5.2.1 设置几何模型
1.几何模型基础
虽然没有对零件的数量作限制性规定，但必须注意大的装配将需要更多的求解资源。在零件与零件的接触部位，将会出现自动定义的接触边界，这可以使得载荷在不同的零件间传递。
零件是由一系列的实体构成的。零件中可以包括由多个实体构成，被称为“多体零件”的零件。对于多体零件而言，在实体的连接部位将共享节点。
零件可能包括：
➢一个或多个3D实体。
➢一个或多个面实体。
➢一个或多个线实体。
➢面实体与线实体的组合。
其余的组合方式，目前尚不支持。关于零件和装配等，下面这些内容将作一些详细的使用介绍。
（1）多体零件
当从DM中向Mechanical中引入多体零件后，显示的多体零件下将包含实体组（零件）和原型（实体）。当零件仅包含一个实体，实体组将会自动隐藏。
（2）零件
下面是一些可以在零件上进行的操作。
➢每个零件都可以分配不同的材料。
➢零件可以显示或隐藏。
➢零件可以被抑制来减少处理对象。
➢零件间的接触检测容差和接触类型可以被控制。
➢可以通过自定义的局部坐标系来设置零件参数。
（3）关联
关联是作用在从DM引入的几何模型上的，其可以在几何模型需要更新的时候，保存接触区域设置、边界条件设置、网格连接设置等保存相对不变。例如，关联在下列场合中非常重要：模型包括6个不同的零件，每个零件包含1个实体；模型上施加了载荷，在DM中重新将6个实体分组构成了2个多体零件；在几何模型更新后，边界条件的作用对象依然保持不变。
（4）实体
下面是一些对实体进行的操作。
➢实体可以构成零件，这时它们几何上相连可以共享节点。
➢每个实体都可以被指派不同的材料。
➢可以对实体进行显示或隐藏。
➢可以对实体进行抑制。
➢位于不同零件内容实体可以被声明为刚体。
➢可以为实体指派局部坐标系。
（5）假设和限制
➢热分析和形状分析不支持面实体和线实体。
➢进行节点共享的多个体必须有相互接触的面或边缘。
➢在一个多体零件中，不同体间将会进行自动接触检测。
2.3D实体
在Mechanical中可以求解3D实体模型，包括单独的零部件和装配，且在有充足的时间和资源的情况下，可以求解任何复杂度的实体模型分析。
3.面实体
通过很多操作可以引入面实体。例如，通过抽取3D模型的中间面可以得到面实体。该面实体可获得3D实体的厚度作为输入条件。
面实体可以构成零件。零件中可以保护多个面实体，除此之外还可以同时包含线实体。零件中包含的面实体可以通过点焊或接触进行连接。
下面是关于面实体的一些基本讨论。
(1)面实体装配
Mechanical提供了很多方法来完成面实体装配可连接性的检测：
➢确认面实体之间是不是在拓扑学上相连。
➢确认面实体的网格的连接性。
➢修复面实体之间缺失的连接。
(2)厚度模式
通过厚度模式和厚度值可以控制面实体的厚度，这两个项在面实体的细节窗口中显示。
（3）壳偏移
面实体具有法向，相应的具有顶面和底面。如图5-16所示，在网格显示的条件下，出现了顶面top和底面bottom，其位置由法向normal决定。
图5-16 面实体的法向、顶面与底面
在细节窗口的OffsetType中可以定义四种类型的壳体偏移：
➢Top——壳顶面与面实体对齐，如图5-17a所示。
➢Middle（Membrane）——壳中间面与面实体对齐（默认），如图5-17b所示。
➢Bottom——壳底面与面实体对齐，如图5-17c所示。
➢User Defined——用户定义由壳体中间面出发的沿着法向的某矢量距离所在的面与面实体对齐，如图5-17d所示。
图5-17 四种不同的偏移方式
图5-17 四种不同的偏移方式（续）
a）Top b）Middle c）Bottom d）User Defined
（4）截面
通过选择相应的面实体对象，在工具栏中单击Layered Section或右键选择快捷菜单的Insert>Layered Section均可以插入一个截面Layered Section对象。
在Layered Section对象的细节窗口中的Layers行中选择Worksheet打开工作表，然后在工作表中添加截面信息。需要的操作包括：
➢右键单击表格任何区域，选择Add Layer，向工作表中添加行。
➢单击Material列中相应的表格，并在下拉菜单中选择材料。
➢单击Thickness列中相应的表格，并在其中填写层的厚度。
➢单击Angle列中相应的表格，并在其中填写材料的方向。
➢如需更多层，右键单击表格任何区域，选择AddLayer。
4.线实体
使用线实体时必须注意，所有的线实体只有在与截面关联的情况下才能进行有限元分析。这样的关联一般在DM中进行。
5.模型装配
通过Mechanical Model系统、分析系统和External Model系统，可以创建多个已划分网格模型的装配体。例如：
➢装配Mechanical Model系统模型，如图5-18所示。
图5-18 装配Mechanical Model系统模型
➢装配Mechanical Model和分析系统模型，如图5-19所示。
图5-19 装配Mechanical Model和分析系统模型
➢装配Mechanical Model和External Model系统模型，如图5-20所示。
图5-20 装配Mechanical Model和External Model系统模型
6.模型装配转换
对于引入的模型，通常需要进行单位设置和位置转换等，转换的界面如图5-21所示。
图5-21 模型装配转换设置
7.刚体
在Mechanical中可以声明实体、实体群、面实体为刚体或柔体。刚体在求解的时候将不会发生变形。设置刚体的步骤为：
➢在树结构图中选择相应的实体。
➢在细节图的Stiffness Behavior选项选择Rigid。
8.2D分析(https://www.daowen.com)
使用合适的2D分析可以节省大量的求解时间。在Workbench中配置2D分析的过程包括：
➢在DM或其他CAD中，在XY平面上创建面实体。
➢在项目工程图相应的Geometry项的属性列表中设置Analysis Type为2D。
在树结构图的Geometry项的细节窗口可以设置模型的2D Behavior为：
➢Plane Stress平面应力：模型在Z向没有应力，但有应变。
➢Axisymmetric轴对称：模型代表的对象为该模型绕Y轴旋转360°后的模型，在施加载荷的时候，需要按360°模型来考虑。
➢Plane Strain平面应变：模型在Z向没有应变，但有应力。
➢Generalized Plane Strain：与平面应变的情况类似，但假设模型在Z向上的长度是有限的，并且不一定平行于Z向，其通常比Plane Strain更切合实际。
➢By Body按体选择：可以对不同的体赋予不同的2D行为。
9.对称
使用对称功能可以使求解的工作量少，因此在实际操作中有巨大的应用价值。例如，如图5-22所示，可以用右侧的1/4模型代替左侧的整体模型进行分析，该1/4模型可由对称操作从整体模型得到。
图5-22 整体模型vs.1/4模型
在Mechanical的树结构图中，Symmetry项支持下列3个对象：
➢Symmetry Region，支持结构分析。
➢Periodic Region，支持电磁分析。
➢Cyclic Region，支持结构分析和热分析。
在Symmetry Region中支持：
➢结构对称和反对称，其对于约束和载荷的影响如图5-23和图5-24所示。
图5-23 对平面内的节点施加对称与反对称边界约束条件
图5-24 对称或反对称载荷条件
➢结构线性周期对称，其对于约束和载荷的影响如图5-25所示。
➢电磁对称和反对称。
图5-25 结构线性周期对称
➢显式动力学对称。
周期对称对象仅在电磁分析中使用，其包括周期对称模型和反周期对称模型两类。图5-26中为电磁对称的典型应用，如果取1/2模型进行分析，应设置周期对称条件；如果取1/4模型进行分析，应设置反周期对称条件。
图5-26 周期对称示例
a）模型载荷 b）求解结果 c）1/2周期对称模型 d）1/4反周期对称模型
待分析的结构如果呈现出循环对称特点，例如，透平机械叶轮或直齿轮等，则可以仅通过反映结构特征的部分模型来分析整体结构。
循环对称中，反映结构特征并用于建模的部分叫做基本扇区。基本扇区在全局圆柱坐标系(CSYS=1)中旋转重复n次即能生成整个模型。例如，图5-27所示定义了循环对称结构的一个基本扇区。
图5-27 基本扇区
10.集合
在Mechanical中经常出现的Named Selections，代表的是一系列选取操作得到的实体、面、线、点、单元或节点的组合。
创建集合的方法包括：
➢在树结构图Model对象上右击，然后在弹出的快捷菜单中选择Insert>Named Selection；也可以在Named Selections或其中的项上单击右键进行操作；或直接在工具栏中单击Named Selection。
➢在树结构图中相应的对象上右击，然后在快捷菜单中选择Create Named Selection，如图5-28所示。
➢在图形窗口中选择对象后右击，然后在快捷菜单中选择Create Named Selection，如图5-29所示。
图5-28 树结构图中创建Named Selection
图5-29 图形窗口中创建Named Selection
除了创建外还可以从各种特殊的场合提取Named Selection，如图5-30所示。
图5-30 提取Named Selection
使用集合可以很快捷地进行对象选取操作，还可以为特殊对象建立特定的标识，这在实际操作中有极大的价值。
11.定义路径
路径是由用户定义的空间曲线，可以映射该曲线上的求解结果。路径由一系列的点构成，结果就是在这些点上求取的。
可以通过两种方式定义路径：
➢通过起点和终点。根据选取的坐标不一样，得到的路径形状也不同，在直角坐标系中为直线，在圆柱坐标系中为螺旋线。
➢通过边缘定义。
图5-31所示为定义的路径，并映射了结果的图形显示。注意到在图形下方的图表中有路径数据结果。
图5-31 路径结果
12.定义剖面
剖面的作用与路径类似，不同的是前者的表现形式为面。定义剖面的操作为：
➢选中Model，然后单击Construction Geometry。
➢选中Construction Geometry，然后单击Surface。
➢通过坐标系定义参考的剖切面。
13.远端点
远端点可以用未定义不直接作用在模型上的边界条件。通过选中Model然后单击Remote Point，在细节窗口中进行设置可定义远端点。可以通过设置Remote Point对象的细节窗口中的Graphics项为Show Connection Lines来查看远端点的连接线，如图5-32所示。
图5-32 远端点连接
14.点质量
点质量可以用来将体的惯性效应理想化。可以通过以下方式定义点质量：
➢选择Geometry对象或其下的子对象。
➢然后单击Point Mass或右击选择Insert>Point Mass（或者图形窗口中选择几何对象）来添加Point Mass对象。
➢在细节窗口设置Scoping Method为相应的选取方式。
➢在细节窗口设置Mass和其他选项。
15.热源点
在瞬态热分析中可以设置热源点来模拟理想热源。其定义方式类似点质量。
16.裂纹
裂纹由裂纹前缘（顶端）、裂纹面、裂纹法向和裂纹方向构成。在Mechanical里，裂纹由裂纹对象Crack或预划分裂纹对象Pre-Meshed Crack进行定义。这两个对象可以插入到Fracture项下。
图5-33中定义了一个裂纹，其细节如左部所示，其结构如右部所示；其各个参数如图5-34所示。
图5-33 裂纹定义
图5-34 裂纹影响区域参考
17.垫片
垫片结构是分析中常见的一种特殊结构，由于其响应的特殊性在分析中需要单独处理。在Workbench中进行垫片仿真，通常需要进行以下步骤：
➢定义垫片材料。
➢设置对象的Stiffness Behavior为Gasket。
➢设置Gasket Mesh Control对象，并划分网格。
➢求解并查看垫片结果。