通常情况下,CAE前处理时需要对几何模型进行简化处理,否则即使最简单的物理问题,也很难仿真出满意的结果。结合工程实战经验,需要进行简化处理的几何特征大致有:
1)对于杆、梁、棒、带等细长实体零件,经常将它们处理成一维线单元。
2)对于筋、板、壳、筒等薄壁实体零件,经常将它们抽取为二维面单元。
3)对于细节特征,如凸台、凹槽、螺孔、倒角、圆角等,常做清除处理。
4)对于无相对运动的几何单元,进行合并、修剪等处理,实现拓扑共享。
5)将不重要的非线性曲线修改成线性直线等。
6)消除零部件之间的缝隙、间隙、补漏洞等。

真空罐“实体”抽中面为“片体”
Ansys Workbench是一款功能强大的工程仿真分析软件,其常用几何建模工具共有两个:SpaceClaim Direct Modeler(SCDM)和DesignModeler(DM)。其中,DM提供了丰富的三维建模工具,并且支持参数化建模和CAD导入模型处理。

ANSYS Workbench几何建模工具
前期文章提出了基于UG的CAE前处理几何模型简化方法,本文将详细讲解DM中常用建模工具,以期绘制、修改、清理、简化几何模型。打开ANSYS Workbench,建立项目分析流程图,右击Geometry,选择New DesignModeler Geometry。
Extrude:拉伸切除工具
1)利用extrude去除缩短的体,然后利用delete body删除。2)利用extrude增加加宽的体,然后利用boolean进行合并。Sweep:扫掠;Skin/Loft:蒙皮/放样。进行拉伸操作时,下方的details view栏里可以修改相关参数:
2) Operation: Frozen生成新体,Material与上一个模型合并;4) FD1,Depth: 设置拉伸深度。
Enclosure:流体包覆工具
可用来建立复杂的几何模型,模拟流体与周围环境的相互作用,更准确地模拟流体在受限空间内的流动情况,并得到更加贴近实际的仿真结果,在工程流体仿真计算中十分重要。2)下方面板中设置流体形状(矩形Box、圆柱形Cylinder、球形Sphere、或根据固体自定义形状User Defined);3)设置流体域大小(根据到固体面不同的距离进行设定)等。
注:图片源自网络
Fill:填充流体工具
可用于建立复杂几何模型,用户可以填充或封闭模型中的空隙,创建出所需的流体计算域,对于建立精确的流体计算域至关重要,这一功能在工程流体仿真的过程中非常重要。
2)右侧模型窗口选择管道的所有内表面,单击下方面板Faces栏中的Apply;3)单击工具栏中的Generate,或右击Fill —> Generate,生成流体模型。
主要用于创建一维和二维单元,将模型中的线或者面转换成有限元中的梁单元(Beam)或者壳单元(Shell)。一维单元的生成方法有以下4种:
- Lines From Sketches(草绘生成线)

梁单元可以通过Cross Section定义常见的截面形状及用户自定义截面,如长方形、圆形、T形等。二维单元的生成方法有以下4种:
Surfaces From Edges(边线生成曲面)
Surfaces From Sketches(草绘生成曲面)
Surfaces From Faces(实体面生成曲面)
Detach(一次提取实体的所有表面)
Thin/Surface:保留面;Blend:倒圆角;可用于对复杂几何模型进行切割,对多实体零件进行切分重组,以便更好地理解和分析模型的不同部分,得到非常漂亮的高质量六面体网格,方法如下: 2)设置Slice Type(必要时创建一个New Plane);3)选择线、面后点Apply,将零件切分为多个实体。注意:模型必须处于Freeze(冻结,在Tools菜单栏中设置)状态。Symmetry:对称模型创建工具
可用来创建和操作对称的几何模型,可以减少模型的复杂性和大小,从而加快仿真和分析的速度。此外,在对称面上指定特定的边界条件,以确保对称模型的正确性和准确性。
1)新建几何模型的对称平面;
2)选择Tools —> Symmetry ;
3)选择建立的对称平面 —> Apply。
可用来创建两个已有实体表面的中间面体,抽中面后面体自动定义厚度属性。处理简化复杂的几何结构,并对其进行编辑,可以大大提高仿真分析的效率和准确性。1)选择tools —> mid-surface;2)设置selection method为automatic;3)设置最大最小厚度,Crtl+左键,选择所有面对face pairs;
From New Part:组合体功能
作为DM区别于其他CAD软件的一个特殊功能,作用是将多个零件组合成一个多体零件。多体零件在划分网格时可形成兼容网格,保证不同零件之间的网格具有相同的节点,实现拓扑共享,从而使接触处的计算更精确。
一旦形成多体部件后,之前相互独立的这些 Bodies 在后面的设计仿真中就能拓扑共享(共节点),在 Mesh 中就表现为它们接触面上的网格是相互匹配的,不像它们相互独立时划分网格是相互间没有任何关联。有时在对多个连接面进行抽中面操作时会遇到出现脱离、间隙情况,此时可以使用该功能来处理这种情况,同时选取多个面进行抽中面,系统会自动进行修剪延伸。1)选择Tools —> Surface Extension,设置Extent为User Defined;
2)分别设置或选择延伸方向direction,延伸边线Edges,延伸距离Extent;
为了模拟真实载荷情况,有时需要对某个面的局部进行加载或约束。在ANSYS经典界面,我们可以直接施加集中力在节点上,在某个局部范围内,但是在Workbench中就没有那么方便了,比如一个体或者面上,无法实现局部力作用。

印记面功能Imprints Faces,就像在面或体上刻了印章一样,利用该功能可以在DM界面创建你想要的局部效果,然后在Mechanical中将载荷或约束施加在创建的印记面上。具体参见前期文章:干货 | Workbench创建印记面的两种方法。
Delete:删除工具
允许用户从项目中移除不需要的几何实体或特征,可以删除体、面、边等元素,有效地清理和优化其设计模型,正确使用 Delete 功能有助于保持模型的整洁和高效性。
1)选择Create —> Delete —> Body/Face/Edge Delete;2)在下方参数面板中,图形区或模型树中选择欲删除的线/面/体,点击Apply;3)右击模型树中的Delete,选择Generate。

注:图片源自网络
Boolean:布尔建模
对于相交模型,可以借助布尔建模功能,快速实现公共部分或非公共部分的删减、保留等操作。具体如下所述:
1) Operation后的操作下拉命令中选择Add Frozen,将其设为冻结状态;
2) 点击Generate按钮,完成冻结操作,被冻结的几何会以半透明状态显示;
3) 选择菜单栏上的Create下拉列表中的Boolean,进行布尔建模;
4) 使用Ctrl和鼠标左键可选择多个模型,Details View栏中的Operation后的操作下拉命令中选择相应的操作命令:
(1) Unite:相加运算。将两个的相交物体变成一个物体;
(2) Substract:相减操作。去掉目标物体中与另一个物体的相交部分;
(3) Intersect:相交操作。保留两个相交物体的公共部分;
(4) Imprint Faces:相交面操作。生成两个物体相交的面。

Repair:清理工具
用于清理去除导入模型多余的点、线、孔等操作,使模型更加利于后续处理。