ADINA有限元经典实例分析：前处理方法和Sheet切分

时间：2023-11-06 理论教育版权反馈

【摘要】：单击Add按钮，将Type选择为Block，在Dimension Vector的X空白框处输入0.1，Y空白框处输入0.1，Z空白框处输入0.06，单击OK按钮后将创建一个块体。单击Add按钮，将Type选择为Pipe，并分别在Radius、Thickness和Length空白框中输入0.01、0.005和0.01，在Center Position的Z空白框中输入0.035，将Axis选择为Z，单击Save按钮。按照相同的操作方法，对body5、body6、body7、body8、body9、body10进行Sheet切分。

1.定义几何

启动ADINA-AUI，程序模块选择ADINA Structures。如果不希望手动完成几何建模，可以单击菜单File→Open或图标来打开几何命令流文件M-example01-geo.in（保存于随书光盘下列文件夹：\8-1\model\）；如果希望手动完成几何建模过程，则按照下列步骤操作：

1）单击菜单ADINA-M→Define Body或图标，将弹出Define Body对话框。单击Add按钮，将Type选择为Block，在Dimension Vector的X空白框处输入0.1，Y空白框处输入0.1，Z空白框处输入0.06，单击OK按钮后将创建一个块体。

2）单击菜单ADINA-M→Body Modifier或图标，将弹出Body Modefiers对话框，将Modifier Type选择为Hollow，将Target Body选择为1，在Default Face Thickness空白框中输入0.01，在右侧表格的第1行依次输入5和0，单击OK按钮。

3）单击菜单ADINA-M→Define Body或图标，将弹出Define Body对话框。单击Add按钮，将Type选择为Block，在Center Position中的Z空白框处输入-0.035，分别在Dimen-sion Vector的X、Y、Z空白框处输入0.12、0.12、0.01，单击Save按钮。

4）在Define Body对话框中单击Add按钮定义第3个体。将Type选择为Cylinder，在Radius空白框中输入0.005，在Length空白框中输入0.1，并将Axis选择为Z，单击OK按钮退出Define Body对话框。

5）单击菜单ADINA-M→Boolean Operator或图标，将弹出Boolean Body Operators对话框，将Operator Type选择为Sbutract，将Target Body选择为1，勾选Keep the Subtracting Bodies选项，并在表格的第1行输入3，单击Save按钮。按照相同的操作步骤，将Operator Type选择为Sbutract，，将Target Body选择为2，勾选Keep the Subtracting Bodies选项，并在表格的第1行输入3，单击OK按钮。

6）单击菜单ADINA-M→Define Body或图标，将弹出Define Body对话框。单击Add按钮，将Type选择为Pipe，并分别在Radius、Thickness和Length空白框中输入0.01、0.005和0.01，在Center Position的Z空白框中输入0.035，将Axis选择为Z，单击Save按钮。

7）单击Add按钮，在Type下拉菜单中选择Transformed，然后单击Transformation Label右侧的按钮，将弹出Define Transformation对话框；单击Add按钮，在Type下拉菜单中选择Translation，在Translation Increments中的Z空白框处输入-0.08，单击OK按钮关闭对话框。在Define Body对话框中，在Parent Body中输入4，将Transformation Label选择为刚才定义的1，单击OK按钮。

8）单击菜单ADINA-M→Define Section Sheet或图标，将弹出Define Section Sheet对话框。单击Add按钮，将Defined by选择为Origin and Normal，将Origin by选择为Point并输入18（也可以单击按钮到图形区中拾取点18，此时需要事先单击图标来显示点号），将Outwards Normal中的X改为0，Z改为1，单击Save按钮。按照相同的操作步骤，单击Add按钮，将Defined by选择为Origin and Normal，将Outwards Normal中的X改为0，Z改为1，将Origin by选择为Point并输入9，单击Save；按照相同的操作步骤，分别将Origin by选择为Point，并依次输入10、5、39再定义3个Section Sheet，共定义了5个相互平行的Section Sheet。

9）单击菜单ADINA-M→Body Modifier或图标，在弹出的对话框中将Modifier Type选择为Section，在Target Body下拉菜单中选择3，在右侧表格的前5行依次输入1、2、3、4、5，单击OK按钮。

10）单击菜单ADINA-M→Define Body或图标，在弹出的对话框中将Body Number选择为3，单击对话框上部的Delete按钮，将弹出“是否删除item 3”提示框，选择Yes。也可以单击图标，然后到图形区拾取最上部的体（Body 3），按Esc键退出删除状态即可，两种操作方法的效果完全相同。

11）单击菜单ADINA-M→Define Section Sheet或图标，在弹出的对话框中单击Add按钮，将Defined by选择为X-Plane，单击Save按钮；然后再次单击Add按钮，为Defined by选择Y-Plane，单击OK按钮。

12）单击菜单ADINA-M→Body Modifier或图标，在弹出的对话框中将Modifier Type选择为Section，并将Target Body选择为4，勾选Keep the Sheets After the Sectioning选项，在右侧表格的前2行依次输入1和2，单击Save按钮。按照相同的操作方法，对body5、body6、body7、body8、body9、body10进行Sheet切分。需要注意的是：在切分body10时，不要勾选Keep the Sheets After the Sectioning选项，单击OK按钮。

13）单击菜单Geometry→Volumes→Define或图标，将弹出Define Volume对话框。单击Add按钮，将Type选择为Body，勾选Convert All Bodies和Convert Curved Edges to Splines选项，单击OK按钮，将弹出“Body1和Body2不能转化为volume”的提示框，单击确定按钮。

14）单击菜单Display→Geometry/Mesh Plot→Change Zone，在弹出的对话框中单击Zone Name右侧的按钮，将弹出Define Zone对话框；也可以单击图标右侧的下拉菜单并选择图标。单击Add按钮，在弹出的对话框中输入v（输入小写字母即可，单击OK按钮后软件会自动将其改为大写的V），单击OK按钮。在右侧表格的第1行输入volume 1～28，单击OK按钮。

提示：volume l-volume 28指的是螺栓几何，为了显示模型方便将其定义为一个名为V的zone（区域），为后面的设定网格密度和设定接触作准备。实际工程中的螺栓帽和螺母往往是类六边形带倒圆角的复杂几何结构。有限元分析时，螺栓不必按照实际结构建模，原因是：螺栓帽和螺母边缘是受力的末端部位，它们远离应力集中区域，因此螺栓帽和螺母的形状对于分析结果几乎没有任何影响。有限元分析时要力争做到以最小的代价获取满足需求的结果。本例中对螺栓模型进行合理简化，已经能够满足分析的准确度要求。

15）单击菜单ADINA-M→Define Body或图标，在弹出的对话框中单击Add按钮，选择Type为Block，在Center Position的Z空白框处输入-0.02，分别在Dimension Vector的X、Y和Z空白框处输入0.1、0.01和0.02，单击Save按钮。再次单击Add按钮，将Type选择为Transformed，单击Transformation Label右侧的按钮，将弹出Define Transformation对话框，单击Add，将Type选择为Rotation，在Angle of Rotation中输入90，Axis选择为Z，单击OK按钮关闭对话框。在Define Body对话框中，为Parent Body输入3，并将Transforma-tion Label选择刚才定义的2，单击OK按钮。

16）单击菜单ADINA-M→Boolean Operator或图标，在弹出的对话框中将Operator Type选择为Subtract，在Target Body下拉菜单中选择1，分别在表格的前两行输入3和4，单击OK按钮。

此时，几何建模工作结束，单击图标和图标，图形区将显示如图8-1所示的几何模型，共包含两个body和28个volume。

图8-1 几何模型

2.定义网格密度

下面将介绍定义网格密度的操作步骤，读者也可以读取M-example01-sub.in（保存于随书光盘的文件夹\8-1\model\中），单击菜单File→Open或图标可以打开该文件。

1）为螺栓设定网格密度。首先设定总的网格密度，然后再进行局部修改。单击菜单Meshing→Mesh Desinty→Volume（或图标右侧的下拉菜单，然后选择图标），在弹出的Define Volume Mesh Density对话框中，设置Vol-ume Number为1，在Number of Subdivisions的u、v和w空白框处均输入3，单击右侧表格上部的Auto按钮，将弹出Auto Generation对话框，分别在From和To中输入2和28，单击OK按钮两次来退出对话框。

2）单击图标（Change Zone），在弹出的对话框中，在Zone Name下拉菜单下选择V，单击OK按钮。单击线框显示图标（Wire Frame），单击图标以放大螺栓帽局部。将螺栓径向上的网格密度从3调整为2，对应的操作如下：单击菜单Meshing→Mesh Desinty→Line（或单击图标右侧的下拉菜单，并选择图标），在弹出的Define Line Mesh Density对话框中确认Line Number为1，确认Method为Use Number of Divisions，在Number of Subdivi-sion的空白框中输入2，在右侧表格中依次输入12、57、63、91、92、28、29、93、25、26、90、8、3、59、52、99、94、34、33、39、106、101、40、44、111、108、45、48、113、112、47、83、77、24、13、15、20、79、72，单击OK按钮退出对话框。

提示：表格中的线号也可以不使用手动输入，最常用的做法是：首先双击表格第1行的绿色图框，然后在图形区使用鼠标依次拾取螺栓径向的线；当无法继续拾取时，则按下Esc键返回而不关闭对话框，单击平移图标或放大图标来调整图形区的显示内容，以便能够继续拾取需要的线。在表格中继续双击第1个未能输入数字的绿色图框，在图形区继续拾取需要的线，重复这一过程直至所有的线都被选中且输入到表格中。如果选错了某条边，可以按住Esc键返回对话框，用鼠标单击选错边的所在行，再单击Del Row按钮来删掉该行：然后再双击第1个未输入数字的绿色图框，在图形区继续用鼠标选择边。需要注意的是：对话框上部的Line Number号码可以不在表格中输入，只要保证Line Number的号码是需要选取的线即可。本例中Line Number为1，正好位于径向上，因此是满足要求的线：如果Line Number不是1，则需要注意调整线号，初学者一定要特别注意该问题。

3）单击菜单Meshing→Mesh Desinty→Body（或单击图标右侧的下拉菜单，选择图标），在弹出的对话框中确认Body Number为1，确认Method为Use Length，在Element Edge Length中输入0.01，在右侧表格的第1行输入2，单击OK按钮。

4）单击图标（Change Zone），在弹出的对话框中将Zone Name选择为GB1，单击OK按钮退出对话框。确认线框显示图标（Wire Frame）按下，单击图标来放大螺栓孔局部。单击菜单Meshing→Mesh Desinty→Edge（或单击图标右侧的下拉菜单，并选择图标），在弹出的对话框中确认Body为1，单击Edge右侧的按钮，到图形区拾取螺栓孔周向的1条边即可返回对话框；双击表格右侧的绿色框，到图形区依次拾取剩下的3条边，按Esc键返回。确认这4条边的线号分别为25、26、27、28。将Method选择为Use Number of Divisions，在Number of Subdivision的空白框处输入6，单击Save按钮而不关闭对话框。

按照相同的操作方法，单击图标，在弹出的对话框中为Zone Name选择GB2，单击OK按钮退出对话框。确认线框显示图标按下，单击图标来放大螺栓孔局部。将Body选择为2，单击Edge右侧的按钮，到图形区拾取螺栓孔周向的4条边（4条边的线号分别为13、14、15、17）。将Method选择为Use Number of Divisions，并在Number of Subdivision空白框处输入6，单击OK按钮退出对话框。此时，网格密度设定完毕。

提示：两个body在螺栓孔和螺栓周向的网格密度相同（都为6），日的是能够有效减小接触的初始穿透。对于曲面接触分析，如果接触面处的网格密度设置差距较大，将导致非常大的接触初始穿透，不利于接触收敛。详细介绍请参见第4.10节“设定接触”。

3.定义材料

本例将定义两种线弹性材料，材料1是螺栓材料，材料2则是支架及基座材料。

1）单击菜单Model→Material→Manage Material或图标，将弹出Manager Material Defi-nitions对话框，单击Elastic下的Isotropic按钮来定义线弹性材料。在弹出的对话框中单击Add按钮来定义材料1，分别在Young’s Modulus、Poisson’s Ratio和Density的空白框处输入2e11、0.3和7800，单击Save按钮。

2）单击Add按钮来定义材料2，分别在Young’s Modulus、Poisson’s Ratio和Density的空白框处输入1.5e11、0.3和7200，单击OK按钮退出对话框。

3）单击Close按钮退出，材料定义完毕。

4.定义单元组

本实例需要定义3个单元组，分别表示螺栓、支架及基座。(www.xing528.com)

1）单击菜单Meshing→Element Groups或图标，将弹出Define Element Group对话框。

2）单击Add按钮来定义单元组1，将Type选择为3-D Solid，保证默认的材料Default Material选择为1，其余设置保持不变，单击Save按钮。

3）单击Add按钮来定义单元组2，在Default Material下拉菜单中选择2，单击Save按钮；单击Copy按钮，在弹出的对话框中单击OK按钮，则将单元组2的设置复制给单元组3，然后单击Cancel按钮退出，单元组定义完毕。

5.划分网格

1）划分螺栓网格的操作如下：单击菜单Meshing→Create Mesh→Volume或图标，将弹出Mesh Volumes对话框。将Element Group选择为1，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，单击表格右侧上部的Auto按钮，在弹出的对话框中在From处输入1，在To处输入28，单击OK按钮两次退出对话框。

2）划分支架网格的操作如下：单击菜单Meshing→Create Mesh→Body或图标，将弹出Mesh Bodies对话框。将Element Group选择为2，将Nodes per Element选择为8，确认Meshing Type为Free-Form，并勾选Brick Elements on Boundary选项。在表格的第1行输入1，单击对话框上部的More Option标签，将Nodal Coincidence Checking下的Check选择为No Checking，单击Apply按钮，网格划分完毕将弹出警告信息窗口，关闭即可。

3）划分基座网格的操作如下：将Element Group选择为3，确认Nodes per Element为8，确认Meshing Type为Free-Form，确认勾选Brick Elements on Boundary选项。在表格的第1行输入2，单击对话框上部的More Option标签，确认将Nodal Coincidence Checking下的Check选择为No Checking，单击OK按钮退出对话框。

提示：对于模型中包含初始接触的几何界面，一定要保证它的网格节点是不连续的，即节点不拟合；生成网格时一定要设置节点重合性检查。详细介绍请参见4.2节“划分网格”。

此时，模型的网格划分工作完毕。依次单击图标、和，图形区中将显示划分网格后的模型示意图，如图8-2所示。本实例中共包含3个单元组，分别用不同的颜色显示。

图8-2 图形区

6.定义接触

定义接触时应该首先定义接触组，本实例中需要定义两个接触组：一个接触组用来定义正常的接触关系，另外一个接触组用于设置施加螺栓的初始预应力。下面将详细介绍操作步骤：

定义第1个接触组的操作如下：

1）单击菜单Model→Contact→Contact Group或图标，弹出定义接触组对话框。单击Add按钮，并设置接触组1，将Type选择为3-D Contact，在Default Coulomb FrictionCoefficient处输入0.1，其他设置保持默认值不变，单击OK按钮。

2）单击图标，在Zone Name中选择V，单击OK按钮。单击图标显示面号。单击菜单Model→Contact→Contact Surface（或图标右侧的下拉菜单，然后选择图标），将弹出定义接触面对话框。单击Add按钮，并定义接触面1，确认Defined on为Surfaces，双击表格第1行的绿色图框，并到图形区依次拾取面70、17、78、21、86、25、50、11、75、71、83、79、91、37、57、53，按Esc键返回对话框，单击Save按钮保存。

3）单击图标，在Zone Name中选择GB1，单击OK按钮。再单击图标来放大显示螺栓孔局部。单击Add按钮来定义接触面2，将Defined on选择为Faces of a Body，将Body选择为1，双击表格第1行的绿色图框，到图形区依次拾取面15、16（也可以手动输入），按Esc键返回对话框，单击Save按钮保存。

4）单击图标，在Zone Name中选择GB2，单击OK按钮。单击图标来放大显示螺栓孔局部。单击Add按钮来定义接触面3，将Defined on选择为Faces of a Body，将Body选择为2，双击表格第1行的绿色图框，到图形区依次拾取面5、7、8（也可以手动输入），按Esc键返回对话框，单击Save按钮保存。

5）单击图标，在Zone Name中选择GB1，单击OK按钮。单击Add按钮来定义接触面4，将Defined on选择为Faces of a Body，将Body选择为1，双击表格第1行的绿色图框，到图形区依次拾取面1、2、3、4，按Esc键返回对话框，单击Save按钮保存。

6）单击图标，在Zone Name中选择GB2，单击OK按钮。单击Add按钮来定义接触面5，将Defined on选择为Faces of a Body，将Body选择为2，双击表格第1行的绿色图框，到图形区拾取面1，按Esc键返回对话框，单击OK按钮。

7）单击菜单Model→Contact→Contact Pair（或图标右侧的下拉菜单，然后选择图标），将弹出定义接触对对话框。单击Add按钮设置接触对1，将Target Surface选择为1，将Contactor Surface选择为2，单击Save按钮。单击Add按钮来设置接触对2，将Target Sur-face选择为1，将Contactor Surface选择为3，单击Save按钮。单击Add按钮来设置接触对3，将Target Surface选择为4，将Contactor Surface选择为5，单击OK按钮。

提示：设置接触对时，需要注意TargetSurface和ContactorSurface的选取。由于接触面1的刚度大于接触面2和3的刚度，因此，TargetSurface一定要选择接触面1。详细介绍请参见第4.10节“设定接触”。

定义第2个接触组的操作如下：

1）单击菜单Model→Contact→Contact Group（或图标），将弹出定义接触组对话框。单击Add按钮来设置接触组2，确认Type为3-D Contact，在Default Coulomb Friction Coeffi-cient处输入0.1；单击Advanced标签，将Initial Penetration into Target选择为Override，在Initial Gap（+）/Penetration（-）Value处输入-0.0001，其他设置保持默认不变，单击OK按钮。

提示：Override表示过盈接触，而-0.0001则表示接触的过盈量为0.1mm（本例题默认的长度单位为米），这是通过接触来施加螺栓预紧力的一种常用方法，过盈量越大，表明螺栓的预紧力越大。螺栓预紧力的大小可以根据过盈量的大小通过材料力学公式计算得到近似值，也可以使用试算的方法来得到。关于处理结果文件得到螺栓预紧力，请参见本节的后处理。

2）单击图标，在Zone Name中选择V，单击OK按钮。单击菜单Model→Contact→Contact Surface（或图标右侧的下拉菜单，然后选择图标），将弹出定义接触面对话框。单击Add按钮来定义接触面1，确认Defined on选择为Surfaces，双击表格第1行的绿色图框，到图形区依次拾取面3、32、37、44，按Esc键返回对话框，单击Save按钮保存。