干货｜ANSYS Workbench几何建模工具_ACT_Workbench_UG_曲面_ANSYS_装配

干货｜ANSYS Workbench几何建模工具

纵横CAE

3月前浏览2115

通常情况下，CAE前处理时需要简化几何模型，例如去除不需要的孔、圆角、倒角、凸台等，否则即使最简单的物理问题，也很难仿真出满意的结果，然而这些工作需要花费很多精力。

前期文章提出了基于UG的CAE‍前处理几何模型简化方法，本文将继续讲解ANSYS Workbench几何建模工具：DesignModeler，以期绘制简单的三维模型，或用于修改和清理导入的几何模型。

打开ANSYS Workbench，建立分析流程图，右击Geometry，选择New DesignModeler Geometry，进入几何建模平台。

二维图形草绘

Draw：绘制二维草图，与CAD软件相似。

Modify：对二维图形进行倒角，剪断，复制，移动等操作。

Dimensions：提供测量，尺寸标注，为后续快捷修改提供途径。

Constraints：为几何图形施加约束，使其可以变成操作者需要的位置。

三维建模操作

Extrude：拉伸操作；Revolve：旋转操作；

Sweep：扫掠操作；Skin/Loft：蒙皮/放样操作。

Extrude：加宽缩短体工具

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合并。

进行拉伸操作时，下方的details view栏里可以修改相关参数：

(1) Geometry: 选择要拉伸的曲线；

(2) Operation: Frozen生成新体，Material与上一个模型合并；

(3) Direction: 模型生成方向选项；

(4) FD1，Depth: 设置拉伸深度。

Concept：概念建模

应用菜单选项里的特征用来创建和修改作为线体和壳体。线体可以指明截面形状和对齐方向。

Fill：填充流体工具

1）单击菜单栏中的Tools—> Fill；

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。

Enclosure：流体包覆固体工具

1）选择Tools—>Enclosure；

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。

几何模型处理

Thin/Surface：保留面；Blend：倒圆角；

Chamfer：倒角操作；Slice：切片操作。

Slice：切片工具

为了得到高质量的六面体网格，常需对多实体零件进行切分重组，方法如下：

1）选择Create —>Slice；

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。

Split Edges：边线分割工具

1）选择Concept—>Split Edges；

2）图形中选择需要分割的边线；

3）点击Edges后的Apply，其余保持默认。

Symmetry：对称模型创建工具

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。

Mid-surface：中性面抽取工具

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；

4）依次点击Apply，Generate。

Multi-body Parts：部件合并工具

可以将装配体中的某些零部件或者整个装配体合并成一个多体部件体，这样在仿真计算时形成多体部件体的零部件间就可以实现拓扑共享。

Surface Extension：曲面延伸工具

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；

3）点击Apply，点击Generate。

Delete：删除工具

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，点击下方参数面板中的Apply；

3）右击模型树中的Delete，选择Generate。

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。

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、空等操作，使模型更加利于后续处理。

来源：纵横CAE

一文搞懂ANSYS Workbench多场耦合仿真

工程实际中，结构场、温度场、流体场、电磁场相互耦合。随着产品的要求越来越高，单场载荷响应已不能满足设计要求，多场耦合仿真技术的重要性愈发凸显，更好模拟实际问题提高工程设计的准确性和可靠性。航空发动机流-热-固耦合仿真按照耦合程度，多场耦合可分为单向耦合和双向耦合。单向耦合即A场对B场有影响，而B场对A场没影响。双向耦合即A场对B场有影响，而B场对A场也有影响。按照计算方法，多场耦合主要有直接耦合法和迭代耦合法。多物理场耦合作用随着当今世界科技发展，多场耦合分析已在许多领域都有广泛的应用，如航空航天、土木工程、机械工程、电子工程、光学工程等。多场耦合分析可以帮助我们更好地理解和预测复杂系统的性能，其主要分析步骤如下：Step 1：建立数学模型根据所研究的问题，将各个物理场用数学方程表示出来，如 Navier-Stokes 方程、波动方程、热传导方程等。Step 2：确定边界条件根据实际问题的几何形状和物理特性，设定数学模型的边界条件和初始条件。Step 3：求解数学模型利用数值计算方法（如有限元法、有限差分法等）求解各个物理场的数学模型，得到各个场的分布和变化情况。Step 4：分析结果数据对计算结果进行分析，找出各个物理场之间的相互作用规律，评估设计方案的优劣，为工程决策提供依据。Step 5：优化设计模型根据分析结果，对设计方案进行优化，以满足工程要求。流-固耦合燃烧模拟ANSYS Workbench是功能最全面、性能最卓越的工程仿真软件之一，具备解决复杂多物理场的耦合计算能力，通过图形化界面进行多种物理场耦合的仿真分析，如流-热-固耦合、电-磁-热耦合、光-机-热耦合等。热-固耦合仿真由热力学定理可知，热胀冷缩是物体的固有属性。当环境温度发生改变时，结构的连续性或边界条件由于热胀冷缩而产生热应力，在正常工况下存在稳态热应力，在启动或关闭过程中存在瞬态热应力。由约束限制产生热应力由材料差异产生热应力一般情况下，热-固耦合为单向耦合。结构力学响应不会影响热物性、传热方式以及热边界条件，结构热应力问题可以解耦为热分析和结构分析，将热分析的温度分布作为结构分析的输入条件。结构热应力分析流程 ANSYS Workbench热-固耦合仿真分析流程，如下图所示。首先，进行结构热分析，获取温度场分布。然后，将温度作为外载荷，导入到结构力学计算中，从而得到结构热应力热变形。ANSYS Workbench热-固耦合仿真分析流程流-固耦合仿真流-固耦合是流体力学 (CFD) 与固体力学 (CSM) 的交叉力学分支，用于研究流体流场与固体变形之间的相互作用，计算固体在流体流动作用下的应力应变，以及流体在固体变形影响下的流场改变。CAE告诉你“脑子进水”是什么感觉单向流-固耦合：数据只从流体计算传递压力到固体表面，或者数据只从固体计算发送节点位移到流体界面。固体计算既可采用静态结构分析，也可采用瞬态结构分析。Workbench单向流-固耦合分析流程，如下图所示。ANSYS Workbench单向流-固耦合仿真分析流程双向流-固耦合：每一时刻都同时进行流体计算传递压力到固体表面，固体计算发送节点位移到流体界面。固体计算通常采用瞬态结构分析。Workbench双向流-固耦合分析流程，如下图所示。 ANSYS Workbench双向流-固耦合仿真分析流程流-热耦合仿真流-热耦合是研究温度场与流体场之间的相互作用，在工程实际中非常普遍，例如预测氧化、冷隔、浇不足等铸造缺陷。流-热耦合需要进行多次迭代计算，需要考虑多种因素，如流体的物理性质、温度场的影响等。ANSYS Workbench可以完成单向和双向流-热耦合仿真，用户可以利用ICEMCFD划分流体场网格，使用Fluent模块求解流体场，从而完成流-热耦合计算。流-热耦合计算中，主要基于对流换热计算公式进行数据交换。ANSYS Workbench双向流-热耦合仿真分析流程流-热-固耦合仿真流-热-固耦合是研究流体场、温度场、结构场之间的相互耦合作用，例如航空领域的尾喷管气动加热问题、航空发动机一体隔热结构的散热问题，航天领域飞行器的热气弹问题，汽车领域的排气管流-热-固耦合问题等。三通管流-热-固耦合仿真ANSYS Workbench使用Fluent、Steady-State Thermal、Static Structural实现流-热-固耦合分析，流体通过耦合面传递流体力至结构并传递温度至热场，热场通过体耦合传递温度至结构，数据流如下图所示。ANSYS Workbench双向流-热-固耦合仿真分析流程电-磁-热-固耦合仿真电-磁-热-固耦合仿真是研究电场、磁场、温度场、结构场相互耦合作用，可以在产品设计阶段就能减少产品问题，使产品更加小型化、更安全可靠高效，大幅降低变压器、电机、电磁炉等机电原型机的测试和生产成本。5G数字电路电-磁耦合仿真ANSYS Maxwell是工业界领先的电磁仿真软件，已被集成到先进的仿真平台Workbench中，可以实现电机电磁、振动和噪声的耦合分析。也可以与其他软件进行耦合分析，如Maxwell模块与FLUENT软件之间的电磁热流耦合分析。ANSYS Workbench电-磁-热耦合仿真分析流程刚-柔耦合仿真在实际工程问题中，刚形体与柔性体同时存在，其中柔性体很容易发生疲劳破坏，其变形也会影响机械系统精度，因此需要考虑结构的变形效果，分析柔性体的结构力学响应，即进行刚-柔耦合仿真分析。ANSYS Workbench刚-柔耦合分析项目流程如下图所示，主要分为两步：首先进行刚体动力学分析（ANSYS Workbench刚体动力学分析流程），然后进行柔性体力学分析。刚柔耦合仿真案例参见文章：ANSYS Workbench刚-柔耦合仿真。ANSYS Workbench刚-柔耦合仿真分析流程光-机-热耦合仿真在精密光学仪器中，由于机械载荷、温度变化、装配偏差等因素，会引起光学镜面几何变形和光学材料性能变化，难以满足镜片面形和位置精度要求。因此，需要将光学、结构力学、热力学等多学科集成耦合，形成光-机-热集成分析方法，通过仿真驱动设计实现光机方案快速迭代。太空望远镜光-机-热耦合仿真Ansys Mechanical结构分析对镜头的装配和温度工况进行模拟分析，得到镜头变形数据结果，再通过Zemax的STAR模型进行耦合，将镜头的结构分析数据导入到镜头设计软件中，从而进行镜头设计和优化。ANSYS Workbench光-机-热耦合仿真分析流程多场耦合分析是研究多种物理场相互作用的分析方法，涉及固体力学、流体力学、热力学、电磁学、热学等多学科知识。作为新时代工程师，学好自身专业的同时，也要不断拓展其它专业知识，更好实现产品交叉融合。来源：纵横CAE