如何从有限元模型生成几何模型？

在有限元分析过程中，虽然有限元软件最终是以有限元模型为计算对象，但是几何模型也有着独特的用处。例如在面上施加分布力系，此时使用几何模型比有限元模型更有优势。

但是我们在有限元软件之间转换时，它们之间通常只能传递有限元信息，那么，对于一个从其它来源得到的有限元模型，我们能够从它生成几何模型吗？

可以。ANSYS WORKBENCH的Finite Element Modeler可以根据有限元模型生成几何模型，然后可以在几何模型上加载。

本篇博文，就阐明这种技术。笔者首先使用某款三维软件创建几何模型，然后导入到HYPERMESH11中生成有限元模型，接着将该有限元模型导入到Finite Element Modeler中生成几何模型，再次将此模型导入到结构静力学分析系统中，在面上加载，最后进行分析，查看等效应力。下文将阐述此过程。

 

（1）创建几何模型

首先使用任何一款三维软件创建下图所示的几何体。

几何体是什么形状，并不重要。

用什么三维软件，也并不重要。

读者可以根据自己的需要，使用任意的三维软件，创建任意的三维模型。

然后导出为*.stp格式的文件。

 

（2）创建有限元模型

本步骤将在HYPERMESH中划分网格得到有限元模型

（2.1）导入几何模型

打开HYPERMESH11，导入上面创建的几何文件，结果如下图。

（2.2）划分网格

使用HYPERMESH中的任意网格划分技术，创建如下的有限元模型。

（2.3）设置与ANSYS的接口并导出网格

进入工具面板，开始准备导出网格。

在上述工具面板中，依次使用1,2,3步，分别创建单元类型，材料模型，并把上述单元类型，材料模型与网格模型关联。

首先添加单元类型为solid185

接着添加材料属性为钢材

最后设置组件属性

在这里，对于网格模型，关联了材料和单元。

最后导出网格

导出的网格文件是file.cdb，该文件是ANSYS与外界交换网格信息的桥梁。

然后退出HYPERMESH11.

 

（3）在WB中创建Finite Element Modeler，并导入网格。

（3.1）打开ANSYS WORKBENCH 并创建Finite Element Modeler。

（3.2）设置网格来源为前面HyperMesh中导出的网格文件file.cdb

(3.3) 更新Model单元格

（3.4）双击进入到Finite Element Modeler中并浏览信息

可以看到此时只有网格模型

 

（4）在Finite Element Modeler中生成几何模型

（4.1）生成SDT组件

从下图所示处创建SDT组件。该过程可选，不过最好先走一遍。

FEM根据有限元模型创建了许多组件，每个组件都是一个面。

结果如下

（4.2）生成初始几何体

按照下列方式生成几何体。

结果如下图

可见，几何模型已经生成。

（4.3）退出Finite Element Modeler

从下述菜单退出FEM.

 

（5）使用Finite Element Modeler中得到的几何模型及有限元模型

本步骤将使用前面得到几何模型和有限元模型，进行一个简单的结构静力学分析。

（5.1）导出模型到结构静力学分析系统

使用如下图所示方式把FEM的结果导出到结构静力学系统。

结果如下

此时，FEM只把工程数据导入到结构静力学系统中。

（5.2）新建连接

为了把FEM中的几何模型和有限元模型都导入到结构静力学分析系统，新建一个连接关系如下图。

（5.3）更新连接

更新连接关系如下图，从而把几何模型和网格模型都导入到结构静力学分析系统。

结果如下

（5.4）双击Model进入到DS中

查看几何模型

查看有限元模型

可见，几何模型和有限元模型都已经导入。

（5.6）对四个圆孔分别创建四个命名选择

为了便于后面选择四个孔，首先对四个孔创建命名选择。方法是首先选择一个孔的八个面，然后创建一个命名选择，其它三个孔类推。

（5.7）创建固定边界

固定如图所示的边界。

（5.8）在四个圆孔上施加集中力

在四个孔施加集中力，此时用命名选择作为SCOPING对象。

（5.9）求解并查看应力云图

计算并查看应力云图如下

至此，计算完毕。

【结论】

1. 使用ANSYS WORKBENCH的Finite Element Modeler，只需要一步就可以从网格模型得到几何模型。上述步骤中，（4.2）步是关键，而（4.1）步是可选的。朋友们可以直接执行（4.2）步，而不用经过（4.1）步。不过，在ANSYS内部，它仍旧经过了（4.1），再到达（4.2）步。

2. ANSYS是如何根据有限元模型得到几何模型的？它是根据单元的外表面的连续性，首先创建了几何模型的外表面，根据这些外表面，其内部就是实体模型。

3. 上述方法有什么优点？大家一定知道，HYPERMESH是划分网格的最佳工具，我们很希望在ANSYS中能够使用HYPERMESH生成的网格。但是从HYPERMESH中得到的有限元模型，是没有几何信息的。这使得在ANSYS中使用HYPERMESH的有限元模型时，加载并不方便。而上述方法可以使得我们既利用HYPERMESH的有限元模型，又可以得到几何模型进行加载。

4. 上述方法有什么缺点？如果读者做完了这个例子，就会知道，对于FEM所复原的几何模型，在孔处，它实际上是8个小平面，而非一个圆柱面。所以此时并不能使用ANSYS所提供的圆柱支撑等形式。不过瑕不掩瑜，要想完全的还原出原始几何体，从理论上来说，本身就是很有难度的事情。ANSYS能够这样还原，已经大致能够满足我们的要求了。

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作者：【宋博士】