I-DEAS有限元分析入门指南.doc

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1、I-DEAS 有限元分析入门指南有限元分析入门指南 美国通力（美国通力（UFC）公司）公司 北理工车辆与交通工程学院计算机应用与仿真中心北理工车辆与交通工程学院计算机应用与仿真中心 2001 年年 8 月月 1 目 录 第一章第一章 绪论绪论6 1.1 IDEAS软件概述软件概述6 1.2 有限元法的基本概念有限元法的基本概念 .6 1.3 结构静力分析的有限元法结构静力分析的有限元法.7 1.3.1 概述概述.7 1.3.2 有限单元法的解题步骤有限单元法的解题步骤.8 1.3.2 平面问题的静力分析平面问题的静力分析.9 1.4 IDEAS进行线性静力分析的基本过程进行线性静力分析的基本过

2、程12 1.4.1 基本过程基本过程12 1.4.2 准备有限元分析零件准备有限元分析零件14 1.4.3 创建边界条件创建边界条件.14 1.4.4 划分网格划分网格.14 1.4.5 模型求解模型求解15 1.4.6 后处理后处理16 第二章第二章 利用前处理建立有限元模型利用前处理建立有限元模型 .17 2.1 准备有限元分析零件准备有限元分析零件 .17 2.1.1 准备有限元分析零件概述准备有限元分析零件概述.17 2.1.2 隐藏特征隐藏特征.18 2.1.3 生成曲面生成曲面.19 2 2.1.4 曲线向表面上投影曲线向表面上投影.19 2.1.5 裁剪及缝合曲面裁剪及缝合曲面.

3、19 2.1.6 检查曲面上的自由边检查曲面上的自由边.20 2.1.7 零件分区零件分区.20 2.2 几何离散化几何离散化 .21 2.2.1 生成自由网格生成自由网格.21 2.2.2 生成映射式网格生成映射式网格.26 2.2.3 附加建模技术附加建模技术.31 2.2.4 质量检查质量检查.34 2.2.5 分组显示分组显示.38 2.3 建立边界条件建立边界条件 .40 2.3.1 建立边界条件概述建立边界条件概述.40 2.3.2 基于几何的边界条件基于几何的边界条件.41 2.3.3 基于有限元元素的边界条件基于有限元元素的边界条件.41 2.3.4 施加位移约束施加位移约束.

4、41 2.3.5 约束表中的合并选项约束表中的合并选项.44 2.3.6 施加力施加力.44 2.3.7 生成及使用数据边及数据面生成及使用数据边及数据面.46 2.3.8 面上施加力：摩擦力面上施加力：摩擦力.48 2.3.9 施加分布载荷施加分布载荷.49 2.3.10 边界条件的层次关系边界条件的层次关系.49 2.3.11 边界条件集的生成、合并与管理边界条件集的生成、合并与管理.50 3 2.4 I-DEAS 前处理中的图标菜单功能前处理中的图标菜单功能.52 第三章第三章 利用求解器进行线性静态分析利用求解器进行线性静态分析54 3.1 求解过程概述求解过程概述.54 3.2 选取

5、线性静态分析的求解选项选取线性静态分析的求解选项.54 3.2.1 方法方法54 3.2.2 用户定义用户定义56 3.2.3 应力刚化应力刚化56 3.2.4 刚体模态数刚体模态数56 3.2.5 质量组集质量组集57 3.3 为线性静态求解器选取输出项为线性静态求解器选取输出项.57 3.4 评估求解器的输出结果评估求解器的输出结果.58 3.4.1 应变评估应变评估58 3.4.2 评估应力评估应力58 3.5 IDEAS求解器中图标菜单功能求解器中图标菜单功能59 3.6 图标菜单的使用图标菜单的使用.60 3.6.1 生成计算集生成计算集.60 3.6.3 有限元求解计算有限元求解计

6、算.61 3.6.4 确定分析集参数确定分析集参数.62 3.6.7 线性静力分析输出选项表线性静力分析输出选项表.62 3.6.8 选取解算选项选取解算选项.63 3.6.9 迭代求解器迭代求解器.63 3.6.10 删除结果删除结果.63 4 第四章第四章 利用后处理整理计算结果利用后处理整理计算结果 .65 4.1 后后处处理概述理概述 .65 4.2 使用应力轮廓评估结果使用应力轮廓评估结果 .67 4.3 选输出数据选输出数据 .67 4.4 设定结果显示设定结果显示 .68 4.5 设定数据范围设定数据范围 .68 4.6 输出探针数据输出探针数据 .69 4.7 显示单元显示单元

7、 .69 4.8 观察箭头图观察箭头图 .70 4.9 绘数据图线绘数据图线 .70 4.10 选绘图元素选绘图元素 .71 4.11 选结果绘制选结果绘制 .71 4.12 评估数据评估数据 .72 4.13 动画结果动画结果 .73 第五章第五章 通过实例掌握通过实例掌握 I-DEAS 的有限元使用方法的有限元使用方法74 5.1 有限元模型生成、求解、最终结果显示的全过程示例有限元模型生成、求解、最终结果显示的全过程示例.74 5.2 使用壳单元及实体单元对零件进行网格划分使用壳单元及实体单元对零件进行网格划分.79 5.3映射式及自由式网格划分及求解示例映射式及自由式网格划分及求解示例

8、83 5 第一章第一章 绪论绪论 1.1 IDeas 软件概述软件概述 IDeas 软件是 SDRC（Structural Dynamics Research Corporation）公司的产 品。 SDRC 公司是世界领先的机械设计自动化（MDA）和产品数据管理 （PDM）系统及工程服务公司。公司成立于 1967 年，总部设在美国俄亥俄州 辛辛那提。 IDeas 软件是一套完全一体化的，面向二十一世纪的解决方案。这套完整 方案贯串了从概念设计直到生产开发的全过程，涵盖了机械设计自动化，产品 数据管理，协同产品商务（CPC）以及工程资讯和实施服务等各方面。 产品仿真（Simulation）是其

9、模块之一，其中仿真建模（Simulation Modeling Set）是 MDA 集成环境中的有限元建模和结果可视化工具。直接利用 IDeas 软件主模块或装配，或其它 CAD 系统输入的模型快速建立数字化的产 品估计模型，仿真模型和设计模型具有相关性。 仿真求解（Simulation Solution Linear）是有限元求解器，包括结构的线性 静态分析和结构模态分析。 非线性求解器（Model Solution NonLinear）支持几何非线性，材料非线性， 弹塑性及综合非线性分析，利用 NewtonRaphson 方法求解非线性方程组。 变量化分析（Variational Anal

10、ysis）使仿真在设计初期介入设计过程，利用 单一模型进行广泛的设计探索。变量化分析在设计可变的全变量范围内自动地 解算有限元模型，通过一次网格划分和解算生成设计手册式结果，得到多种可 对比的方案。 相应分析（Response Analysis）用来探索结构在静态，瞬态，谐波和随机激 励下的受迫响应，模态可以来自结构分析或测试。 Femap 是基于几何的，用于有限元模型前后处理系统。采用 Windows Native 技术，使得几何及图形信息交互灵活，完成的前后处理工作具有高质量、 专业化、快捷的特点。同时与其它 CAD/CAE 系统有良好的兼容性，适用不同 硬件及操作系统环境。 1.2 有限

11、元法的基本概念有限元法的基本概念 许多工程分析问题，如固体力学中位移场和应力场分析、振动特性分析、 传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等都可以归结为在给定的边界 条件下求解其控制方程（一般为偏微分方程）的问题。这些控制方程只有在及 其简单的情况下才能获得解析解，大部分情况下只能用数值方法求得其近似解。 随着计算机技术的飞速发展，数值解法变得越来越重要。有限单元法就是随着 电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。有限元法通用性好， 应用广泛，其基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节 点连接。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由 6 于单

12、元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式然后将 各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，记入边界条件后即可对 方程组求解。单元划分越细，计算结果就越准确。 有限元法的基本思想早在 40 年代初期就有人提出，但真正用于工程中则是 在电子计算机出现后。“有限元法”这一名称是 1960 年美国的克拉夫在一篇题 为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。此后，有限元法的应用得 到蓬勃的发展。到 80 年代初期国际上大型的结构分析有限元通用程序达到几百 种，其中著名的有 NASTRAN、ANSYS、ASKA、ADINA、SAP 等。它们采用 FORTRAN 语言编写，规模达

13、几万条甚至几十万条语句。其功能越来越完善， 不仅包含多种条件下的有限元分析程序，而且带有功能强大的前处理（自动生 成单元网格，形成输入数据文件）和后处理（显示计算结果、绘制变形图、等 值线图（如等温度、等应力线、等位移线等）、振型图并可动态显示结构的动 力响应等）程序。由于有限元通用程序使用方便，计算精度高，其计算结果已 成为各类工业产品和设计性能分析的可靠依据。有限元分析、计算机图形学、 优化技术与可靠性相结合可形成完整的计算机辅助设计系统，从而可以显著提 高产品设计性能、缩短生产周期以增强产品的市场竞争力。 有限元法应用范围很广，它不但可解决工程中的线性问题、非线性问题， 而且对于各种不同

14、性质的固体材料，如各向同性和各向异性材料，粘弹性和塑 性材料以及流体均能求解；另外，对于工程中最有普遍意义的非稳态问题也能 求解，甚至还能模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸和应力波的传播。目前， 有限元法的应用已遍布机械、建筑、矿山、冶金、材料、化工、能源、交通、 电磁甚至日常生活用品设计分析的各个领域中。 1.3 结构静力分析的有限元法结构静力分析的有限元法 1.3.1 概述概述 本入门指南的重点是介绍有限元在结构静力学分析中的应用。 力学分析方法可分为解析法与数值法两类。解析法是运用材料力学或弹性 力学的基本方程来求解应力与变形。运用材料力学的公式一般只能处理一些细 而长的杆、梁构件。弹性

15、力学对杆、梁、板、壳等结构都建立了相应的基本方 程。以二维结构分析为例，我们通过两个平衡方程，三个几何方程，三个本构 方程，共八个方程能求解弹性体的八个未知量，即两个位移分量 u，v；三个应 变分量 x，y，xy 和三个应力分量 x，y，xy。而求解的应力分量 还应满足边界条件。从理论上讲，弹性力学应能解决一切弹性体的应力与变形 问题。但在工程实践中，一般的结构形状受力情况，边界条件都比较复杂，用 弹性力学的基本方程来求解往往是不可能的。因此，解析法通常只能对某些简 单问题才能求得理论解。而对复杂结构的分析，唯一的途径是应用数值法来求 出问题的近似解。 力学分析中的数值法又可分为两类： 第一类

16、是在解析法的基础上进行近似数值计算。先由解析法建立弹性力学 基本方程，然后再用近似的数值解法，如有限差分法，它用有限差量比值来代 7 替倒数，把微分方程式变换成差分方程式(线性代数方程)，然后再求出弹性体 内各点的应力分量，而求出的应力分量必须满足边界条件。有限差分法对于规 则的边界和均匀的材料特性比较有效，由于它不能适应处理复杂的结构形状与 复杂的边界条件，也不能适应处理不同的材料特性与变化的载荷等因素，因此 有限差分法在结构分析中的应用受到较大的限制。 第二类是在解析法的基础上进行近似的数值计算。先由解析法建立弹性力 学基本方程，然后再用近似的数值解法，先将连续弹性体简化为有限个单元组 成

17、的离散化模型，然后对离散化模型求出数值解，即有限元法。 有限元法从求解的基本未知量来分类，可分为： 1位移法：以离散化单元的节点位移为基本未知量，由于它易于实现 自动计算编制计算机程序，具有较大的通用性，因此在有限元法中，位移法的 使用最为广泛。 2力法：以单元节点力为基本未知量，因为力法的程序编制比位移法 较为困难，因此应用较少，但由于结构的计算未知量少，且求得的应力分量值 比较准确，因此在某些特殊问题上仍得到一定的应用。 3混合法：取单元一部分节点位移和一部分节点力作为基本未知量， 它综合了上述两种方法的优点，且能放宽单元间的协调条件，因此在板壳等问 题上得到较广泛的应用。 4杂交法：在单

18、元内部和沿单元边界上各自含有独立的位移函数或应 力函数，一般是以节点为基本未知量。杂交法发展较晚，由于它能较方便地满 足单元间边界上的协调条件，因此在板壳、应力奇异、复合材料等结构分析中 得到广泛地重视与应用。 从有限元的推导来分类，主要可分为两类： 1 直接法：采用结构力学的方法，概念形象直观，易于被一般工程技术人 员所接受，便于理解掌握。但只能解决一些较为简单的问题，如杆系结构和平 面与三维结构分析。 能量法：在各种能量原理中，虚位移原理的应用最为方便，因此应用较为 广泛。变分法也是基于能量原理，如最小位能原理和最小余能原理，它把有限 元归结为求泛函的极值问题，而使有限元建立在更加可靠的数

19、学基础上，扩大 了有限元方法的应用范围。除线性的固体力学问题外，其它较复杂的几何非线 性与材料非线性问题，以及固体力学问题外的内容如热传导，流体力学等问题 都是应用变分法来推导的。 1.3.2 有限单元法的解题步骤有限单元法的解题步骤 （1）结构离散化将求解区域分割成许多具有某种特性的单元，对于连续 体需考虑选择单元的形状、数目和剖分方案，计算出各节点的坐标，并对单元 和节点编号。 （2）单元特性分析 由于单元小，形状简单，可以选择简单且单元类型 相适应的函数即位移函数近似地表示每个单元上真实的位移分布。将所有作用 在单元上的力（表面力、体积力、集中力）等效地移置为节点载荷，这样就可 以采用力

20、学的变分原理，获得单元的平衡方程组。要达到这一目的，关键在于 建立单元内节点位移与节点力的关系矩阵单元刚度矩阵。 8 k （3）建立整体矩阵方程将各单元的刚度矩阵集合成整体刚度矩阵。各单元 的等效节点载荷向量集合成总的载荷向量，把整体结构的各单元矩阵方程合并 成一个整体矩阵方程。 （4）整体矩阵方程求解 引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求解， 得到各节点的位移，进而计算出节点的应变和应力。 1.3.2 平面问题的静力分析平面问题的静力分析 1 平面问题离散化 在平面问题的有限元分析中，常用的单元形式有三角形三节点单元、矩形 四节点单元、四边形四节点单元、三角形六节点单元、曲边四边形八节点单元

21、 等，如图 11 所示。 图 11 平面单元 最简单而又被广泛采用的是三角形三节点单元，下面以该类型单元为例来 进行分析。三角形单元有三个节点，共六个自由度。当节点位移或其中某一个 位移分量为零时，可在该节点处设置一个平面铰支座或连杆铰支座，以限制节 点位移或沿某个方向的位移分量。 用三角形单元划分网格时，应注意以下几点： 1） 任一三角形单元的节点必须同时也是相邻三角形单元的节点，而不能是 其相邻三角形单元的内点。 2） 三角形单元的各边长相差不应太大，否则，在计算中会出现较大的误差。 3） 划分单元时应充分利用结构的特点，如对称性等，从原结构中取出一部 分进行分析。且可采用疏密不同的网格剖

22、分，对应力变化急剧的区域可 分得密些，应力变化平缓的区域可分得疏些。对于大型复杂结构，可采 用分阶段计算法来划分单元，即先用比较均匀的粗网格计算，然后根据 计算结果，在应力变化急剧的局部区域再细分单元，进行第二次计算。 4） 当计算对象的厚度或者弹性系数有突变时，应把突变线作为单元的边界 线。在构件划分后，便对单元及节点进行编号。单元的编号一般来讲是 任意的，单元的节点编号一般都按右手规则进行，节点编号还应尽量遵 循单元节点编号最大差值为最小的原则。否则，在总体刚度矩阵中的带 宽将增大，致使所需的计算机内存容量增大。 2 单元分析 结构离散化后，要把单元中任一点的位移分量表示成坐标的某种函数，

23、 这一函数成为单元的位移函数。如图 12 所示的序号为 e 的三角形三节点 单元，其节点编号为 i，j，k。选取位移为坐标的线性函数。即 9 u（x，y）12x3y v（x，y）12x3y（11） 图 12 式中1、2、3、1、2、3为待定系数，u、v 为单元水平、垂直方向 位移函数，进行单元分析即是选定位移函数后，推导出单元内任意一点的位 移、应变及应力的关系式，利用虚功原理，建立作用于单元上的节点力和节 点位移之间的关系，即单元刚度方程。 该单元所在整体坐标系为 xOy，这样三节点在整体坐标下的坐标为 i（xi，yi） 、j（xj，yj） 、k（xk，yk） ；三节点的位移量为 i（ui，

24、vi） 、 j（uj，vj） 、k（uk，vk） 。单元节点位移列阵为 e= uiviujvjukvkT 设三角形单元的三个节点在水平和垂直方向分量分别为 Fix、Fjx、Fkx和 Fiy、Fjy、Fky，则单元节点力列阵为Fe= FixFjxFkxFiyFjyFkyT 由单元节点位移推算其内部任一点的位移，确定（11）中的六个待定 系数。已知三个顶点的坐标及起位移，分别代入式（11） 。 ui12xi3yi vi12xi3yi uj12xj3yj vj12xj3yj (1-2) uk12xk3yk vk12xk3yk 求解六个系数，然后将系数代回式（11） ，并整理成矩阵形式 ui vi u

25、Ni 0 Nj 0 Nk 0 uj v0 Ni 0 Nj 0Nkvj(1-3) uk vk 式中 Ni（aibixciy）/2 Nj（ajbjxcjy）/2 Nk（akbkxcky）/2 称 Ni、Nj、Nk为单元位移的形状函数，简称形函数或插值函数。 （xiyjxjykxkyi）/2（xjyixkyjxiyk）/2 物理意义为三角形 单元的面积。 aixjyk biyjyk cixjxk（其中 i，j，k 轮换）（14） 将式（13）简写成=Ne 其中，是单元内任一点的位移矩阵，e是单元节点位移矩阵，N为形 状函数矩阵；上式建立了单元中任一点的位移与单元节点位移间的关系，采用 不同形状的单元

26、，会有不同的形状函数矩阵。 在求得单元内各点位移后，由弹性理论中平面问题几何方程就可求出相应 i = j 10 点的应变，从而推导出节点位移e与单元内任一点应变之间的转换关系。应 变可用应变xux，yvy 和切应变xyuyvx 组成的 列阵描述，写成矩阵形式为 ui xbi 0 bj 0 bk 0 vi = y = 0 ci 0 cj 0 ck uj=B e (1-5) xy ci bi cj bj ck bk vj uk vk 式中B称为单元的几何矩阵，它反映了单元中任一点的应变与节点位移之 间的关系。可以看出，三角形单元面积，系数bi、bj、bk、ci、cj、ck均为常数，因 而几何矩阵B

27、是常量矩阵，单元应变矩阵在一个单元内是常量矩阵，因此这种 三角形单元是一种常应变单元。这是由于设定的位移函数 u（x，y）和 v（x，y）是线性的缘故。 单元中任一点的应力状态可以由 x 轴方向的正应力x、y 轴方向的正应力y 和切应力xy组成应力列阵来描述。由弹性理论中关于平面问题的物理方程可知， 单元中任一点的应力列阵 x = y=D =D B e(1-6) xy 式中D为材料的弹性矩阵，它反映了单元材料方面的特性。此式反映了节点位 移与单元内节点的应力关系。对于平面应力问题 D （17） 对于平面应变问题 D （18） 上两式中 E 为材料的弹性模量，为泊松比。E1E/(1-2)和1/（

28、1） 。 可见式（17） 、 （18）具有同样的形式，这说明只要对材料的弹性模量及泊 松比进行相应的代换，则平面应力问题和平面应变问题在计算中便可以采用同 样形式的弹性矩阵公式。 1 2 E 12 1 0 1 0 0 0 1 2 E1 112 1 1 0 1 1 0 0 0 11 2 11 由虚功原理可得 F e=tBTDB eK e e 此式称为单元的刚度方程，其中K e称为单元的刚度矩阵 K etBTDB 它反映了节点位移和节点力之间的转换关系。对于三角形三节点单元，K e 为 66 矩阵。 单元刚度矩阵中的元素的物理意义是单位节点的位移分量所引起的节点力 分量，该矩阵具有下列性质： 1）

29、单元刚度矩阵只与单元的几何形状、大小及材料性质有关，它不随单元 或坐标的平移而改变。 2）单元刚度矩阵为对称矩阵，这是由弹性力学中的功的互等原理所决定的。 3）单元刚度矩阵的主对角元素恒为正值。 4)单元刚度矩阵总是奇异矩阵。从物理上说，由于建立单元刚度矩阵时，没 有对单元节点施加约束，即允许单元产生刚体位移。而从数学上讲，由于 单元刚度矩阵各元素所组成的行列式值为零，即单元刚度矩阵不存在逆矩 阵。所以它是一个奇异矩阵。 3整体分析 建立了单元刚度方程式之后，就可以把各单元刚度矩阵合并，通过按节点 叠加的原则，建立整体节点位移列阵和节点载荷列阵F之间的关系式整 体刚度方程 FK （19） 式中

30、 K 为整体刚度矩阵。 接下来进行整体矩阵方程求解。引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求 解，得到各节点的位移，进而计算出节点的应变和应力。 1.4 IDeas 进行线性静力分析的基本过程进行线性静力分析的基本过程 1.4.1 基本过程基本过程 12 开始 Master Modeler/Surfacing 边界条件 零件设计 为有限元分析准备零件 定义有限元模型 基于几何的 网格划分 自由式网格划分 映射式网格划分 质量检查 附加的建模技术 梁单元模型 边界条件 模型求解 基于有限单元的 13 1.4.2 准备有限元分析零件准备有限元分析零件 1.4.3 创建边界条件创建边界条件 1.4.4

31、划分网格划分网格 后处理 优化 Master Modeler/Surface Prepare a part for FEM 隐藏特征生成及延伸表面表面裁减及零件分区 边界条件 基于几何的 选取分析类型定义基于几何的边界条件生成边界条件集 网格划分 自由式网格 14 定义网格类型设定单元尺寸生成网格 网格划分 映射式网格划分 定义映射式网格类型 在表面上定义映射式网格在体上定义映射式网格 网格划分 自由式网格 定义网格类型设定单元尺寸生成网格 网格划分 附加建模技术 坐标系手工生成节点及单元弧线间生成网格 15 1.4.5 模型求解模型求解 1.4.6 后处理后处理 模型求解 生成求解集选取输出

32、选项有限元求解 后处理 选结果设定显示模板设定计算范围显示计算结果 16 第二章第二章利用前处理建立有限元模型利用前处理建立有限元模型 2.1 准备有限元分析零件准备有限元分析零件 可以使用 I-DEAS 软件工具完成准备有限元分析零件的工作。本节内容包括： 隐藏特征 从线框生成平面及轮廓表面 裁剪及缝合曲面,零件分区 2.1.1 准备有限元分析零件概述准备有限元分析零件概述 隐藏特征 17 生成及缝合曲面 裁剪曲面及零件分区 2.1.2 隐藏特征隐藏特征 过多的诸如倒角、倒边、孔之类的特征,，使得零件建模困难。要使零件简 18 化应隐藏不必要的特征。操作如下： 1 点 Modify。 2 选

33、取零件及要隐藏的特征。 3 从菜单中点取 Suppress。 4 点取 Update 观察结果。 Update 用于修改后更新模型并观察结果。 2.1.3 生成曲面生成曲面 生成薄壳网格的表面常使用下面两种方法： 1 点取 Plannar Surface，选共面的线框及边创建表面。 2 点取 Surface by Boundary，选线框及边生成表面。 2.1.4 曲线向表面上投影曲线向表面上投影 在定义轮廓表面上的曲线时，表面投影曲线是很有用的，与裁剪表面连接就 是一个典型应用。投影曲线具有历史纪录，可以修改其外观。曲线向表面投影 操作如下： 1 在平面上定义曲线。 2 点取 Project

34、 Curve 图标，选取要投影的目标表面。 3 选取要投影的曲线或截面。 4 选投影方向。 2.1.5 裁剪及缝合曲面裁剪及缝合曲面 曲面裁剪 曲面可以被分区以定义单元的边界或进行映射式网格划分。操作如下： 1 点取 Surface Operators 图标，打开 Surface Abstraction 面板。 2 点取 Trim Surface。 3 选取要裁剪或分区的表面。 4 选取用来分割表面的曲线。 5 点取曲面上的边。 Split Surface 与 Trim Surface 命令的区别 Split Surface 与 Trim Surface 命令非常相像，但仍有不同，比较如下：

35、1.使用 Split Surface 时从平面上拉伸曲线，而 Trim Surface 曲线位于表面 19 上。 2.使用 Split Surface 可同时分割多个表面，Trim Surface 同时只能分割一 个表面。 3.Split Surface 只能分割表面，由用户删除不需要的表面，而 Trim Surface 可以在表面上生成孔。 缝合曲面 曲面可以在公共边处合并在一起消除缝隙，缝合曲面的操作如下： 1 从 Surface Abstraction 面边版上点取 Stitch Surface 图标。 2 从隐式菜单中选取 Select Surface。 3 选取 All。 2.1.6

36、 检查曲面上的自由边检查曲面上的自由边 自由边是表面上不被其它表面共享的边,零件内部高亮度的边表明表面间存 在缝隙,这些缝隙会导致网格不连续。可按以下操作显示自由边： 1 从 Surface Abstraction 面板点取 Show Free Edges。 2 选取要检查的表面。 自由边用虚线标示。 2.1.7 零件分区零件分区 Partition 命令在零件内部增加表面将零件分成多个区域。进行映射式网格划 分控制自由网格质量时零件分区很有用。零件分区操作如下： 1 从 Master Modeler 面板中点取 Partition。 2 选取要被分区的零件。 3 选取零件或表面分割将被分区零

37、件。 20 2.2 几何离散化几何离散化 2.2.1 生成自由网格生成自由网格 自由网格划分在几何表面及实体上自动生成节点及单元。这种网格形式比 映射网格更加灵活，表面及实体的边界也可以更复杂。它可以划分有孔的表面， 体、孔洞及内部空腔。以下内容包括： 在零件上生成有限元模型 区分线性及二次单元 控制自由式网格的网格密度 生成物理及材料性质 改变单元特性 自由式网格划分概述 决定单元类型 确定单元尺寸 21 生成网格 有三种类型的单元可用于自由式网格划分： 1.细长结构采用梁单元 2.薄板结构采用壳单元 3.厚墙状结构采用实体单元 单元阶次 可以选取单元的阶次。线性单元呈常应力、常应变状态；二

38、次单元具有应 力应变呈线性变化的性质。 求解时间与自由度的关系 求解时间N2，N 为自由度数目。因此，在求解时间与精度之间要做出一 些折中： 随自由度增加求解时间增加，多数情况下精度增加。 生成有限元模型时，权衡精度与磁盘空间、解算时间是至关重要的。 22 生成自由网格 自由式网格划分只需要用户少量的输入就可以自动划分复杂的形状，是一 种灵活的网格划分工具。 自由式网格可以定义于任何形状的表面、体及边上。表面可以有内孔，体 可以有内部空腔。 边上生成一维单元。 表面上生成二维单元。 体上生成三维单元。 自由式网格划分的 2D 单元 Define Shell Mesh 命令为表面附上网格信息。包

39、括： 单元长度：控制网格密度 单元族：薄壳单元，轴对称单元，平面应力、平面应变单元。 单元类型：线性或二次三角型单元，线性或二次四边形单元。 物理性质：控制单元厚度。 材料性质：可以是零件材料亦可另选材料。 设定基于曲率的长度 23 基于曲率的长度，可使软件计算得到基于边的曲率的单元长度。 选取 None 选项，单元长度按在单元长度域中键入的值。 选取 Percent Deviation 选项，单元长度基于偏离曲线的百分比，用弦高/弦 长表示。键入值为 1 100。 选取 Absolute Deviation 选项，单元长度是与边的绝对偏移量（弦高）。 自由式网格划分的实体单元 24 不同实体

40、可以定义不同的自由网格选项。 自由式网格在体上生成四面体单元。 网格密度由单元长度控制。 局部单元尺寸的设定、删除及修改 设定局部单元尺寸 在模型中选定的位置改变单元尺寸。 优先于全局尺寸。 通过选取向量或曲线上的点确定局部单元尺寸。 通过选取边确定曲线上的单元数目。 删除及修改局部单元尺寸 选取 Delete Free Local 或 Modify Free Local 可以删除或修改局部网格 参数。 1 选取 Modify （Delete）Local Parameters。 2 选取要修改或删除的局部值。 3 如果要修改键入新值，如要删除则选取 Done。 删除网格 Delete Mesh

41、 删除与表面或实体相关的节点及单元，表面及体将保留网格定 义。 列单元信息 Information 列出单元及节点的性质，单元信息包括： 标签 节点序号 材料性质表 物理性质表 颜色 改变单元性质 每个单元起码有六个关键性质可以改变： 标签 节点 25 物理及材料性质 截面性质 颜色 族及阶次 生成物理性质表 生成壳结构的物理性质： 1 选物理性质。 2 设定表名。 3 在表中设定物理性质，如：厚度。 修改单元物理性质 可为每个单元指定物理性质表： 1 点取 Element Modify。 2 选取具有相同厚度的单元。 3 从弹出式菜单中选取物理性质表。 4 从物理性质表目录中选取定义的正确的

42、厚度。 修改物理性质 可在物理性质表中检查或更改值： 1 点取 Modify Physical Property。 2 选取物性表观察或修改。 3 通过菜单选取 Property 修改。 4 给定正确值。 修改单元材料性质 要改变材料必须改变单元： 1 选 Modify Element。 2 在模型上选取要改变的单元。 3 在弹出菜单中选材料选项。 4 选取正确材料。 物理性质、材料性质与有限元模型的关系 物理及材料性质与模型文件相关。 性质不是给某个有限元模型指定，而是供多个有限元模型参考。 不能修改具有计算结果的有限元模型所参考的属性，但可以生成新属性并 26 改变有限元模型的参考。 2.

43、2.2 生成映射式网格生成映射式网格 映射式网格划分概述 映射式网格与自由式网格 在表面定义映射式网格 在体上定义映射式网格 映射式网格与自由式网格 用自由式或映射式网格划分均可生成壳体的网格： 映射式网格具有一定的结构形式，表面有三条或四条边。在一个表面内 不能包含孔。 自由式网格的限制比映射式少，表面可以有 1 至 50 条边，表面可以含 孔。 使用映射式网格 映射式网格根据表面的拓扑形式生成不同的单元。即： 在有四个边的表面上生成四边形单元。 在有三个边的表面上生成三角形及四边形单元。 六面体上生成六面体单元。 五面体上生成六面体及五面体单元。 在表面定义映射网格 27 定义映射网格操作

44、如下： 1 点取 Define Shell Mesh。 2 将缺省项 Free Type 改为 Mapped Type。 3 选取 Mapped Options 及 Define Elements/Side。 4 输入每边的单元数。 预览网格 1 点取 Preview 然后选取表面。 2 如所划网格可以接受，选取 Continue Meshing。 3 如所划网格不能接受，选取 Cancel，再重新选 Define Shell Mesh 来改变 选项。 当表面多于四条边时 28 如果所选表面多于四条边必须将其合并： 1 选 Define Shell Mesh。 2 选取 Mapped 为网格类

45、型，然后在 Define Mesh 表中选 Mapped Option。 3 在 Mapped Meshing Options 表中选 Define Corner，然后选表面的四个角。 4 选 Define Elements/Side 指定网格尺寸。 5 输入每边的单元数目。 每边定义不同的单元数目 映射式网格允许在对边设定不同的单元数。 三角形单元用于不等边之间的转换。 键入每边的单元数后，从菜单中选取 Set unequal elements 进行个别定义。 在体上定义映射式网格 29 可以在有五个或六个表面的体上定义映射式网格，生成六面体映射网格的 操作如下： 1 选 Define So

46、lid Mesh。 2 选要划分的体。 3 将网格类型改为 Mapped。 设定体上的映射选项 30 在映射选项表中定义每边的单元数。 选取 Mapped Option 及 Define Elements/Side，I-DEAS 提示输入体上各 边的单元数，自动赋予体上的对边相同值。完成映射网格定以后即可生成。 如果体中包含多于四个边的面软件会提示定义表面的四个角。 用六面体单元划分 N 边体 如果采用映射式网格划分的体具有六个以上的面，必须合并表面。 1 点取 Combine Surface。 2 选一个表面。 3 选要合并的相邻表面。 31 删除网格定义 Delete Mesh Defin

47、ition 可以删除与体或表面相关的定义（映射式或自由式）。 如果已经生成了网格，必须在删除网格定义之前删除网格。 2.2.3 附加建模技术附加建模技术 自动网格划分通常是最快捷的生成节点及单元的方法，但对一些特殊的网 格划分技术必须采用手工方法，如，刚性元、弹簧元、间隙元。以下内容包括： 定义工作平面位置及设定。 手工生成节点及单元。 通过拉伸生成节点及单元。 在曲线间生成网格。 附加建模技术概述 坐标系 手工生成节点及单元 32 在曲线间划分网格 使用工作平面增加节点及单元 可以定义自动划分节点及单元，但要使用刚性元、间隙元、弹簧元时必须 手工添加。在模型空间中为工作平面进行新的定义时，将

48、其看作局部坐标系， 选取 Local/Global 局部及全局开关，可将工作平面在局部及全局间切换。 生成节点 1 点取 Node 2 从结果菜单中指定节点的位置。 33 3 如果键入位置将与工作平面坐标系有关。 复制节点 1 点取 Node Copy。 2 选取要复制的节点。 3 指定复制数目。 4 指定移动距离。 手工生成单元 1 点取 Element。 2 选取要生成的单元类型。 3 选取单元的节点。 拉伸单元 单元可以通过拉伸生成： 梁或壳的边可以拉伸成薄壳。 壳或实体的面可以拉伸成实体。 曲线间网格划分 34 Mesh Between Curves 可以在两条、三条、四条线间生成映射式网格，操作 如下： 1 选两条曲线。 2 选迹线。 3 如第一步中所选曲线相连只需选一条迹线，否则选两条，迹线不必与曲 线相连。 4 键入单元长度或定义每边单元数。 5 预览网格。 2.2.4 质量检查质量检查 有限元计算结果的精度部分依赖于单元的质量，每种单元都有其理想的形 状，当模型中单元偏离理想形状时，质量下降，结果的不精确度增加。以下内 容包括： 检查确定