使用FreeCAD进行有限元分析

本文详细介绍了如何使用FreeCAD创建立方体零件,设置材料属性,施加固定约束和表面受力,进行网格划分及力学计算,最终查看分析结果。适合初学者和有经验的使用者参考。

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一、零件制作

1、创建立方体

新建一个文档,进入Part工作组,然后点击建立立方实体,这样就创建好了一个立方体。然后点击你创建的立方体,切换到data页面,修改长宽高分别为100mm20mm2mm,修改好后的特征是一个长板。

新建一个零件并修改参数

2、修改参数

在这里插入图片描述

代码:

	App.newDocument("未命名")
	App.ActiveDocument.addObject("Part::Box","Box")
	FreeCAD.getDocument("_________").getObject("Box").Length = '100 mm'
	FreeCAD.getDocument("_________").getObject("Box").Width = '20 mm'
	FreeCAD.getDocument("_________").getObject("Box").Height = '2 mm'

二、建立力学分析

切换到FEM工作组,进行力学分析

1、为零件附着材料

点击附着材料,为零件附着材料,这里选用了steel 340材料

2、增加固定约束

选择零件的侧边,并增加固定约束

3、增加均布在表面的受力

选择零件的上表面,增加1MPa的压强

4、零件网格化

对零件进行网格化

5、设定保存路径,进行力学计算

设定一下保存路径然后对零件进行力学分析

6、查看分析结果

最后,就是大家要的结果了,可以从采用多种形式查看结果。

具体步骤如下图:
在这里插入图片描述

三、查看分析结果

在这里插入图片描述

<think>我们注意到用户的问题是关于在ANSYS有限元分析中如何高效提取中面几何。根据引用[5]提到,ANSYS Workbench中的特征操作包括抽壳(Thin/Surface)等,这涉及到中面抽取。同时引用[3]提到Hypermesh抽中面后的处理,但用户主要关注ANSYS。在ANSYSWorkbench中,中面抽取(Mid-Surface Extraction)是处理薄壁结构(如钣金件、塑料壳体)时常用的几何简化方法,可将薄壁实体自动提取中间曲面,从而减少网格数量、提高计算效率。高效提取中面的步骤如下:1. **准备几何模型**:确保导入的薄壁结构几何是完整的实体(没有缺失面或缝隙),且厚度均匀或厚度变化区域已合理分割。对于复杂结构,可先使用“DesignModeler”或“SpaceClaim”进行几何清理[^3]。2.**使用中面抽取工具**:-在Workbench的“Geometry”组件中,打开几何模型。-在菜单栏选择“Tools” →“Mid-Surface”(或右键点击模型树中的“Geometry”选择“Mid-Surface”)。-设置抽取参数:- **选择模式**:支持“Automatic”(自动选择所有薄壁面)或“Manual”(手动选择面)。- **厚度指定**:可自动检测厚度或手动输入统一厚度/不同厚度。-**延伸选项**:控制中面在边界处的延伸行为。3.**处理复杂情况**:-对于厚度变化的区域,需创建多个“Mid-Surface”特征,并为每个特征指定不同厚度。-使用“FacePairs”(面对)功能手动调整自动抽取可能出错的位置。4. **验证与修复**:-抽取后检查中面是否连续、有无重叠或缺失。-使用“GeometryRepair”工具缝合间隙或修正拓扑错误[^3]。5.**网格划分**:-中面抽取后,使用“Mesh”组件生成壳单元网格(如SHELL181)[^1]。**注意事项**:-自动抽取适用于厚度均匀的规则几何,复杂结构建议结合手动选择。 -若原始几何存在微小特征(如圆角、小孔),可先通过“Simplify”工具移除以避免中面扭曲[^5]。 -抽取后的中面需赋予正确的壳单元厚度和材料属性。示例代码(使用ACT脚本批量处理): ```python# ANSYS ACT脚本示例:自动抽取中面并指定厚度import ExtAPIdata_model= ExtAPI.DataModel.Project.Modelgeometry= data_model.Geometrymid_surface= geometry.Tools.MidSurfacemid_surface.AutoDetect =True#自动检测mid_surface.SelectionType= MidSurfaceSelectionType.Automatic#自动选择模式mid_surface.Create()#执行抽取```**替代方案**:若Workbench中面抽取效果不佳,可: -在CAD软件(如SolidWorks)中直接创建中面导出[^3]。-使用Hypermesh等专业前处理工具抽取后导入ANSYS[^3]。 §§相关问题§§1. ANSYS中面抽取失败常见原因及解决方法?2.如何为变厚度壳体指定不同的中面厚度? 3. Workbench中壳单元与实体单元连接方法有哪些?</think>在ANSYS有限元分析中高效提取中面几何是处理薄壁结构(如钣金件、壳体)的关键步骤,以下是最佳实践方法: ### 一、Workbench环境下的高效中面提取 1. **自动抽取工具** - 在Geometry组件中右键选择`Mid-Surface`工具 - 设置参数: ```mathematica Selection Type: Automatic (自动检测薄壁结构) Minimum Threshold: 设置最小厚度阈值(如1mm) Maximum Threshold: 设置最大厚度阈值(如10mm) ``` - 支持批量处理多个薄壁部件[^5] 2. **手动抽取关键步骤** - 通过`Face Pairs`手动选择对应面: ```mathematica 1. 选择第一个表面 → Ctrl+选择对称表面 2. 指定厚度值(支持变厚度设置) 3. 启用"Extend to tangent"保持几何连续性 ``` - 使用`Finder`工具自动识别相邻面对[^2] 3. **几何修复辅助** - 抽取前执行: ```mathematica Geometry Repair → • 移除小特征(Small Face Removal) • 填充微小孔洞(Fill Holes) • 缝合间隙(Stitch Gaps) ``` - 可减少50%以上的中面断裂问题[^3] ### 二、经典APDL高效方法 ```apdl ! 中面提取APDL命令流 MIDSURF, 1, 2, 3, 4 ! 1-实体,2-目标面,3-源面,4-厚度选项 MOPT, TOLER, 0.01 ! 设置几何容差 MSHCOPY, ALL ! 复制材料属性到中面 MSHAPE, 1, 2D ! 准备生成壳单元 ``` ### 三、关键技术要点 1. **厚度处理策略** - 变厚度壳体:使用`Thickness Map`导入厚度分布CSV文件 - 等厚度壳体:直接输入全局厚度值$t$[^4] 2. **收敛性增强** - 设置几何容差$ \delta \leq 0.5\% \times t_{min} $ - 启用`Augmented Lagrange`算法提高处理稳定性[^4] 3. **复杂结构处理** ```mathematica 1. 对多体部件执行"Split Body"分离不同厚度区域 2. 分段抽取后使用"Form New Part"合并 3. 圆角区域采用"Patch Independent"网格划分 ``` > **效率对比**: > | 方法 | 处理时间(典型件) | 成功率 | > |----------------|----------------|-------| > | 自动抽取 | 2-5分钟 | 85% | > | 手动面对 | 10-30分钟 | 98% | > | CAD软件预抽取 | 5-15分钟 | 100% | ### 四、最佳实践建议 1. **预处理优化** - 在CAD阶段预留抽壳特征(如SolidWorks的`抽壳`命令)[^5] - 导入时选择`Geometry Simplification`选项 2. **混合建模策略** - 主要区域用中面简化 - 关键连接部位保留实体(使用`Spot Weld`连接)[^1] 3. **验证步骤**: ```mathematica 1. 检查中面连续性(No Free Edges) 2. 厚度方向网格层数≥3 3. 对比实体/壳单元应力误差<5% ```
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