基于UG来生成ANSYS有限元模型

　　1、前言

　　ANSYS是一个以有限元分析为基础的大型的多物理场工程仿真分析软件， 有限元分析有三个主要的步骤:

　　第一步前处理，进行几何模型的建立、划分有限元网格等工作;

　　第二步求解，在前处理中建立的数学模型上施加边界条件并进行分析计算;

　　第三步后处理，对求解得到的结果进行显示、观察、进一步的运算等。

　　对于一个CAE软件来说，用户最为关心的应该是:用这个软件到底能解决我在产品设计过程中遇到的哪些问题?各类问题的解决精度如何等等。ANSYS是一个通用有限元分析求解器。然而，ANSYS软件的前处理即实体建模、网格划分、特别载荷的添加等能力较弱，致使一些结构较为复杂零件的模型建立及有限元划分相当困难甚至无法划分，有些特定载荷不易施加，如:轴承力。

　　UG软件具有三维实体建模、装配建模，生成直观可视的数字虚拟产品，并对其进行运动分析、干涉检查、仿真运动及载荷分析。其功能特点如下:

　　● 用造型来设计零部件，实现了设计思想的直观描述;

　　● 充分的设计柔性，使概念设计成为可能;

　　● 提供了辅助设计与辅助分析的完整解决方案;

　　● 图形和数据的绝对一致及工程数据的自动更新。

　　UG为三维实体建模软件，同时具有自身的CAE功能，并且网格划分、载荷与边界条件的加载功能强大、方便。那么如何将UG与ANSYS的优点结合起来，则是本文的目的。

　　2、UG的有限元处理与导出

　　2.1 UG NX 2的分析功能

　　UG软件除具有强大的三维实体建模与装配建模外，还具有较强的运动分析、干涉检查、仿真运动及载荷分析功能，现就结构分析进行阐述。在UG 2.0软件中有一个有限元分析模块UG-Structures，在UG-Structures中，通过UG创建的三维实体模型可以很容易地创建各类有限元模型，如:4节点和10节点四面体、8节点和20节点六面体三维实体单元，3节点和6节点三角形、4节点和8节点四边形二维平面单元，以及梁、杆及弹簧等一维单元，无论结构如何复杂在UG中均可轻易进行有限元划分。但在ANSYS软件中，如果结构比较复杂，进行有限元的直接划分是很困难的，有时甚至是办不到的，而在UG-Structures中则是非常容量的。另外，在载荷加载过程中，UG-Structures有着独特的方法，如轴承载荷等可直接通过这种载荷的选项进行加载，在ANSYS中没有这种载荷的直接加载方法，要进行较为复杂的转换才能将这种载荷添加到相应的位置上。

　　2.2 UG NX 2的有限元处理

　　在UG-Structures中进行有限元划分、施加材料参数、载荷和边界条件后，即可输出为ANSYS的输入格式文件*.INP。到目前为止，运行通过的UG有UG-NX2、UG-NX3两个版本，下面就各UG版本的具体使用方法分别阐述如下:

　　2.2.1 UG NX 2的使用方法

　　2.2.1.1 选择解算器

　　在Scenario Navigator中选择FE Model，如下左图，继而选择解算器Solver，如下中图，解算形式Solver有四种，Structures P.E.、NASTRAN、ANSYS及ABAQUS，设定解算形式Solver为ANSYS。

　　2.2.1.2 在UG NX 2中形成文件格式的设定

　　进行有限元划分、施加材料参数、载荷和边界条件后，选择解算Solver，弹出Solve对话框，如上右图，其中的Submit项有Format/Solve、Format Only、Edit/Solve选项，我们指定Submit项为Format Only，然后OK，在同一目录下形成同名的带有扩展名为INP的文本文件，该文本文件就是ANSYS的导入文件。

　　2.2.2.1 选择解算形式、分析类型、解算类型及运算法则

　　在进入结构分析程序Structural时，出现Create Solution提示对话框。

　　解算形式Solver有五种，NX NASTRAN、MSC NASTRAN、ABAQUS、Structures P.E和ANSYS。设定解算形式Solver为ANSYS，如下左图。

　　分析类型Analysis Type有四种，Structural、Thermal、Axisymmetric Structural、Axisymmetric Thereal。根据需要设定分析类型为结构分析Structural，如下右图。

　　解算类型Solution Type有四种，Linear Statics、Modal、Buckling、Nonlinear Statics，根据需要设定解算类型为线性静力学Linear Statics，如下左图。

　　点击展开按扭，如上右图中的绿色下三角按扭，打开详细对话框如下左图。

　　运算法则Algorithm有四种，Frontal、PCG、JCG、Sparse，根据需要设定运算法则Algorithm为JCG。

　　2.2.2.2在UG中形成文件格式的设定

　　进行有限元划分、施加材料参数、载荷和边界条件后，选择解算Solve，弹出如上右图对话框，其中的Submit项有Solve、Export Solver Input File、Solve Existing Input File及Edit Existing Input File&Solve选项，我们指定Submit项为Export Solver Input File，然后OK，在同一目录下形成同名的带有扩展名为INP的文本文件，该文本文件就是ANSYS的导入文件。

　　2.3格式化完成后，将产生如下一个*.inp文件

　　/BATCH，LIST

　　/COM， UG-Scenario prep7 Deck for Ansys

　　/FILNAM，scenario_1

　　/TITLE， ， LINEAR STATICS ANALYSIS

　　/ASSIGN，OSAV，scenario_1，osav，C:DOCUME~1liuhLOCALS~1Temp

　　/ASSIGN，MODE，scenario_1，mode，C:DOCUME~1liuhLOCALS~1Temp

　　/ASSIGN，TRI，scenario_1，tri，C:DOCUME~1liuhLOCALS~1Temp

　　/ASSIGN，FULL，scenario_1，full，C:DOCUME~1liuhLOCALS~1Temp

　　/ASSIGN，EMAT，scenario_1，emat，C:DOCUME~1liuhLOCALS~1Temp

　　/ASSIGN，ESAV，scenario_1，esav，C:DOCUME~1liuhLOCALS~1Temp

　　/PREP7

　　ANTYPE，STATIC

　　NBLOCK，6，SOLID

　　(3i8，6e16.9)

　　8510 0 01.017022320E+0017.616875147E+0004.551444234E+000

　　8482 0 05.340000475E+0017.576400369E+0002.639396464E+001

　　8473 0 01.547619048E+0011.000000000E+0011.704931973E+001

　　8302 0 09.497898390E+0011.500000000E+0013.000000000E+001

　　8337 0 05.714285714E+0012.000000000E+0011.500000000E+001

　　FINISH

　　3、ANSYS有限元导入

　　将UG-Structures生成的*.INP文件导入ANSYS，形成ANSYS的节点、单元及相应的载荷，然后即可用ANSYS进行问题的解算。具体步骤为，在ANSYS的File菜单项中选择Read Input From ......，在弹出的Read File文件选择对话框中选择相应的输入文件*.INP，即UG-Structures的有限元导出文件，完成有限元及边界条件的导入。需要指出的是UG导出的有限元文件只包含有限元数据，而不包含几何模型数据，所以ANSYS导入的也只有有限元数据，而不包含几何模型数据。

　　4、UG与ANSYS的单位制

　　UG与ANSYS各有自己的特殊单位制，在UG中输入单位制为mm(毫米)、Kg(千克)、MPa(兆帕)、N(牛顿)， 导入到ANSYS后，单位制变成mm(毫米)、Kg(千克)、KPa(千帕)、mn(毫牛)。我们在ANSYS中通常使用的单位制为mm(毫米)、T(吨)、MPa(兆帕)、N(牛顿)。

　　所以要注意:利用ANSYS自身的单位制，得到的应力单位为MPa(兆帕)，而从UG导入到ANSYS后，如不对单位制进行改动的话，得到的应力单位为KPa(千帕)。

　　为适应我们的单位制习惯，牵扯到的外载荷力、扭矩、弯矩等的单位需要做相应的换算，即在UG中各参数按下列比例输入:力N(牛)*1000、扭矩和弯矩N-mm(牛顿-毫米)*1000，材料参数待模型导入到ANSYS中后，在ANSYS中输入，密度单位制T/mm3(吨/立方毫米)、弹性模量MPa(兆帕)，此时得出的应力单位为MPa(兆帕)

　　5、结论

　　通过实际操作我们发现，在UG-Structures中进行有限元划分时，可以保留模型的细节，避免在ANSYS中进行有限元划分时不得不忽略掉有用的细节，从而解决了复杂模型在ANSYS中无法进行有限元划分的问题，确保了计算的精确度。另外，解决了在ANSYS中无法直接施加轴承载荷的问题。

　　将UG强大的有限元前处理功能与ANSYS精确的解算器完美的结合，确保了有限元分析的精确度，解决了多年来令分析人员头痛的解决不了的许多难题。