопку Sweep, необходимо выбрать разбиваемый объем, ОК. Затем указать поверхность, с которой проецируется сетка. ОК. Указать поверхность, на которую проецируется сетка, проходя через разбиваемый объем, ОК. Соответствующие пункты главного меню:

Main Menu>Preprocessor>Meshing > Mesh > Volume Sweep > Sweep Opts

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volume Sweep > Sweep

Для построения конечно-элементной модели на поверхности в выпадающем меню Mesh необходимо выбрать Areas. В меню Shape выбрать форму конечного элемента (Tri – треугольный, Quad — четырехугольный) и тип сетки (Free — произвольная, Mapped – упорядоченная).

При выборе упорядоченной сетки Mapped возможны два варианта:

- 3 or 4 sides – при выборе этой опции генерируемая поверхность должна быть ограничена четырьмя линиями. Кнопка Mesh открывает окно выбора Mesh Area. Необходимо выбрать генерируемую поверхность и нажать ОК;

- Pick corners — используется в тех случаях, когда поверхность ограничена пятью и более линиями, так как в этом случае опция 3 or 4 sides не работает.

Для создания конечно-элементной сетки на линиях или в точке необходимо в меню Mesh выбрать соответственно Lines или KeyРoints инажать Mesh. Затем после появления окна выбора выбрать генерируемые линии или точки. ОК или Apply, если построение необходимо продолжить. Кнопка Clear в секции Meshing Controls очищает компоненты твердотельной модели от конечно-элементной сетки. Для очистки необходимо в выпадающем меню Mesh выбрать тип компонента модели и нажать Clear. Затем при появлении меню выбора – выбрать очищаемый компонент и нажать ОК. Соответствующие пункты главного меню:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Clear > Keypoints

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Clear > Lines

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Clear > Areas

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Clear > Volumes

 

Построение конечно-элементной модели для балочных элементов имеет свои характерные особенности; в то же время балочные элементы очень широко применяются, поэтому рассмотрим некоторые важнейшие аспекты, связанные с их использованием более детально.

Выбор типа поперечного сечения (рис.1.70)

Main Menu > Preprocessor > Sections > Beam > Common Sections

В окне Beam Tool (рис.1.70) можно выбрать одно из стандартных сечений ANSYS или построить требуемое пользователю:

Рис.1.70

ID – номер создаваемого сечения;

Name – имя создаваемого сечения (максимум 8 символов);

Sub-Typе – содержит встроенный список стандартных сечений;

Offset To – позволяет расположить узел в некоторых определенных точках сечения:

так, при выборе пункта Centrоid узел расположится в центре тяжести сечения; при выборе Shear Cen – в центре сдвига; при выборе Origin — в начале координат сечения; а, если задать Location, то узел определяется двумя координатами, которые вводятся ниже в полях Offset – Y и Offset – Z

Ниже в окне Beam Tool (рис.1.70) схематически изображено сечение с необходимыми геометрическими параметрами. Под ним располагаются соответствующие поля ввода. Каждый тип сечения имеет свой набор параметров. Например, для прямоугольного сечения необходимо ввести следующие параметры:

Рис.1.71

B – ширина сечения;

H – высота сечения;

Nb – количество разбиений вдоль ширины;

Nh – количество разбиений вдоль высоты.

Для коробчатого сечения (рис.1.71)необходимо ввести:

W1, W2 – ширина и высота сечения;

t1, t2, t3, t4 – толщины стенок сечения.

С помощью бегунка, расположенного в нижней части (рис.1.71), можно установить уровень плотности сетки (Coarse – грубая сетка, Fine – плотная сетка).