基于AutoCAD的有限元模型创建*

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)

有限元分析中实体模型是分析的关键，只有建立适当的有限元模型，并通过网格划分、约束和加载等环节对实体模型进行分析计算，才能得出合理的结果.因此，实体模型的创建是ANSYS处理器首先要完成的任务.ANSYS软件具备建立实体模型的功能[1]，可以创建图形的点、线、面、体及平面，并运用软件提供的各种操作，如拖拉、延伸、移动和复制等命令，去观测和修正模型.应用ANSYS软件建模大致有2种方法：一是直接运用 ANSYS软件中的MODELING命令绘制零件模型；二是通过一些文件格式导入模型.后者应用计算机辅助设计(Computer Aided Software,CAD)软件绘制实体模型或平面图形，绘制完成后将其转换成IGES，AT，STEP或PARASOLID等文件格式，然后用IMPORT命令输进ANSYS中.也可以直接转变图形界面，将零件的CAD图形直接转到ANSYS中.这种方法要先在CAD软件中对实体模型进行简化(只要不影响分析，就可以略去CAD软件中的大部分图形细节)，再把模型输出到ANSYS中.[2-3]

相较于ANSYS，在AutoCAD中建立模型更容易.究其原因，AutoCAD有很多的绘图优点:(1)具有非常成熟的图形绘制命令，有较完整的图形处理功能；(2)用户可以对其二次开发或软件操作进行个性化设计；(3)可以转换成不同的图形格式并进行数据交换；(4)兼容多种硬件设施和操作系统软件，适用于不同操作者的需要.从AutoCAD 2000开始，软件添加了许多新的功能，如AutoCAD设计中心(ADC)功能、多个文档设计环境(MDE)、互联网驱动、新的对象捕捉操作、标注功能的改进和局部加载操作等，从而使AutoCAD软件的绘图功能更加完善,被广泛地应用在机械设计、建筑行业、零件加工、模具工业、航空航天和轻工化工等诸多领域[4-5].

1 在有限元分析软件ANSYS中建模

图1 在ANSYS中建立主轴的模型Fig. 1 Model of Building Spindle in ANSYS

在有限元分析软件ANSYS中创建零件模型的方法有2种：一是自顶而下法.用户需定义一个几何模型的最高图元，如球、多面体和圆柱体等，有限元分析程序自动定义相关的面、线和关键点.操作者利用这些高级图元直接构造集合模型，如2D的圆形、矩形和多边形等，也可以构造3D的块、球体、圆柱体和棱柱体等，还可以用一些基本的图形单元以搭积木的方式、通过BOOLEANS运算组合成零部件的3D模型.由这种方法建立的有限元模型，外形比较规则，通常适用于实体结构形状较简洁的模型.二是自底向上法.用户要先定义实体上的一些关键点(Key point)，再由点连接成线，由线组成各种面，由不同的面组成一个实体，最后由实体组成完整的物体模型.在组合实体的过程中，有时也需要采用BOOLEANS运算完成最后的实体模型的创建[6-7].在有限元模型创建的实际工作中，大部分的实体模型都是综合运用这2种方式来建造的，ANSYS建立模型的步骤是：首先按Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Area→Rectangle→By Dimension操作步骤建立各个矩形面，然后完成主轴零件图的绘制(图1).该方式的建模过程比较繁琐，图形绘制方式不直观.若图形复杂则需计算各个坐标点的位置，使得计算过程也十分复杂，一个点计算不准确，其他点的尺寸坐标点也要做相应的修改.[8]

2 在绘图软件AutoCAD中建模

2.1 图形的绘制

图2 在AutoCAD中建立主轴的模型Fig. 2 Model of Building Spindle in AutoCAD

以“主轴”零部件模型为例，运用AutoCAD绘制平面图形(图2)比较简单，具体步骤[9]为:

(1)建立图层；

(2)绘制1条中心线和1条竖线；

(3)用offset命令进行线的绘制，用trim命令进行图线的修剪；

(4)完成相关的标注.

该方法步骤简洁，操作命令也比较简单，绘图的时间比在ANSYS中建立模型的时间要短很多，而且绘制过程直观，绘制的图形精度较高，可以精确地绘制各种工程图和3D图.

2.2 面域操作

图3 面域后的主轴零件Fig. 3 Part Drawing of Spindle After Regional Operation

2.2.1 在AutoCAD 中定义面域操作 虽然在AutoCAD中图形已经绘制完成，但是因为2个软件的图形还不能直接转化，所以必须通过面域操作让有限元分析软件读懂工程图.打开“绘图”工具栏中的图标或“绘图”菜单中面域(region)命令，从轴的左端开始进行面域操作.根据面域命令操作的特点，面域必须是封闭的形状或绘制的二维封闭图形，因此起点和终点封闭的多段线、直线和曲线都可以组成面域.圆和椭圆本身就是封闭的，当然也可以定义为面域.AutoCAD使用边界定义面域的步骤如下：点击“绘图”菜单→ “面域”→在所要设置为面域的闭合图形内点击任一点后按“Enter”键.

依次对B，C，D，E，F和G部分进行“面域”操作，使模型形成7个面域，结果如图3所示.

图4 boundary命令操作Fig. 4 Boundary Command Operation

2.2.2 用boundary命令创建面域 在面域的操作中，也可以应用“边界”命令，即点击“绘图”菜单中的“边界”或输入命令行boundary，点击由封闭线段组成的区域内的任何一点，定义需要创建的面域.创建面域的步骤为：首先，鼠标点击图形内的点，系统会依据指定点的四周构成的封闭图形来确定边界；其次，孤岛判断,boundary命令检测内部是否为闭合区域，若是闭合区域则该区域为孤岛；最后，控制新区域对象的类型，boundary将区域定义为面域或多线段对象.主轴零件图进行面域操作后，形成了A，B，C，D，E，F和G等7个面(图4)，选择文件菜单，将文件输出成SAT文件类型并保存.

3 用ANSYS软件进行有限元分析

3.1 输入图形

用ANSYS软件打开主轴零件的SAT图，打开后的图形如图5所示.图5与在AutoCAD软件中看到的图形是一样的效果，由此可知，零件图已成功转换成有限元图形.接下来进行有限元分析.

在ANSYS软件查看工作平面状态，主轴平面状态如图6所示.在ANSYS软件查看主轴关键点的操作是，在主菜单中点击Plot→Keypoints→Keypoints，主轴平面的关键点如图7所示.在主菜单中点击Plot→Lines,显示不同的线段[10-11]，主轴平面如图8所示.

图7 在ANSYS中查看关键点Fig. 7 Key Points Examined in ANSYS

图8 ANSYS软件打开后的主轴平面Fig. 8 Plane Drawing of Spindle After Opening in ANSYS

在ANSYS软件中对图形进行修整时，首先采用删除面域的方式删除重复的线并重新勾画线条，然后在同一位置对多个点进行压缩，最后重新生成面域，完成图形的修改.[12]

3.2 有限元分析

图9 主轴的网格划分Fig. 9 Mesh Generation of Spindle

有限元分析的步骤为：(1)采用GUI方式直接指定想要的材料属性以取代选择材料名称.(2)定义单元类型Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete,单元类型是Solid45.(3)定义材料属性Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models，双击合适的属性选项来定义材料属性[13].(4)零件的弹性模量为E=220 GPa,泊松比V=0.3，零件的密度ρ=7 830 kg/m3.对主轴进行网格划分，网格划分后的结果如图9所示.(5)多主轴加载与求解.选择分析类型为Modal，看求解结果时，选择General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu，在Contour Nodal Solution Date菜单中选择相应的选项.X分量的位移矢量如图10所示，Nodal Solution显示的结果[14-15]如图11所示.

图10 X分量的位移矢量Fig. 10 X-Component of Displacement

图11 Nodal Solution显示的结果Fig. 11 Result of Display After Nodal Solution

从图10和图11可以看出，用AutoCAD绘制的主轴零件图经处理再输入ANSYS软件后，完全可以对其进行有限元分析.值得注意的是，因为AutoCAD程序与有限元分析软件ANSYS定义图元的方式不同,CAD文件中存在难以进行有限元网格划分的图元因素，所以在ANSYS中修改CAD软件建立的零件图或实体模型时，要清楚CAD模型与ANSYS模型中图元之间的关系，不能轻易去除附在高级图元上的低级图元，避免造成模型缺陷.

4 结语

为了提高有限元分析时建模的效率，笔者在AutoCAD软件中建模，通过面域操作将模型保存为SAT图形，然后将零件的CAD模型导入ANSYS软件中.实验结果表明，在AutoCAD中建立零件模型比较容易，建模的速度也快，克服了ANSYS建模的缺点.