前處理

前處理主要的分析流程包含定義元素的屬性(Element Attributes)，建立實體模型(Solid Modeling)，網格劃分

( Meshing ) 。

一、定義元素的屬性(Element Attributes)

元素的選取應用是一開始就要決定的，但往往是最難的動作。而 元素的種類又可分為點元素，例如 MASS21。它是以質量點來代替物 理系統中各部份，如此即可簡化元素的使用。線元素，線元素又包含 了樑元素、管元素、Link 元素，例如 Beam3、Beam54、Pipe16、Link1。

其中 Link 元素同時又可用來使用 Cable 等相關結構。薄殼元素，例 如 Shell63、Shell191。使用的概念理論包含了薄殼、薄膜及厚板等 相關理論。再來就是體積元素，例如 Solid45、Solid95。只要將模 型的體積是當切割，就可將體積格點化。

元素選定後，即可開始定義它的材料性質(material

property )，一開始是以線性材料為主要考量，反之就必須以非線性 的模式重新設定。

本文使用 SHELL63 元素，因為它支援線性彈性的材料模式，這是 ANSYS 的古典板殼元素。雖然 SHELL63 是 2D 的幾何形狀，但是它是 佈置在 3D 的空間中，所以板殼結構分析是 3D 的問題而不是 2D 的問 題。SHELL63 元素描述

圖 6. SHELL63 Element

SHELL63 有 4 個節點（I, J, K, L），每個節點有 6 個自由度：3 個位 移（UX, UY, UZ）及 3 個轉角（ROTX, ROTY, ROTZ），所以一個元素 共有 24 個自由度。若 K、L 兩個節點重疊在一起時，它就退化成一個 三角形，如圖 1.右圖所示。I-J-K-L 四個節點假設是共平面，若不共 平面則以一最接近的平面來「修正」這四個節點。

SHELL63 的元素座標系統表示在圖 1.中，原點是在 I 節點上，X 軸和 I-J 邊可以有一角度差（THETA，可以透過 R 命令輸入），X-Y 平面是 在 I-J-K-L 四個節點所定義的平面上，Z 軸則由右手規則依 I-J-K-L 順序決定。如果要指定 surface force 時，可以參照 6 個面，其編號 如圖所示，作用在第 1、2 面的力稱為 out-of-plane force，作用在 第 3、4、5、6 面（邊）的力稱為 in-plane force。當你指定壓力作 用在第 1 個面時，力量是從下面往上（+Z 方向），若是壓力作用在第

2 個面則是由上面往下（-Z 方向）。

COMBIN14 彈簧元素描述

圖 7. COMBIN14 Element

COMBIN14（圖 2.）可以用來表示連結兩個節點間的彈簧及阻尼（兩 者同時存在或只有其中之一），其中彈簧或阻尼可以是縱向

(longitudinal)或旋轉(rotational)。Figure 13-3 左圖是一組縱向 彈簧及阻尼，右圖則是旋轉彈簧及阻尼。一個彈簧是以彈簧常數 (spring constant)表示其性能，而阻尼則以阻尼係數(damping coefficient)表示其性能。其中彈簧常數的 SI 單位是 N/m 或 N-m/radian，阻尼係數的 SI 單位是 N-s/m 或 N-m-s/radian。

COMBIN14 在縱向和扭轉有 1-D、 2-D、或 3-D 的應用。縱向 的彈簧阻尼選項為一個單軸的拉壓元素，且在每一個點有三個自由 度：轉變成點 x、y、z 三個方向。彎曲和扭轉不在此考慮。扭轉彈簧

阻尼選項為一個純扭轉元素且每個點有三個自由度：分別對 x、y、z 三 個軸旋轉。在此不考慮彎曲和軸向力。此彈簧組尼元素是沒有質量的。

質量可以介由 MASS21 被加上。彈簧和阻尼可以從元素上面被移除。

二、建立實體模型(Solid Modeling )

建構模型主要可以使用三種方法來建構，利用指令的方式來建 構、利用 GUI 介面來建構、利用 CAD 軟體來建構。

(1)以指令方式建構模型:

以指令的方式來輸入，例如要建立一個環狀圓板。以環狀圓板中 心點之 X、Y 座標（XC，YC）為基準，RAD1，RAD2 為圓柱之內外半徑，

THETA1，THETA2 為圓柱之起啟，終結角度 。圓柱的高度為 DEPTH，

而當 DEPTH＝0 時 則產生一塊圓形面積。輸入指令的格式為[CYL4, XCENTER, YCENTER, RAD1, THETA1, RAD2, THETA2, DEPTH ]。指令 也可以全部建好在文字檔案裡，修改時也較方便。好處是可以透過指 令直接改變幾何，缺點是要非常了解其建模指令。

(2)利用 GUI 介面來建構模型:

即以[ Main > Preprocessor > Modeling > Create ] 的方式 來建構，可分為從上而下（top-down）以及由下而上（bottom -up）

兩種模式。從上而下（top-down）的做法必須先建立基礎幾何單元，

如四方體、圓柱等。再將這些基礎單元透過布林運算（Boolean operation） 的技巧組合起來。至於由下而上（bottom -up）的做法 則是先建立結構物上的重要關鍵點，再將點連成線，線再連成面，而 後面再合成一個體積，最後亦需透過布林運算完成實體模型，此方法 的好處就是可以直接在介面上建構模型，缺點是比較複雜的模型不易 建構。

(3)利用 CAD 軟體來建構模型:

可利用 CAD 軟體例如 AutoCad、Solid works 等繪圖軟體來建構 模型，可經由 IGES、SAT、PARA 等轉換的方式匯入，可以說是相當 方便。此方法的好處是較複雜的結構幾何易構建。

三、網格劃分(Meshing)

即[Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool]，其方 法分為自由網格（free mesh）與規則網格（mapped mesh）兩種。自

由網格的限制比較少，規則網格法則有較多條件限制，其模形的幾何 體積必須符合一定的要求，否則將無法網格化，因此需花費較多時間 將實體模型作細部分割。至於規則網格化之計算果較自由網格法準 確。