COMSOL几何导入技巧(从AutoCAD和SolidWorks).pdf
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COMSOL几何导入技巧(从AutoCAD和SolidWorks).pdf
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COMSOL几何导入技巧(从几何导入技巧(从AutoCAD内容简介:
本文是作者经探索实践,总结的COMSOL何模型的技法。
使用COMSOL软件的人员以科研人员居多,对于效率的需求可能还不太强烈,或许是接触会较少,所以基本上是在COMSOL封闭的环境进行使用。
然而,市面上介绍CAD软件的书籍、资料写,这就造成了CAD软件与有限元软件之间的鸿沟。
期工作于研发部门并兼有设计任务,所以对件都有涉足,因此知道有限元软件需要什么,也很熟悉软件提供了什么,正好可以提供这样一个桥梁。
应用本文提供的方法,可以解决一大批几何建模问题,效率可以大幅提升,最重要的是节省学习成本。
有限元软件发展至今,很多思想是相通的,本文提供的思路和技巧元软件使用者参考。
目录前言一、从AutoCAD导入COMSOL中的技巧二、从SolidWorks导入COMSOL中的技巧作者:
凡泽作者:
凡泽AutoCAD和和SolidWorks)COMSOL从CAD软件导入几软件的人员以科研人员居多,对于效率的需求可能还不太强烈,或许是接触CAD软件的机封闭的环境进行使用。
然的书籍、资料大多是为设计目的而软件与有限元软件之间的鸿沟。
作者长期工作于研发部门并兼有设计任务,所以对CAD和有限元软,因此知道有限元软件需要什么,也很熟悉CAD软件提供了什么,正好可以提供这样一个桥梁。
应用本文提供的方法,可以解决一大批几何建模问题,效率可以大幅提有限元软件发展至今,很多和技巧也是可以供其他有限.2中的技巧路2中的技巧.42/18前言前言使用过多个有限元软件的人都感受得到,每个有限元软件几乎都有自己的一套使用习惯或惯用技法,又或者叫做使用文化。
在COMSOL使用文化中,COMSOL有个鲜明的特色就是参数化扫描分析功能对模型的多个变量进行求解,这自然要求几何模型采用COMSOL自带的几何建模功能,以便于对几何特征进行参数化。
这样子建模对于几何结构简单的精细化研究特别有用。
然而对于工程分析来说,几何模型一般是非常复杂的,采用COMSOL建立参数化几何模型可能会变得不实际。
这在其他偏工程应用的有限元软件中体现得特别明显其他常常用于工程的有限元软件惯用技法是采用CAD软件建立几何模型,导入到有限元软件建立网格模型和力学模型,甚至网格模型和力学模型都采用第三方软件进行,而把有限元软件仅作为求解器。
这样做的目的是因为工程分析对工作效率要求较高,每一样软件都做它自己擅长的事情。
COMSOL的使用者以研究人员居多,他们往往对工程设计类的软件不太熟悉,在研究中,往往有一个复杂的方案在脑海里,想用CAD软件画出来又面对新的软件心生恐惧,利用COMSOL建立复杂几何模型时又常常被陷于大量繁琐的几何尺寸、位置参数里。
这是一项费力不讨好的工作。
经常的情况是,花费几天建立的几何模型可能想修改,去模型里慢慢查找参数,找这些参数花费的时间可能不及推到重来快。
AutoCAD对二维几何绘图、SolidWorks对三维几何建模是公认比较有效率的软件,可以快速而优雅地建立出有限元软件需要的二维几何模型或三维几何模型。
AutoCAD和SolidWorks作为二维和三维设计的专业软件平台,本身具有大量复杂的工具,但实践中用于针对有限元几何模型的命令并不多。
本文试图消除COMSOL使用人员使用CAD软件和有限元软件的鸿沟,把AutoCAD和SolidWorks针对COMSOL有限元建模而言最有用工具和技巧呈现出来。
下面将分别介绍AutoCAD如何导入COMSOL作为二维几何模型(以轴对称接触模型为例),以及SolidWorks如何导入COMSOL作为三维几何模型(以官方支架静力分析模型和作者自编的椭球实体网格划分实例为例)。
结合了AutoCAD的封闭图形绘图技巧和COMSOL的区域概念,便于读者对COMSOL区域概念的深入理解。
SolidWorks的多实体零件技巧与COMSOL的区域概念也是对应的,均巧妙地应用的两款软件的优势特色。
尤其是运用SolidWorks的多实体建模技巧与COMSOL的“对象分割对象分割”工具的使用技巧结合,借用了其他软件块体网格划分思想,以椭球体进行六面体网格的划分为例,以此例启发COMSOL对复杂模型进行六面体网格划分的思路。
若要在COMSOL中建立多个复杂的工具对象来分割对象是复杂繁琐的,但这在SolidWorks中运用实体建模的多实体技巧是非常容易的,这使得COMSOL的特色功能(包括“对象分割对象分割”功能、“虚拟操作虚拟操作”等针对网格划分便利性的几何操作功能)得到更大发挥。
一、一、从从AutoCAD导入导入COMSOL中的技巧中的技巧在AutoCAD中建立封闭图形作为COMSOL的域。
在AutoCAD中有一个命令叫多段线命令(PLINE,简写命令为pl),它可以一次绘制多段首尾相接的直线或圆弧线(注意只能是直线或圆弧线),绘制第一段时,默认是直线,当任何一段需要切换为圆弧线时输入a(rc)命令,当需要切换回直线时输入l(ine)命令。
当绘制成封闭图形时它就是COMSOL的一个域。
为什么要用多段线命令呢?
因为多段线绘制的图形是一个整体对象,使得图形层3/18次分明,这样对于复杂图形来说特别容易管理。
这样,对于一个零件截面就可以用一个封闭多段线表示,容易进行单独选择或修改。
另一个相关的AutoCAD命令是PEDIT(简写命令为pe),它的作用是把零散相邻的线段或圆弧线连接成多段线,得到的结果与PLINE命令一样都是形成一个整体的多段线对象。
需要补充强调的是,在AutoCAD中绘制封闭图形不是必须要使用多段线,也可以是零散的线段,但多段线的好处是便于图形管理(选择、移动、赋予图层等操作方便)和单独修改,这对于复杂图形特别必要。
更多的好处需读者去实践体会。
COMSOL在导入AutoCAD文件(dxf文件)时具有图层选项(如图1)。
在导入设置选项中层选择层选择位置下拉选项有全部全部或选定选定选项,当采用选定选定选项时,可以对来自AutoCAD的图层进行选择。
对于某些时候出于建模需要,我们只需导入部分零件区域图形采用选定选定图层的选项。
图1为了使COMSOL导入时正确区分区域,在AutoCAD中为每个零件建立单独图层是必要的。
需要特别注意特别注意的是,AutoCAD本身是允许中文图层名字的,但不要在AutoCAD中使用中文作为图层命名,否则在COMSOL中会出现导入错误。
图2图3如图2,一般未装任何插件的AutoCAD图层管理器位于左上角工具栏,点击后出4/18现图3的图层特性管理器,一般系统默认图层为0图层。
在图3中的图层特性管理器中按新建图层(新建图层(ALT+N)按钮可以新建图层,默认图层名字是按“图层1”、“图层2”这样的顺序自动命名。
修改图层名字需鼠标点到图层名称位置,稍作停稍作停留再点击一次鼠标即可输入新的图层名字。
轴对称模型实例。
图4,是某螺栓连接方案,欲对不同预紧力工况下的螺牙应力进行研究,以便选择适当的螺栓、螺母性能等级。
为了简化为轴对称模型,有限元模型中的螺纹槽采用环形槽近似而不是真实的螺旋槽,可先用轴对称模型进行初步评估后再采用真实螺纹模型进行校验。
图4一般而言,专业有限元软件轴对称模型默认以纵轴作为对称轴,截面图应位于对称轴右边(而SolidWorks自带的Simulation有限元软件没有此限制)。
图55/18
(1)为了导入COMSOL建立轴对称模型,按照图5,在对称轴右边绘制6个部分的半剖面视图半剖面视图,注意,需去除多余视图线,仅保留封闭区域。
上图5中1区域为螺栓、2区域为螺母、3区域为上部楔形垫、4区域为上部被连接板、5区域为下部被连接板、6区域为下部楔形垫。
注意,螺栓轴线与对称轴重合。
注意,图5区域编号与COMSOL中导入的自动域编号不一定相同。
(2)如图6所示,为每个区域(或者是零件)新建一个图层,并用英文命名。
图6(3)为每个区域赋予正确的图层。
如图7所示,选中要赋予图层的零件封闭区域,如表示螺栓的区域,再在图层选择下拉列表选择对应的图层。
点选表示螺栓的图层过后即给螺栓区域赋予了正确的图层。
图7(4)完成AutoCAD图形后另存为dxf格式,就可以开始导入到COMSOL有限元软件中。
如图8所示,为绘制完成的dxf文件导入COMSOL中的选项设置。
建立COMSOL模型时研究类型选择稳态模型;由于要使用AutoCAD中绘制的全部区域,导入时,层选择选项应选择全部全部;6/18注意,COMSOL几何默认单位是m,一般需要修改为mm(CAD软件中默认情况一般都按mm计算尺寸),导入后观察标尺检查尺寸设置对不对,尺寸不对明显差一千倍,是很容易发现的;检验图层赋给了正确的区域:
导入后鼠标滑过每个区域,看高亮区是否正确;因为要进行接触分析,形成联合体形成联合体设置应修改为形成装配体形成装配体。
图8(5)在此几何模型基础上,在COMSOL环境中完善有限元模型。
此处为了简单起见,未使用螺栓预紧力研究螺栓预紧力研究模型,而是通过在上下被连接板(区域4、5)接触面加载螺栓预紧力等效载荷此处,如图9所示,下部接触面进行约束,上部接触面施加110kN向上载荷(或者按照圆环面积计算折合成压强加载)。
除了上下被连接板接触面,其余接触面应建立接触对关系。
图9图10图10为加载后的计算结果应力的局部云图显示。
结果显示,螺牙下部是接触的,上部是分离的,这与加载受力趋势相同,说明几何模型和接触对建立都是正确的。
7/18二、二、从从SolidWorks导入导入COMSOL中的技巧中的技巧如图11,先通过一个简单例子了解SolidWorks中零件中建立多实体多实体的功能。
看看多实体导入COMSOL后是什么效果。
图11SolidWorks中,在原有实体基础上建立新特征时有个选项叫合并结果合并结果,这个选项默认为勾选的,相当于求交集。
如图11这样,如果默认情况,生成实体后合并结果,在分界面是合并的;如果去掉合并结果合并结果勾选,生成的结果将是分开的多实体(如图12)。
图12可见,在模型树上实体实体位置已有两个实体,两个实体分界面是保留的。
并且可以对单个实体赋予不同的材料。
当我们把这个CAD文件导入COMSOL时,无论是SolidWorks零件文件直接导入还是另存为Parasolid中间格式再导入,产生的均是两个域(如图13)。
这与AutoCAD的情况几乎是类似的均是封闭空间(二维封闭、三维封闭)产生独立的域。
8/18图13SolidWorks多实体功能有什么妙用呢?
如图14,在COMSOL自带案例库有一个支架模型,演示如何使用使用几何分割几何分割工具来划分网格。
分割分割工具在二维也有,但一般二维总是容易划分出较好的四边形网格,所以一般不用它。
图14我们将通过两个例子来演示如何利用多实体(域)对较复杂的几何模型划分六面体网格。
实例实例1:
COMSOL自带案例库支架模型的网格划分。
自带案例库支架模型的网格划分。
图15打开COMSOL自带案例库的支架模型后,如图15所示,该案例演示了布尔操作和分割布尔操作和分割中分割分割工具的使用。
该工具利用创建的工具(实体)域对支架模型进行分割,并且分割后删除工具实体,以便于六面体网格的划分。
案例中,在9/18COMSOL中建立了Block1实体,通过镜像、阵列等操作使得实体复制到多个位置,从而形成多个工具实体。
经过分割后对支架模型的网格划分如图16所示。
图16有使用COMSOL进行几何建模的都知道,即使是进行这样简单的长方体块体建模都是比较繁琐的,进行镜像、阵列操作同样也较复杂,毕竟不是专业的几何设计软件。
而采用SolidWorks进行这样的建模几乎只需一两分钟就完成,并且修改直观方便。
(1)为了得到支架本身的几何模型,把COMSOL支架案例几何模型导出为Parasolid格式,以备从SolidWorks导入现存的模型。
导出之前,在COMSOL中几何操作树上删除Block1后面的操作,从而得到最原始的支架几何模型。
图17如图17所示,通过右键单击Geometry1,选择导出导出,进入导出设置界面。
文件类型文件类型位置选择Parasolid类型,文件名文件名位置选择浏览浏览按钮为导出文件选择位置和名称,COMSOL为文件进行了默认命名。
点击导出导出按钮、全部构建全部构建按钮Parasolid文件被导出到指定位置。
(2)在SolidWorks界面打开从COMSOL导出来的支架几何模型文件。
导入时无需选择识别特征。
导入后,可以用SolidWorks的测量工具测量某些边,检查单位是否正确(与图17中所示的COMSOL里图形对比)。
特别需要注意的是特别需要注意的是,即使采用特征识别,有的特征也是识别不到的。
还需注意,识别不到的特征,即使看上去是平面,也不能作为工作面使用,需要手动建立工作面(建立工作面时选择该平面上的边或者点)。
如图18所示,为了在支架顶面建立草图,需先建立一个与该面重合的基准面。
建立基准面的命令在特征工具栏的参考几何参考几何按钮,点选支架顶面上两条相交的直线即可建立与顶面重合的基10/18准面。
这样就可以选择该基准面创建草图。
再次说明,直接在顶面上创建草图是不允许的,因为没有识别到该特征面,所以SolidWorks认为它不是一个合法的平面。
图18(3)利用上一步创建的基准面,创建一个草图,画两个包围需要分割部分的长方形(可以不用精确,但最好简单地标上尺寸,以便于后期修改)。
如图19所示。
图19(4)建立拉伸特征,用来生成在COMSOL中分割用的工具实体,新建特征11/18时去掉合并结果合并结果勾选项。
如图20所示。
拉伸特征默认向上,需点击一下方向方向1
(1)下方的箭头按钮修改成向下。
拉伸深度给定为能覆盖圆角即可,比如图20所显示的20mm。
检查合并结果合并结果选项是去掉勾选的,然后点击左上角绿色完成特征生成。
图20完成后,支架上表面生成了图21所示的两个实体。
然后只需通过阵列(或镜像)即可在下表面复制实体。
图21(5)这里,可能通过镜像新生成的实体到下表面更加方便。
在评估工具栏测量支架高度,支架高度为100mm。
这时,只需偏移基准面1到50mm位置新建一个基准面,即可以作为镜像对称面。
如图22。
图22然后镜像上一步新建的两个实体到支架下表面去。
如图23所示,在特征工12/18具中选择镜像镜像工具,点选上面新建的基准面基准面2,作为镜像面;不要选镜像特征,要选择镜像实体,点选上一步新建的两个实体作为要镜像的实体要镜像的实体,选项里面要去掉合并实体合并实体勾选项。
图23点击号完成镜像后,在模型树的实体就多出来刚刚镜像的两个实体。
然后另存为Parasolid格式供COMSOL导入使用。
上述步骤被分解成多步,实际操作练习几次之后非常简单直观,不紧不慢的一两分钟即可完成而不像在COMSOL中,需要小心翼翼地计算坐标位置,输入坐标和参数。
在SolidWorks中需要修改也很简单,只需在特征树或直接点击特征实体编辑即可。
(6)在COMSOL中导入做好的Parasolid文件。
如图24,导入后的几何包含了我们在SolidWorks新创建的四个块体。
图24(7)在几何工具栏中进行分割操作。
选择布尔操作和分割布尔操作和分割下面的分割对象分割对象13/18按钮进入分割对象设置界面,如图25所示。
选择原始支架几何作为要分割的对象,选择在SolidWorks新建的4个块体作为工具对象。
图25注意检查确保保留要分割对象保留要分割对象这个勾选选项是去掉勾选的(系统默认是不保留)。
点击构建所有对象构建所有对象后完成分割操作,结果如图26所示。
图26(8)有了上述分割,支架几何体被分成9个域,其中由4个块体分割出来的4个域为不规则域,可以划分四面体网格;其余5个域是能够划分成扫略网格的。
需要注意的是,划分顺序:
先划分扫略网格,再划分四面体网格。
网格划分结果如图27所示。
14/18图27以上即是对COMSOL自带案例库中的支架模型采用SolidWorks建立块体模型进行分割操作、划分网格的全过程。
我们知道,SolidWorks建立更复杂的实体也是相当容易的,这就启发我们采用上述思路对更复杂的模型进行块体划分,以便划分六面体网格。
下面,将用一个椭球体块体划分作为案例演示,其中上面已经讲过的细节性操作不再细致讲解。
实例实例2:
椭球体网格划分演示。
:
椭球体网格划分演示。
(1)在SolidWorks中画一个椭球。
如图28,以前视作为基准面画一个半椭圆草图。
图28如图29,通过旋转特征工具生成椭球体。
15/18图29
(2)在SolidWorks中建立多实体块体用于切割椭球体。
为简单起见,建立一个倒金字塔棱台,通过对称性进行阵列操作。
如图30所示,先在前视基准面前视基准面作一个梯形草图拉伸,方向选项选择两侧对称两侧对称,拉伸尺寸输入为180mm(正好是90mm的两倍,读者可以思考为什么,实际操作一遍或者看下面步骤就能体会到),后面步骤需要切除多余部分。
图30如图31所示,在右视基准面右视基准面建立草图切除多余部分,形成倒金字塔棱台。
做到这一步就能理解,如果上一步梯形拉伸输入的尺寸小于180mm,就切不出正金字塔形状。
注意,金字塔四个侧面均穿过椭球中心的(或者说是相交于椭球中心)。
16/18图31(3)在SolidWorks中阵列,形成完全覆盖椭球的6个块体。
为了做圆周阵列,需要建立X方向和Z方向的两个基准轴,如图32所示。
还是通过参考几何工具来建立基准轴。
图32如图33所示,先圆周阵列4个块体。
注意点选圆周阵列工具前在图形区域什么都不要选择,点选出圆周阵列工具后先勾选实体选项,然后选中前面建立的块体实体,点击等间距等间距选项,默认角度为一周角(360),数量输入为4个,阵列后实际增加3个实体。
17/18图33现在,还缺两块没有覆盖到椭球体。
还是按照上述步骤阵列,选择基准轴1,如图34所示。
图34此时,在下方多出一个重叠实体,在实体树种选择到任意一个多余实体,点击右键右键删除删除即可。
至此,完成全部SolidWorks里面的工作,接下来是另存为Parasolid格式以便从COMSOL里进行导入。
(4)还是按照上一个实例那样导入椭球模型,这时模型里包含了椭球和6个覆盖椭球的金字塔棱台形的块体。
椭球、球形等曲面导入后,COMSOL会自动添加分割线,需进行删除。
如图35所示,隐藏块体,采用虚拟几何虚拟几何的忽略边忽略边工具移除这4个自动添加的边。
18/18图35(5)此时,实际上椭球自动被切分成所需要的域(但几个金字塔棱台的块体域还存在于几何中),可以对椭球划分扫略网格。
这里有两个办法:
为了干净,可以应用上一实例介绍的分割工具分割,以去除金字塔棱台块体;也可以在分析中移除金字塔块体域,如图36所示,把这几个隐藏的块体域从分析中减去。
图36(6)如图37所示,简单的进行网格划分得到较好的六面体网格。
需要注意的是,应先选择中心正方体划分扫略网格,再划分剩下的。
图37若要追求更高的单元质量,对于熟悉COMSOL操作的读者可以进行更精细的调整,例如根据椭球形状特征调整节点分布,以改善扭曲单元。
更进一步的应用,留给读者自行去研究、探索。
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