基于ANSYS和Solidworks的拓扑优化模型重构方法

1 问题描述ANSYS Workbench分析平面应力(Plane Stress)、平面应变(Plane Strain)、轴对称(Axisymmetric)等问题时，经常需要构建2D模型，并进行2D分析设置，必须激活2D分析类型。平面应力问题适合于薄平板结构，受平行于平板方向的外力作用，如下图所示。此时我们可以做出假设Z轴方向无应力，即Z轴方向应力为0。此时薄平板只受到XY轴方向的应力作用。将上述应力条件代入到广义胡克定律中，得出平面应力状态下的本构方程。平面应变问题比如压力管道、水坝、隧道或者等截面的梁等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变。作用外力与纵向轴垂直，并且沿长度不变。柱体的两端受固定约束，变形只发生于平面内。此时受垂直于Z轴方向的均布力，假设Z轴方向无变形，即Z轴方向应变为0。此时变形只在XY轴方向发生。3D分析时，我们经常是用CAD软件（如Solidworks、UG等）构建几何模型，然后导入到ANSYS Workbench中进行分析。2D分析亦不例外。 但是，2D分析会像3D分析那样导入外部CAD软件构建的几何模型吗？ANSYS Workbench又是如何将分析类型由3D激活为2D的呢？ 看完本文，你就彻底明白了。 2 几何建模首先，采用Solidworks的曲面建模功能构建一个2D平面，如图1所示。点击前视基准面，绘制一个矩形草图——>插入——>曲面——>平面区域。 图 1特别需要注意的是，2D平面的草图必须选择前视基准面（即XY平面），如图2所示。图 2 依次点击“文件”——>“另存为”，将2D平面保存为STP（推荐）或IGS格式，如图3所示。图 3 3 模型导入依次点击开始——>所有应用——>ANSYS——>Workbench，启动并进入ANSYS Workbench界面，新建静力分析（Static Structural），如图4所示。 图 4右击Geometry——>Import Geometry——>Browse——>选择构建的2D平面，将2D平面导入DM界面，如图5所示。图 5 右击Geometry——>Edit Geometry in DesignModeler，进入DM界面，如图6所示。图 6 设置Units为Millimeter。右击模型树中的Import1，选择Generate，生成2D平面，如图7所示。图 7 4 激活2D关闭DM界面，返回到Workbench界面，勾选菜单栏View中的Properties，右侧出现“Properties of Project Schematic”表格，如图8所示。图 8 单击Static Structural中的Geometry，右侧表格变为“Properties of Schematic：Geometry”，将表格最下方的Analysis Type由3D修改为2D，激活2D分析类型，如图9所示。图 9 双击Static Structural中的Model，进入Mechanical界面，如图10所示。图 10单击模型树中的Geometry，在下方的2D Behavior中设置2D分析的问题类型，如图11所示。图 11 其余步骤与3D分析基本一致，本文不再一一操作，有兴趣可参考前期文章：ANSYS Workbench线性结构静力分析实例操作。5 注意事项1）2D分析，需要在DM界面新建或打开一个面物体，或者从任意可以创建面物体的CAD软件中导入。2）2D模型必须在XY平面内，2D平面物体可以使用，但是2D线状物体不可使用。3）先激活2D分析类型，然后才能进入Mechanical，否则还是3D分析，并且不能再进行2D激活。此外，一旦激活2D，则不可能再把2D分析改成3D分析了。4）2D分析不能使用螺栓预紧载荷、线性压力、简单支撑、固定转动；压力只能施加在边界上；轴承载荷和圆柱支撑只能施加在圆形边界上；对于施加在圆形边界上的力，Z方向的投影分量会被忽略；对于有轴对称行为的分析，旋转速度载荷只能施加在Y轴上；载荷和分析结果都是XY平面内的，没有Z方向上的分量。 来源：纵横CAE