DesignModeler中映射面及概念建模方法

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目前，ANSYSWorkbench平台下的前处理工具包括:DesignModeler 和 SpaceClaim两款软件。

其中， SpaceClaim 被 ANSYS 收购后，被用于该平台下未来前处理的主流。 SpaceClaim 拥有强大的直接建模技术，它不同于其他基于特征的参数化CAD软件，能够以最直观的操作方式对模型进行编辑；还具有强大的数据交换功能，支持市面上主流的所有三维 CAD 软件。

同时，SpaceClaim还具有高智能的模型修改和清理功能，可以为后续CAE分析、快速原型和3D打印提供简化而准确的模型。

因此，很多人认为进行分析完全没必要使用 DesignModeler，只要把模型用中间接口或图形接口导入即可。其实，这是一种错误的想法。

因为很多时候我们导入的模型需要二次处理。例如，增加映射面，添加流体域，三维实体抽壳，模型简化修复等，这时用DesignModeler 反而更加就简便，同时DesignModeler 的三维建模能力也非常强，建模逻辑清晰，能胜任大多数实体模型的建模工作。今天我们就来讲讲DesignModeler中的映射面及概念建模方法吧~

DesignModeler模块及界面介绍

在主界面的组件系统中，将 Geometry 模块拖入项目工作区，右键选择DesignModeler，即可进入DesignModeler（以下简称DM）界面，如下图1-1所示。

图1-1 DesignModeler打开方法及主界面

进入软件后，第一步需要设置单位，如下图1-2所示。其中，长度和角度单位不用赘述，注意其中的 Large Model Support 开关，当模型的最大长度尺寸为模型截面尺寸的上千倍时，则需要打开此开关，否则无法建模。

图1-2 单位设置及大模型支持设置

DM 的常用操作与一般三维软件类似。本文重点讲述DesignModeler中的映射面的定义和概念建模操作。

Imprint Faces（映射面）定义

Imprint Faces 定义可以保证在物体的局部区域加载载荷，局部区域分为线、平面、圆弧面和曲面。Imprint Faces 菜单一般需要Unfreeze 后，方可调用。

① 平面映射面定义操作（含线映射）

平面映射是最基本也是最常用的，线映射的操作方法与之类似。本案例实例基于一100mm×100mm×200mm的长方体，在某个平面建立长方形映射面，长方体模型建模及流程如图2-1所示。

图2-1 长方体模型建模

接下来，可在实体的面上添加映射面，平面映射添加步骤如下：

（1）选择添加映射面的平面，本例选择XY平面；

（2）点击，正视XY平面；

（3）如图2-2依次点击，绘制圆形映射面；

图2-2 绘制圆形映射面

4）如图2-3，标注映射面尺寸；

图2-3 映射面标注

（5）如图2-4依次点击，最后产生平面映射面。

图2-4 产生映射面

在三维模型中可以看到映射面的草绘样式，可以在任意一个Sketch 处点击右键，选择Show Sketch 或HideSketch，即可选择是否显示草绘样式。

② 圆弧面映射面定义操作

圆弧面映射常用于轴上轴承位或轮系位加载。本例基于一圆柱体，在柱面上建立圆弧映射面。圆柱体模型建模及流程如图2-5所示。

图2-5 圆柱体模型建模

圆弧面映射添加步骤：

（1）选择需要添加映射面的平面，本例选择YZ 平面（目的是为了通过一根直线旋转建立一个圆弧面，这个圆弧面与圆柱体圆弧面重合）；

（2）点击，正视YZ 平面；

（3）如图2-6依次点击，绘制一条直线，标注，保证直线与圆柱体外圆弧面重合；

图2-6 绘制映射线并标注

（4）如图2-7依次点击，最后产生圆弧映射面。注意在选择旋转轴时，可以在图形区选择，也可以在Tree OutLine 选择坐标轴。

图2-7 产生映射面

③ 曲面映射面

当模型存在复杂曲面时，有时需要在曲面上加载局部载荷，这时就需要用到曲面映射。本例基于一带任意曲面的实体，在曲面上建立曲面映射面。建立任意曲面实体模型如图2-8所示。

图2-8 曲面实体建模

曲面映射添加步骤：

（1）选择ZX 平面（目的是为了建立一个实体投影到曲面上，因此需要新建一高于曲面的坐标系，在新建的坐标系上建立一实体）；

（2）点击Create→New Plane，创建一新的坐标系，如图2-9设置；操作中数值42mm 定义的原则是距离曲面越近越好，这个数值直接影响曲面映射面的尺寸。

图2-9 新建一坐标系

（3）点击，正视Plane4平面；

（4）如图2-10，绘制一个矩形，并标注；

（6）如图2-11，创建一个高于曲面的实体；

（7）点击Tools→Projection，创建投影映射面，如图2-12设置；操作中Edges 选择上方实体下面四条边，Target 选择曲面。

图2-10 新建坐标平面上绘制草图

图2-11 创建一个高于曲面的实体

图2-12 创建曲面映射面（投影）

以上便是映射面的一些添加方法，需要注意，增加映射面会破坏模型的拓扑形状，致使有些可以用扫略网格的模型不能再扫略处理。

概念建模

概念建模在DesignModeler的Concept 菜单，主要用于创建、修改线体和面体，最终体现为梁和壳模型，如图3-1所示。

图3-1 概念建模菜单

① Line From Points（通过点建立线）

同样以上面的模型为例，通过点创建线体方法如下：

图3-2 Line From Points（通过点建立线）

点选时需要按住Ctrl 键多选，同时Operation 处注意选择AddMaterial 或者Add Frozen。前者表示添加的线体是统一的材料和截面，后者则不然。

同理，Lines Form Sketches（通过草绘建立线）、Lines Form Sketches（通过草绘建立线）操作方法类似，此处不再赘述。

② 3D Curve（建立3D 曲线）

建立 3D 曲线基于两种形式：①基于DM 里的点；②基于点云文件。选项如下：

图3-3 3D 曲线的两种形式

我们以基于点云文件举例，创建一个txt 文档，置于某个非中文目录下，文档内容为：

1 1 0 0 0

1 2 100 0 0

1 3 0 100 100

1 4 100 100 0

其数值意义为：组号(整数)，序号(整数)，对应的笛卡儿坐标系数值。

如图3-4 所示，创建一条3D Curve。

图3-4 创建3D 曲线

③ Surfaces From Edges（以线体边创建面体）

以线体边创建面体，线体边必须为不交叉的封闭区域。以上面创建的3d线体为例，首先用Line From Points 连接1、4 点，创建一条直线。在Operation 处选择Add Frozen，可以保证新建立的线体与先前建立的线体有不同特征（材料、截面等），如下所示：

图3-5 封闭曲线

然后，用Surfaces From Edges 选择两条线，创建一个扭曲面。Flip Surface Normal 为是否翻转表面法线；Thickness 为输入有限元模型的厚度。如下图所示：

图3-6 创建面体

④ Cross Section（横截面定义）

用Cross Sections 定义管形截面。Design Modeler的梁截面位于XY 平面上，与经典环境的YZ 平面不同。如下图所示：

图3-7 截面定义

截面定义的参数含义如下： A为截面面积，Ixx 为X 轴转动惯量，Ixy 为惯性积，Iyy 为Y 轴转动惯量，Iw 为翘曲常量，J 为扭转常量，CGx 为质心X 坐标，CGy 为质心Y 坐标，SHx 为剪切中心X 坐标，SHy 为剪切中心Y 坐标。

将管形截面赋予线体，如下所示。

图3-8 截面赋予

来源：薛定谔的Cube

接触仿真知多少? 来看看初始接触间隙、初始穿透会造成哪些求解问题!

接触分析时，一个关键的前置步骤就是处理好接触的间隙和穿透。有朋友在问分析前，初始接触间隙和初始穿透不消除会造成什么问题？下图为ANSYS对接触间隙和穿透的处理要求。可以看到，静力学分析和动力学分析时，接触间隙的处理要求不一样。图1接触间隙和穿透的处理要求一、接触间隙存在可能导致的问题在静力学仿真中，初始接触间隙必须消除，因为不消除时会造成收敛困难或结果的不正确。具体表现如下：1.计算不收敛与数值奇异初始间隙的存在，会导致接触面在接触时刚度的瞬间突变（从零到有限值），在静力分析中可能引发刚体位移。当刚度K=0时，位移U趋于无穷大，导致刚度矩阵奇异(无法求逆)，此时系统无法通过静力平衡方程（F=K·U）求解，计算直接终止。例如，ANSYS中若未建立接触约束(间隙存在之处，未建立接触)，节点可能因无约束自由度产生不可控位移，触发警告或错误提示信息。2.结果失真与物理非现实性刚体位移会导致模型在接触闭合前产生非物理的大变形或穿透。例如，未消除间隙时接触面无法传递力，导致在无阻力状态下发生“无限平移”(穿透)，与实际受力行为严重不符。若采用控制载荷加载法，初始间隙可能使接触面长期处于打开状态，支反力与外部载荷无法平衡，破坏系统的力学平衡条件。3.伪能量干扰与结果可信度下降为解决刚体位移问题，很多计算软件引入的接触稳定阻尼或非线性稳定能等技术，这种方法会在模型中引入虚拟能量（ALLSD），需特别注意阻尼或能量参数的设置。若阻尼值设置不当，可能导致稳定能耗散量过大（如超过应变能的5%），掩盖真实物理响应，从而造成结果的失真和不可信。ANSYSworkbench中，接触设置选项中就引入了稳态阻尼系数(satbilization)，如下图:图2稳态阻尼系数选项4.迭代次数激增与计算效率降低接触间隙的存在，可能造成接触状态的突变(未接触到接触状态的突然转变)。这种现象可能会增加不连续迭代次数（severediscontinuityiterations）。在处理初始间隙时需频繁调整接触状态，导致计算耗时成倍增长，甚至因迭代超限而失败。从接触间隙引发的上述问题，我们应该认识到初始间隙的消除是接触分析的关键前置步骤。对于不可避免的间隙，ANSYS软件建议优先采用接触稳定阻尼结合位移控制加载，并通过能量比验证确保结果的物理合理性。二、接触穿透存在可能导致的问题不论动力学还是静力学分析，从图1可以看到:除了过盈配合外，接触不允许存在初始穿透。初始穿透同样会引发一系列计算分析问题，具体表现如下:1.计算错误与结果失真问题◆接触力异常如果存在初始穿透，ANSYS软件会将初始穿透误判为真实过盈接触行为，导致接触力在初始时刻被错误激活。例如在LS-DYNA中，穿透的节点会直接触发接触算法生成非物理的接触力，使后续计算基于错误的初始条件展开，应力分布和变形结果严重偏离实际。◆能量不守恒如上表述，穿透区域会产生虚假的接触反力（如罚函数法中的反力），这会导致系统能量异常增加。这种伪能量可能掩盖真实的动态响应，例如碰撞仿真中动能转化为非物理的接触耗能，破坏能量守恒定律的验证。2.收敛性与稳定性问题◆计算终止风险当初始穿透量过大时，接触算法可能因刚度突变（如罚函数刚度过高）导致数值不稳定。例如，ANSYS在提交计算时会直接检测并提示穿透信息，若未处理则可能终止计算。◆迭代发散初始穿透会改变接触面的约束特性，导致非线性方程组求解困难。例如在隐式分析中，穿透可能使雅可比矩阵病态，引发迭代次数激增甚至发散。3.模型可靠性问题◆几何失真传递初始穿透导致的错误接触力会引发连带效应。例如螺栓连接中某处穿透可能使相邻部件产生非预期的预紧变形，破坏整体装配关系的真实性。◆边界条件矛盾在复杂装配体中，初始穿透可能与其他约束（如固定支撑）形成矛盾，产生过约束或欠约束。例如，桩土接触中穿透节点与固定边界共享时，可能触发约束冲突警告。三、初始接触状态的检查ANSYSworkbench中的初始接触状态检查方法如下图所示：图3初始接触状态检查在ANSYSworkbench中进行初始接触状态检查后，我们就可以根据各接触面的初始接触状态调整该接触的接触设置选项，以消除初始间隙和初始穿透的影响。以上就是今天就和大家分享的内容。后续本公众号会对接触问题做持续的分享，还请点赞、收藏和转发，感谢老铁支持！来源：薛定谔的Cube