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建立南方水泵叶轮有限元模型
时间: 09:07 | 来源: | 作者:南方水泵厂
一、导入几何模型
由于离心泵叶轮扭曲叶片空间形状复杂，ANSYS自带的前处理模块不方便建立准确的实体模型，所以在Pro/E软件中建立叶轮模型，直接导入ANSYS传统界面或者Workbench中进行分析。
自ANSYS12.0以后，ANSYS公司针对Pro/E、UG等主流的三维设计软件开发了无缝接口，使得模型由这些软件导入分析的效率更高而不必考虑导入前格式转换为IGS或者Parasolid所带来的几何信息丢失问题。对于复杂零件由于接口问题产生的模型的部分数据G失，形成一大堆破面破线，在造型能力较差的ANSYS中进行破面修补一直是一个很让人头疼的问题。虽然Pro/E与ANSYS有着无缝接口，但是从目前的使用经验来看，对于结构复杂的零件仍然会有导入失败的可能。
起初导入叶轮几何模型失败，在ANSYS中固然出现叶轮图形，但是无法显示体。可见该图形是一堆面组，不能进行网格划分。经过南方水泵厂分析，认为原因是：由于扭曲叶片在造型过程中用的方法涉及到复杂拟合，包括导入点云拟合成曲线，再将曲线拟扫描混合成曲面。这些拟合过程可能包含一些Pro/E和ANSYS所不能接受的非法操作；或者Pro/E与ANSYS的数据接口有待于进一步完善。
由于在ANSYS中对复杂形体进行破面修补是很困难的，因此考虑在Pro/E中对原始模型进行特征检查，必要时简化一些诸如倒角，小尺寸等的细微操作。在不影响叶片空间形状的前提下，通过一系列检查与对混合的操作属性进行控制和尺寸的细小改动，叶轮实体模型被成功导入。在ANSYS中确认模型没有失真后，进行有限元分析。
二、有限元网格划分
进行网格划分时，在workbench环境下用专业前处理器ICEMCro较传统界面有着很大的优势：ICEMCFD忽略细节特征设置，自动跨越几何缺陷及多余的细小特征；对CAD模型的完整性要求很低；方便的网格雕塑技术实现复杂的几何体纯六面体网格划分；快速自动生成六面体为主的网格；自动检查网格质量，自动进行整体平滑处理，坏单元自动重划，可视化修改网格质量。
在ICEMCro中采用智能网格划分方式对叶片进行网格划分。在网格控制（meshcontrol)下定义尺寸（sizing)和方法(method)两个控制选项即可完成对网格的自动划分。由于六面体的求解效率较高，所以在method中设置六面体主导结构化网格(HexDominant)，然后选择全部六面体结构(AllQuad)。但是往往不能得到所有单元都是纯粹的整齐的六面体。这是由于ICEMCro的智能划分并非理想化，而对于结构本身存在较小的尖角等不规则区域无法恰当处理，从而干扰了整体的网格布局。
这时候总结需要做如下处理：1)在自由面网格划分类型(FreeFaceMeshType)中将划分的结构选择为以六面体为主四面体为辅(Quad/Tri)的混合网格划分；2)在sizing中设置网格尺寸，一般定义的网格尺寸越小，ICEMCro就能分辨出越多的不规则区域，这样划分出来的网格也就越整齐。但是划分网格的时间就越长，产生的节点和单元数量就会增多，不利于加载后的计算。所以需要在sizing和method中试探性的定义网格尺寸好几次，选择一个网格结构良好而又密度不太高的尺寸。点击Mesh，选择GenerateMesh经过计算后可产生有限元网格模型。图1是分别采用四面体和六面体单元对叶片进行的网格划分。
图1：叶片的有限元模型
由于南方水泵叶轮结构复杂，对整体进行网格划分不太合适。本文将叶轮的叶片、前盖板和后盖板设置为部件（Part)，分别对每部分进行网格划分。由于叶片是受力的主要部位，所以对它进行了网格细化。划分后的网格模型如图2。
图2：叶轮的有限元模型
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1、 ANSYS15 Workbench界面相关分析系统和组件说明
【Analysis Systems】分析系统 【Component Systems】组件系统
【CustomSystems】自定义系统 【Design Exploration】设计优化
分析类型 说明
Electric (ANSYS) ANSYS电场分析
Explicit Dynamics (ANSYS) ANSYS显式动力学分析
Fluid Flow (CFX) CFX流体分析
Fluid Flow (Fluent) FLUENT流体分析
Hamonic Response (ANSYS) ANSYS谐响应分析
Linear Buckling (ANSYS) ANSYS线性屈曲
Magnetostatic (ANSYS) ANSYS静磁场分析
Modal (ANSYS) ANSYS模态分析
Random Vibration (ANSYS) ANSYS随机振动分析
Response Spectrum (ANSYS) ANSYS响应谱分析
Shape Optimization (ANSYS) ANSYS形状优化分析
Static Structural (ANSYS) ANSYS结构静力分析
Steady-State Thermal (ANSYS) ANSYS稳态热分析
Thermal-Electric (ANSYS) ANSYS热电耦合分析
Transient Structural(ANSYS) ANSYS结构瞬态分析
Transient Structural(MBD) MBD 多体结构动力分析
Transient Thermal(ANSYS) ANSYS瞬态热分析
组件类型 说明
AUTODYN AUTODYN非线性显式动力分析
BladeGen 涡轮机械叶片设计工具
CFX CFX高端流体分析工具
Engineering Data 工程数据工具
Explicit Dynamic（LS-DYNA） LS-DYNA 显式动力分析
Finite Element Modeler FEM有限元模型工具
FLUNET FLUNET 流体分析
Geometry 几何建模工具
Mechanical APDL 机械APDL命令
Mechanical Model 机械分析模型
Mesh 网格划分工具
Results 结果后处理工具
TurboGrid 涡轮叶栅通道网格生成工具
Vista TF 叶片二维性能评估工具
【File】文件操作 【View】窗口显示 【Tools】提供工具
【Units】单位制 【Help】帮助信息
3、基本工具条
【New】新建文件 【Open】打开文件 【Save】保存文件
【Save As】另存为文件 【Import】导入模型 【Compact Mode】紧凑视图模式
【Shade Exterior and Edges】轮廓线显示 【Wireframe】线框显示
【Ruler】显示标尺
【Legend】显示图例 【Triad】显示坐标图示 【Expand All】展开结构树
【Collapse Environments】折叠结构树
【Collapse Models】折叠结构树中的Models项
【Named Selections】命名工具条 【Unit Conversion】单位转换工具
【Messages：Messages】信息窗口 【Simulation Wizard】向导
【Graphics Annotations】注释
【Section Planes】截面信息窗口 【Reset Layout】重新安排界面
【Geometry】几何模型 【New Geometry】新建几何模型
【Details View】详细信息窗口
【Graphics】图形窗口：显示当前模型状态
【Extrude】拉伸 【Revolve】旋转 【Sweep】扫掠
【Skin/Loft】蒙皮 【Thin/Surface】抽壳: 【Thin】创建薄壁实体 【Surface】创建简化壳
【Face to Remove】删除面：所选面将从体中删除。
【Face to Keep】保留面： 保留所选面, 删除没有选择的面。
【Boldies only】仅对体操作： 只对所选体上操作不删除任何面。
【Blend】圆角 【Fixed Radius】固定半径圆角
【Variable Radius】可变半径圆角 【Vertex Radius】顶点倒圆
【Single Select】单选 【Box Select】框选
【Sketching】2D草图 【Modeling】3D建模
【Draw】画图 【Modify】修改
【Dimensions】尺寸定义 【Constraints】约束
【Settings】设置 【sketch】创建草图
构建平面命令：
From Plane：基于另一个已有面创建平面
From Face：利用已有几何体表面创建平面
From Point and Edge：用一点和一条直线的边界定义平面
From Point and Normal：用一点和一条边界方向的法线定义平面
From Three Point：用三点定义平面
From Coordinates：通过键入距离原点的坐标和法线定义平面
定义点位：
【Single】单点： Sigma and Offset
【Sequence By Delta】根据间隔控制序列点： Sigma, Offset, Delta
【Sequence By N】根据数量控制序列点： Sigma, Offset, N, Omega
【From Coordinates File】坐标点：文本格式文件，类似于3D曲线。
【Sigma】参数：导引边起始端和起始点之间的距离。
【Edge Offset】边偏移：导引边和基准面上点阵放置处之间的距离。&
【Delta】参数：对于按间隔控制序列点【Sequence By
Delta】选项，这项指的是引导上测得的两个连续点之间的距离。
N：放置的点数，与导引边相关，在根据数量控制序列点【Sequence By N
】选项情况下使用。
【Omega】参数：对根据数量控制序列点【Sequence By N】选项，这项是导引边末端和末点之间的距离。
【Pattern】阵列特征 【Plane】平面 【Angle】旋转角 【Thickness】设置厚度。
【Split】命令用于分割边线：
【Split Edge at
Selection】：缺省选项，表示在选定位置将一条边线分割成两段，但指定边线不能是整个圆或椭圆，要对整个圆或椭圆做分割操作,
必须指定起点和终点的位置。
【Split Edges at Point】：用点分割边线: 选定一个点后,所有过此点的边线都将被分割成两段。
【Split Edge at all Points】：用边上的所有点分割: 选择一条边线,它被所有通过的点分割。
【Split Edge into n Equal Segments】：将线n 等分: 先在编辑框中设定n
值,然后选择待分割的线，n 最大为100。
【Drag】拖曳 【Cut】剪切 【Copy】拷贝 【Paste】粘帖
粘贴命令：
【End / Set Paste Handle】：指定粘贴点位置
【End / Use Plane Origin as Handle】：指定粘贴点在平面原点
【End / Use Default Paste Handle】：将第一条线的起始点作为粘贴点
【Rotate by /- r Degrees】： 正向旋转 或反向旋转- r度
【Flip Horizontally / Vertically】：水平或垂直翻转
【Scale by Factor f or 1/f】：放大f 倍或缩小1/f
【Paste at Plane Origin】：在平面原点粘贴
【End】：结束 【Replicate】复制 【Move】移动 【Offset】偏移
【Surface Body】面体 【Line Body】线体
创建线体：
【Line From Points】点生成线体
【Line From Sketches】草图生成线体：基于草图创建线体。
【Line From Edges】边生成线体：基于已有的2D和3D模型边界创建线体。
【Split Edges】分割线体：分割线体边成段，用比例特性控制分割位置，如0.5等效于在一半处分割。
【Cross Section】横截面：横截面作为一种属性赋给线体，这样就可以在有限元数值模拟中定义梁的属性。
【Instance】草图援引：草图援引用来复制源草图并将其加入到目标面中，复制的草图和源草图始终保持一致,也就是说复制对象随着源对象的更新而更新。
【Freeze】冻结：用冻结特征【Freeze】可以将所有的激活体转到冻结状态
【Unfreeze】解冻：选取体对象后用解冻特征【Unfreeze】可以激活单个体，冻结体在导航树中呈现较淡的颜色。
【Slice】切片：体冻结可以将零件切片分割成不同部分，为数值模拟分析中装配建模提供不同选择的方式。
【Suppress Body】体抑制：抑制体不显示在窗口中，抑制体既不能用于数值模拟也不能导出。
【Form New Part】生成新零件 【Generate】生成特征体
【Add Material】添加材料: 创建材料并合并到激活体中。
【Cut Material】切除材料: 从激活体上切除材料。
【Slice Material】切片材料: 将冻结体切片，仅当体全部被冻结时才可用
【Imprint Faces】给表面添加印记: 和切片相似,
但仅仅分割体上的面，如果需要也可以在边线上增加印记(不创建新体)。
【Add Frozen】加入冻结: 和加入材料相似, 但新增特征体不被合并到已有的模型中，而是作为冻结体加入，
线体不能进行切除, 印记和切片操作。
特征延伸类型：
【Fixed】固定：固定界限将使草图轮廓按指定的距离进行拉伸，特征预览精确地显示出创建特征后的情形。
【Through All】穿过所有：将剖面延伸到整个模型，在添加材料操作中延伸轮廓必须完全和模型相交。
Next】到下一个：在添加材料操作将延伸轮廓到所遇到的第一个面，在剪切、印记和切片操作中，将轮廓延伸至所遇到的第一个面或体。
Faces】到面：可以延伸拉伸特征到有一个或多个面形成的边界，对多个轮廓而言要确保每一个轮廓至少有一个面和延伸线相交否则导致延伸错误，“到面”选项不同于“到下一个”选项，到“下一个”并不意味着“到下一个面”,
而是“到下一个块的体(实体或薄片)”，“到面”选项可以用于到冻结体的面。
【To Surface】到表面：和到面选项类似,
但只能选择一个面，延伸长度可以由到所选表面的下一个并且有可能是无约束的面所定义。
创建面体：
【Surface From Edges】用边生成表面体
【Surface From Sketches】草图生成面体
【Edge Joints】边接合显示
【Named Selection】命名选择 【Joint】接合 【Enclosure】包围 【Fill】填充
【Mid-Surface】抽取中面 【Face Extend】表面延伸
【New Material】定义新材料 【Import】导入
【Meter】米 【Centimeter】厘米 【Millimeter】毫米 【Micrometer】微米【Inch】英寸
【Foot】英尺
6、【Meshing】网格划分
【Tet Meshing】四面体网格 【Hex Meshing】六面体网格
【Quad Meshing】四边形网格 【Triangle Meshing】三角形网格
【Mesh Control】网格控制 【Automatic】：程序自动划分网格
【Tetrahedrons】：采用四面体单元划分。
【Hex Dominant】：主要采用六面体单元划分，但是包含少量金字塔单元和四面体单元 。
【Sweep】：扫掠划分，可以扫掠的实体划分后具有的是六面体单元，也可能包含楔形单元，其他实体采用四面体单元划分，扫掠划分要求实体在某一方向上具有相同的拓扑结构，在【Mesh】
分支上点击右键选择【Show Sweepable Bodies】可以看到能够采用扫掠划分的体，此时该体被选中。
【Multizone】：多重区域网格划分自动对几何体进行分解成映射区域和自由区域，可以自动判断区域并生成纯六面体网格，对不满足条件的区域采用更好的非结构网格划分，多重区域网格划分和扫掠网格划分相似，但更适合于用扫掠方法不能分解的几何体。
【CFX-Mesh】：采用流体网格CFX划分实体。
【Sizing】网格局部尺寸控制：
【Element Size】 设置单元平均边长
【Number of Divisions】 设定边上的单元数目
【Sphere of Influence】
用球体设定控制单元平均大小的范围，球体的中心坐标采用的是局部坐标系，所有包含在球域内的实体单元网格尺寸按给定尺寸划分。
【Contact Sizing】接触区域网格控制：允许在接触面上产生大小一致的单元。
【Refinement】单元细化：可以对已经划分的网格进行单元细化，一般而言，网格划分先进行整体和局部网格控制，然后对被选的边、面进行网格细化。
推荐使用“1“级别细化。这使单元边界划分为初始单元边界的一半，这是在生成粗网格后，网格细化得到更密网格的简易方法。
【Mapped Face meshing】映射面网格划分：允许在面上生成结构网格。
【Match Control】面匹配网格划分：用于在对称面上划分一致的网格，尤其适用于旋转机械的旋转对称分析。
【Virtual Topology】虚拟拓扑：允许为了更好的进行网格划分而合并面。
【Virtual Cell】虚拟单元就是把多个相邻的面定义为一个面。
【Coordinate Systems】坐标系
【Shared Topology】共享拓扑：
【Automatic】自动方法在交界面合并节点，即节点匹配而不产生接触。
【Imprints】印记面方法限定交界面的接触区域，因此提供更好的接触行为的控制。
【None】不设定方法则产生接触行为。
【Patch Independent】片体独立算法
【Match Mesh Where Possible】可以设置交界面处节点是否匹配
Sweep】薄层扫掠：对薄层实体允许沿厚度方向分层进行扫掠，对多体零件，沿厚度方向仅划分一层单元，对装配体沿厚度方向则可以划分多层单元。
【Automatic Thin】自动薄层扫掠 【Manual Thin】手动薄层扫掠
【Magnitude】大小 【Direction】方向
【Step Controls】步长控制 【Step End Time】定义载荷步的结束时间
【Time Step】控制时间步长 【Number of Steps】生成多载荷步
【Solver Controls】求解器控制 ：
【Direct】直接法：在包含薄面和细长体的模型中是有用的，是个很有力的求解器并且可以处理任何情况。
【Iterative】迭代法：在处理体积大的模型是十分有效的。
【Nonlinear Controls】非线性控制 【Output Controls】输出控制
【Analysis Data Management】分析数据管理： 【Foot】英尺
【Temperature】温度 【Convection】对流 【Radiation】辐射
【Heat Flow】热流率 【Perfectly Insulated】完全绝热
【Heat Flux】热流密度 【Internal Heat Generation】内部热生成
【CFD Imported Temperature】CFD导入温度
【CFD Imported Convection】CFD 导入对流
【Average Film Temperature】平均膜温度：T=(Ts Tf)/2
【Surface Temperature】表面温度：T= Ts
【Bulk Temperature】环境温度：T= Tf
【Difference of Surface and Bulk Temperature】表面与环境温度差：T=Ts-Tf
【Transient Thermal】瞬态热分析
【Value】典型值 【Tolerance】收敛容差
【Line Search】线性搜索 【Tabular Data】表数据
【Total Heat Flux】热通量云图 【Directional Heat Flux】热通量的分量
【Solution Information】求解信息 【Maximum Principal】第一主应力
【Minimum Principal】第三主应力 【Total Deformed】总体变形
【Auto Time
Stepping】自动时间步在瞬态分析中也称为时间步优化，它使程序自动确定子步间的载荷增量。同时，它根据分析模型的响应情况，自动增、减时间步大小。在瞬态分析中，响应检测基于热特征值。对于大多数问题，都应该打开自动时间步长功能并设置积分时间步长的上下限。这种设置有助于控制时间步长的变化量。
Integration】时间积分：该选项决定了是否包括结构惯性力，热容之类的瞬态效应，在瞬态分析时，时间积分效应缺省是打开的，如果将其设为OFF，ANSYS将进行一个稳态分析。
Controls】输出控制：定义后处理所需要时间点的输出值，因为瞬态分析涉及到载荷历程中不同的时间点的计算结果，而并非所有结果都是我们感兴趣的，或者结果数据非常大，因此利用该选项可以严格控制得到在确定点的输出结果。
【Nonlinear Controls】非线性控制：可以修改收敛准则和求解控制，通常不需要改变默认设置。
【Analysis Data Management】分析数据管理:从瞬态热分析中保存特定的结果文件用于其它的分析类型。
【Probes】探测点：可以显示结果随载荷历程的变化。
【Chart】图表：可以表示一个结果对另一个结果的变化。
【Frictionless Support】无摩擦约束
【Directional Deformation】轴向变形
【Total Deformation】总变形
【Normal Stress】轴向应力
【Electric Voltage】电压
【Joule Heat】焦耳热
【Boundary Condition】边界条件
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