第ｌＯ卷第５期；２００９年１０月空军工程大学学报（自然科学版）Ｊ；基于ＵＧ预处理的ＡＮＳＹＳ有限元分析方法；李春旺，解武杰，杨尊袍，傅振堂，孙强；（空军工程大学理学院，陕西西安７１００５１）；摘要：为克服大型复杂构件使用ＡＮＳＹＳ进行有限元；算机辅助设计软件ＵＧ与有限元分析软件ＡＮＳＹＳ结；限元模型的生成、材料属性的设置以及边界条件和载荷；然后将解算文件直接
第ｌＯ卷第５期
２００９年１０月空军工程大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＩＲＦＯＲＣＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥＥＤＩＴＩＯＮ）Ｖ０１．１０Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２００９
基于ＵＧ预处理的ＡＮＳＹＳ有限元分析方法
李春旺，解武杰，杨尊袍，傅振堂，孙强
（空军工程大学理学院，陕西西安７１００５１）
摘要：为克服大型复杂构件使用ＡＮＳＹＳ进行有限元分析时实体模型建立过程中的困难，将计
算机辅助设计软件ＵＧ与有限元分析软件ＡＮＳＹＳ结合起来，在ＵＧ中完成实体模型的创建、有
限元模型的生成、材料属性的设置以及边界条件和载荷的加载等预处理工作，并生成解算文件。
然后将解算文件直接导入ＡＮＳＹＳ软件中进行求解，克服了ＵＧ实体模型导入ＡＮＳＹＳ后网格划
分困难、ＵＧ有限元模型导入ＡＮＳＹＳ后预处理工作无法展开的缺点。实际算例表明，文中方法
发挥了ＵＧ功能完备的建模优势及ＡＮＳＹＳ强大的解算功能，并充分利用了解算文件的可修改性
和ＡＮＳＹＳ软件的开放性，使分析的可行性与精确性达到最大的统一，为大型复杂结构的有限元
分析开辟了新途径。
关键词：有限元分析；计算机辅助设计；预处理；ＵＧ；ＡＮＳＹＳ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９―３５１６．２００９．０５．０１８
中图分类号：０３４；ＴＰ３９１．７２文献标识码：Ａ文章编号：１００９―３５１６（２００９）０５―００８５一０５
有限元分析（ＦＥＡ）软件ＡＮＳＹＳ具有功能强大的解算器，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的计算，是目前国际上最流行的有限元分析软件之一【ｌ‘３Ｊ。然而，美中不足的是，ＡＮＳＹＳ软件的实体建模功能相对薄弱。如果分析对象规模庞大，结构复杂，尤其是包含大量不规则的曲线和曲面时，使用ＡＮＳＹＳ建立实体模型比较麻烦㈡Ｊ，往往需要对模型进行简化∞Ｊ。同时，这种情况下网格划分常常需要借助布尔操作将整体模型进行分割，而此时ＡＮＳＹＳ中分析对象往往不支持布尔操作，从而使得有限元模型的生成比较困难。为弥补这方面的缺憾，ＡＮＳＹＳ为目前流行的计算机辅助设计（ＣＡＤ）软件预留了接口∞１，可以输入ＣＡＤ软件生成的实体或有限元模型，ＵＧＬ７１就包含在其中。
ＵＧ作为当今世界最先进的计算机辅助设计软件之一，具有强大的实体造型和曲面造型功能。虽然ＵＧ也具有自己的ＣＡＥ模块，但主要应用于模型的动力学仿真【８】，而且所能提供的解算器类型和结果数据都不是很充分。然而如果利用ＵＧ和ＡＮＳＹＳ良好的兼容性，将它们联合起来，充分发挥ＵＧ功能完备的ＣＡＤ模块和ＡＮＳＹＳ强大的ＦＥＡ功能，将为大型复杂结构的有限元分析开辟一条新的途径。
ｌＵＧ预处理
１．１实体模型的建立
利用ＵＧ的ＮＸ功能模块，根据设计图纸，运用从底而上或自顶向下的建模方法，通过建立新组件或者建立并编辑ＵＧ自身的引用集，利用样条、桥接、偏置、投影、交叉等特性以及建立和编辑曲线、生成主片体等方法，逐步建立并修改组图，最终完成研究对象完整准确的实体模型【９Ｊ。
１．２材料常数及边界条件的设定
实体模型建立完毕后，即可进入ＵＧ的结构分析模块。
收稿日期：２００８―１０一１６
基金项目：空军工程大学理学院博士学位论文创新基金资助项目（Ｘ２００７８００１）
作者简介：李春旺（１９７７一），男，陕西富平人，讲师，博士，主要从事航空材料的疲劳与断裂研究．Ｅ―ｍａｉｌ：ｌａｎｇｔａｏｓｈａ６６６＠ｔｏｍ．ｃｏｒｎ
８６空军工程大学学报（自然科学版）２００９拒
在结构分析模块中，首先将解算器设定为ＡＮＳＹＳ，并按需要设定分析类型和解法类型。ＵＧ为ＡＮＳＹＳ设定的接口共预留了结构、热、轴对称结构和轴对称热４种分析类型以及线性静态、模态、屈曲和非线性静态４种解法类型。
其次进行研究对象材料特性设置。在设置材料属性时，要注意各个量的单位，使用同一单位制，和ＡＮ―ＳＹＳ统一起来，因为在ＡＮＳＹＳ中没有显式单位，只是使用封闭的隐式单位制。材料属性的加载有２种方式，一种是在加载对话框中直接加载，另一种是通过文件修改来完成。第２种方法对于一些变化的材料属性尤其有效，比如材料非线性分析中的应力一应变。输入材料的应力一应变时还要注意，所输入的最大应力一应变值一定要含盖求解对象的整个响应范围，否则程序将无法处理超过所输人最大应力一应变的响应，计算结果将以输入的最大值代替超过它的响应值。
再次进行载荷加载。在ＵＧ中施加载荷时，可在点、线、面、体及边缘上加载包括重力、离心力和温度载荷在内的各种外加载荷。
最后对研究对象进行约束。定义约束时，可在点、线、面及边缘的各个方向上定义各种类型的平移和旋转约束，包括固支、简支、对称及自定义的活动范围。
１．３网格划分
在ＵＧ中，提供了零维的点单元，一维的线单元，二维的面单元及三维体单元，其中三维体单元又包括８节点的ＳＯＬＩＤ４５六面体单元和ｌＯ节点ＳＯＬＩＤ９２四面体单元。
网格划分时，可以先利用ＵＧ的自动判断功能，得到系统建议的网格尺寸，并以此尺寸进行网格划分。如果网格太疏或太密时，再改变网格尺寸。在划分结构复杂的实体模型时，系统建议的网格尺寸也不一定可行，需要对网格尺寸进行微调。此时如果要加密或减少网格，建议以划分成功的网格尺寸的半数或倍数为新的网格尺寸。划分完毕后，系统会自动对网格进行检测，指出超出９０％和１００％阈值的单元。有时这些单元的存在会导致网格在ＡＮＳＹＳ中不被接受，需要重新进行网格划分。重新分网时，一方面可以调整网格尺寸，另一方面也可以对模型中线条尺寸对比悬殊部位及雅可比阈值较大部位的线／面先分网，然后再整体进行网格划分，或者对这些区域进行网格加密。网格划分完毕后，要给网格分配其对应的材料参数――这一点不同于ＡＮＳＹＳ，在ＡＮＳＹＳ中划分网格之前先将材料参数分配给对应的实体模型。
２解算器执行文件
预处理工作完成后，就可执行分析菜单中的解算命令。此时，如果ＵＧ和ＡＮＳＹＳ成功链接，则直接进入解算过程；如果二者没有成功链接，则会跳出“找不到解算器可执行文件”的信息。这时，只要在工作目录下找到解算器执行文件――．ｉｎｐ文件，将其导人ＡＮＳＹＳ，解算工作就会开始。
将解算器执行文件导人ＡＮＳＹＳ进行求解的好处在于：可以对解算器执行文件进行检查，并做必要的修改。解算器执行文件依次包括起始命令、节点描述、材料属性、网格及其类型、约束点及类型，载荷点及类型和求解命令。节点描述包括节点的编号和三维坐标。要注意的是同一个问题每次生成的解算器执行文件的节点编号并不相同，因为起始点的选取是随机的，所以文件中凡是涉及到节点的地方，编号都有可能不同。
对于材料常数，要仔细检查它们的单位是否和初始输入时一致，是否同属一个封闭的单位制，以免在ＡＮＳＹＳ中出错。同时也可以根据需要进行修改，在后面的例子中可以看到加入应力一应变曲线的程序段。３
３．１ＡＮＳＹＳ解算及后处理ＵＧ文件的导入
通常，将ＵＧ文件导人到ＡＮＳＹＳ中，包括下述２种不同的类型：
１）实体模型的导入。在ＵＧ中生成研究对象的实体模型后，利用ＡＮＳＹＳ的导人功能直接将实体模型导人ＡＮＳＹＳ。这是目前有限元分析中最常用的方式，它充分利用了ＵＧ强大的实体建模功能，但没能利用ＵＧ灵活的有限元建模功能，不能克服大型复杂构件在ＡＮＳＹＳ中分网困难的缺点。
２）有限元模型的导人。在ＵＧ中生成研究对象的实体模型，并进行网格划分，然后将其导人ＡＮＳＹＳ。此方法充分利用了ＵＧ强大的建模功能，但这种方法导人ＡＮＳＹＳ的文件存在一个缺点，就是导人的模型只有
第５期李春旺等：基于ＵＧ预处理的ＡＮＳＹＳ有限元分析方法８７网格和节点，而没有实体模型的关键点、线、面和体，使得材料属性分配、边界条件设置、载荷加载等前期处理工作无法开展。
为克服上述２种方法的缺陷，充分发挥ＵＧ功能完备的建模优势及ＡＮＳＹＳ强大的解算器功能．本文采用一种新方法――解算器执行文件的导人。其特点在于：完全在ＵＧ中进行预处理，然后利用ＡＮＳＹＳ软件ｆｉｌｅ菜单中的“ｒｅａｄｉｎｐｕｔｆｒｏｍ”命令，将在ＵＧ中生成的解算文件（．ｉｎｐ文件）直接读入ＡＮＳＹＳ，利用ＡＮＳＹＳ的解算器进行求解。
３．２求解及后处理
将解算器文件读入后，ＡＮＳＹＳ即开始求解。此时，如果要对ＡＮＳＹＳ进行设置，也可终止求解，设置完毕后再次启动求解命令。例如在进行弹塑性分析时，可能就会对ＡＮＳＹＳ的非线性等求解控制选项进行设置。求解完毕之后，根据需要，可在ＡＮＳＹＳ的后处理模块中提取各种数据结果，并进行分析处理。
４．１问题描述
某型航空发动机压气机中介机匣的应力场分析。中介机匣的结构见图ｌ，材料为低碳１２％铬钢，２０℃时材料的弹性模量Ｅ＝２１６．５３ＧＰａ，泊松比移＝Ｏ．３，应力一应变关系见表ｌ，所受的外加载荷见表２…１。
表１材料的应力一应变关系
Ｔａｂ．１Ｓｔｒｅｓｓ―ｓｔｒａｉｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ
表２中介机匣外加载荷
Ｔａｂ．２ＬｏａｄｓｏｎｔｌｌｅｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｃａｓｅＮ
４．２ＵＧ预处理
根据中介机匣的设计图纸，在ＵＧ中建立中介机匣的实体模型，见图ｌ。注意到实体模型的长度单位为ｍｍ，输入ｇ?ｍｍ?ｓ单位制下的材料参数。根据实际安装，对中介机匣主安装节、后安装边和吊耳中间分别在ｘ、ｌ，、ｚ进行固支［１１】。并将表２各载荷量值乘以１０６后加载于相应的表面――将力的单位牛顿转换为ｇ?ｉｎｍ?ｓ单位制下的量值。最后以系统建议尺寸８．８９ｍｉｌｌ，用ｌＯ节点ＳＯＬＩＤ９２单元划分网格，见图２。
Ｆｉｇ．１中介机匣的实体模型Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ０ｆ
ｃａ８ｅ图２中介机匣的有限元模型Ｆｉｇ．２ＴｈｅＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｃ蛳
４．３解算文件的检查修改
预处理工作完成后，即可执行分析菜单中的解算命令，生成解算文件。然后回到工作文件夹，用记事本打开解算文件，进行检查，并加入下面的程序段，确保各个参数均设置为ｇ?ｒｎｎｌ?ｓ单位制下的量值，并实现
应力一应变曲线的输人。
８８空军工程大学学报（自然科学版）２００９每ＭｍＭＰ．１．ＯＭ胛ＥＭＰ，，，，，，，，
ＭＰＤＡＴＡ，ＥＸ，ｌ，，２．１６４５Ｅ１ｌ
ＭＰＤＡＴＡ，ＰＲＸＹ，１，，Ｏ．３
Ｍ珂ＥＭＰ，ｌ，２０
ＭＰＤＡＴＡ，ＤＥＮＳ，ｌ，，７．７６０Ｅ一３
Ｔ８，ＭＩＳ０，Ｉ，ｌ，９，
’ｒＢＴＥＭＰ．２０
ＴＢｆｌｒ，，０．００１８４８，４０００Ｃ１００００
ＴＢＰＴ，。０．００３５１８．７０００Ｇ１００００
ＴＢＰＴ，。Ｏ．００４７８５．８００００００００
ＴＢｆｌｒ。。０．００７７１１，９００００００００
ＴＢＰＴ，。０．０３１７０８，ｌ１∞Ｏ０００００
ＴＢＰＴ。．０．１４８３６５，ｌ３０Ｃ１００００００
ＴＢ盯，．０．６０５４１５．１５００００００００
４．４ＡＮＳＹＳ解算及后处理
完成对解算文件的检查修改后，通过ＡＮＳＹＳ软件
ｆｒｏｍ”命令将其读入ＡＮＳＹＳｆｉｌｅ菜单中的“ｒｅａｄｉｎｐｕｔ
进行求解。求解完成后，提取的应力分布云图见图３。
文章提出的基于ＵＧ预处理的ＡＮＳＹＳ有限元分
析方法，将计算机辅助设计软件ＵＧ与有限元分析软
件ＡＮＳＹＳ结合起来，在ＵＧ中完成实体模型的创建、Ｆｉｇ．３Ｔｈｅ图３中介机匣应力分布ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｅａｓｅ
有限元模型的生成、材料属性的设置以及边界条件和载荷的加载等预处理工作，并生成解算文件，将解算文件导入ＡＮＳＹＳ中进行求解。充分发挥了ＵＧ在建模中的优势及ＡＮＳＹＳ强大的解算功能，使分析的可行性与精确性达到了最大的统一，为大型复杂结构的有限元分析开辟了新途径。
实际算例表明：当研究对象为诸如中介机匣等结构复杂、细节繁琐的大型复杂构件时，利用本文提出的方法，可以顺利地完成各项预处理及有限元分析工作。同时，从建模到结果提取的整个过程中，可以利用解算文件的可修改性和ＡＮＳＹＳ软件的开放性，随时对问题的求解过程进行修正。
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（编辑：徐楠楠）
ＴｈｅＡＮＳＹＳＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＵＧＰｒｅｐｒｏｅｅｓｓ
ＬＩＣｈｕｎ―ｗａｎｇ，ＸＩＥＷｕ―ｊｉｅ，ＹＡＮＧＺｕｎ―ｐａｏ，ＦＵＺｈｅｎ―ｔａｎｇ，ＳＵＮＱｉａｎｇ
（Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｈｌｏｒｄｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＡｊｒＦｏｒｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ７ａｎ７１００５１，Ｃｈｉｎａ）ａｎｄｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆＡＮＳＹＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｏｎｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ
ａｒｅｌａｒｇｅ―ｔｏ－ｓｃａｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎ（ＣＡＤ）ｓｏｆｔｗａｒｅＵＧａｎｄｔｈｅＦＥＡｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳｃｏｍｂｉｎｅｄ
ａｒｅｇｅｔｈｅｒ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ，ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｌｏａｄａｎｄｒｅｓｔｒｉｃｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｐｌｉｓｈｅｄｉｎＵＧ
ｔｈａｔｔｈｅｕｓｅａｃｃｏｍ－ｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅｎｔｈｅｓｏｌｖｉｎｇｆｉｌｅｉｓｃｒｅａｔｅｄａｎｄｐｕｔｉｎｔｏＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｏｐｅｒａｔｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｒｉｎｇｓｉｎｔｏｆｕｌｌｐｌａｙｔｈｅｍｅｒｉｔｓｏｆＵＧｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇｍｏｄｅｌｓａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｆｕｌｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｏｆＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅｉｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｍａｋｅｓｆｕｌｌｕ∞ｏｆｔｈｅｍｏｄｉｆｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｏｌｖｉｎｇｆｉｌｅａｎｄｔｈｅｏｐｅｎｎｅｓｓｏｆｔｈｅＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆａｎａｌｙｓｉｓｗｉｔｈｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｏｔｈｅｕｔｍｏｓｔ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ
ｌａｒｇｅ―ｓｃａｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＥＡ；ＣＡＤ；ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓ；ＵＧ；ＡＮＳＹＳｍｅｔｈｏｄｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｏｐｅｎｓｕｐａｎｅｗｗａｙｔｏＦＥＡｆｏｒｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄａｎｄ
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