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材料力学仿真软件：Calculix_（16）.高级建模技巧

时间：2025-01-13 19:59:58浏览次数：3  
标签：仿真 材料力学 16 示例 网格 Calculix file 几何体

高级建模技巧

在材料力学仿真的领域中，高级建模技巧是提高仿真精度和效率的关键。本节将详细介绍如何在Calculix中运用这些技巧，包括复杂的几何建模、高级材料属性设置、边界条件的优化以及网格划分的策略。

在这里插入图片描述

复杂几何建模

1. 使用CAD工具导入复杂几何模型

在进行材料力学仿真时，复杂的几何模型往往难以直接在Calculix中构建。因此，使用专业的CAD工具（如SolidWorks、AutoCAD等）创建模型并导入Calculix是常见的做法。

1.1 导入步骤

  1. 创建几何模型：在CAD工具中创建所需的复杂几何模型。

  2. 导出模型文件：将模型导出为STP（STEP）或IGS（IGES）格式。

  3. 导入Calculix：使用Calculix的前处理工具（如CGX）导入模型文件。

1.2 示例

假设我们有一个复杂的齿轮模型，使用SolidWorks创建并导出为STEP文件。


# 使用CGX导入STEP文件

cgx -g model.step

导入后，可以使用CGX的命令进一步处理模型，如查看、修改几何体等。

2. 几何体的布尔运算

在Calculix中，可以通过布尔运算来组合或修改几何体，以便更精确地建模。

2.1 布尔运算命令

  • 合并：bmerge 命令用于合并多个几何体。

  • 切割：bcut 命令用于切割几何体。

  • 求交：bsect 命令用于求两个几何体的交集。

2.2 示例

假设我们有两个几何体，一个圆柱体和一个立方体，我们希望将这两个几何体合并成一个复杂的几何体。


# 创建圆柱体

body -cylinder 0 0 0 10 0 0 5 10



# 创建立方体

body -box -5 -5 0 5 5 10



# 合并两个几何体

bmerge 1 2

3. 曲面和曲线的精确建模

在某些情况下，精确的曲面和曲线建模对于仿真结果至关重要。Calculix提供了多种方法来实现这一点。

3.1 使用B样条曲线

B样条曲线可以用来创建平滑的曲线和曲面。


# 创建B样条曲线

spline -b 4

point 0 0 0

point 5 5 0

point 10 0 0

point 15 5 0
3.2 示例

假设我们需要创建一个平滑的曲面来模拟一个复杂的零件。


# 创建四个控制点

point 0 0 0

point 5 5 0

point 10 0 0

point 15 5 0



# 创建B样条曲线

spline -b 4



# 创建曲面

surf -spline 1 2 3 4

高级材料属性设置

1. 非线性材料属性

在许多材料力学仿真中，材料的非线性行为是不可忽略的。Calculix支持多种非线性材料模型，如塑性、超弹性等。

1.1 非线性材料定义

在Calculix的输入文件中，非线性材料属性可以通过*ELASTIC、*PLASTIC等关键字来定义。

1.2 示例

假设我们有一个材料，其弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为300 MPa，塑性硬化模量为1000 MPa。


*ELASTIC

210000., 0.3

*PLASTIC

300., 1000.

2. 温度依赖性材料属性

材料的属性可能会随温度变化，Calculix支持定义温度依赖性的材料属性。

2.1 温度依赖性材料定义

在输入文件中，可以通过*ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC, DEPENDENCIES=1来定义温度依赖性的材料属性。

2.2 示例

假设我们有一个材料，其弹性模量和泊松比随温度变化。


*ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC, DEPENDENCIES=1

210000., 0.3, 300.

200000., 0.3, 400.

190000., 0.3, 500.

3. 复合材料建模

复合材料在现代工程中应用广泛，Calculix支持复合材料的建模。

3.1 复合材料定义

在输入文件中，可以通过*ORIENTATION和*SOLID SECTION来定义复合材料的属性。

3.2 示例

假设我们有一个复合材料层合板，包含两层不同方向的纤维。


*ORIENTATION, NAME=ORI1, TYPE=SYSTEM, DEFINITION=ROTATION, SYSTEM=GLOBAL, ROTATION=45.

*ORIENTATION, NAME=ORI2, TYPE=SYSTEM, DEFINITION=ROTATION, SYSTEM=GLOBAL, ROTATION=-45.



*SOLID SECTION, ELSET=EALL, MATERIAL=COMPOSITE

1.0, ORI1, 1.0, ORI2

边界条件的优化

1. 非均匀边界条件

在某些仿真中，非均匀的边界条件可以更真实地反映实际工程情况。

1.1 非均匀边界条件定义

在输入文件中，可以通过*BOUNDARY关键字来定义非均匀边界条件。

1.2 示例

假设我们在一个圆柱体的表面施加一个随角度变化的非均匀载荷。


*BOUNDARY

1, 1, 1, 100.

2, 1, 1, 200.

3, 1, 1, 150.

2. 动态边界条件

动态边界条件用于模拟随时间变化的载荷或约束。

2.1 动态边界条件定义

在输入文件中，可以通过*AMPLITUDE关键字来定义动态边界条件的时间变化函数。

2.2 示例

假设我们需要施加一个随时间变化的正弦波载荷。


*AMPLITUDE, NAME=SIN1, TIME=TOTAL TIME

0., 0.

1., 100.

2., 0.



*BOUNDARY, AMPLITUDE=SIN1

1, 1, 1, 100.

网格划分的策略

1. 自适应网格划分

自适应网格划分可以根据仿真结果的需要动态调整网格的密度，以提高仿真精度和效率。

1.1 自适应网格划分命令

在CGX中，可以使用arefo命令进行自适应网格划分。

1.2 示例

假设我们有一个复杂几何体，需要在某些区域进行更细的网格划分。


# 选择需要细化的区域

fset 1



# 进行自适应网格划分

arefo 1 0.5

2. 网格质量优化

高质量的网格可以显著提高仿真的精度和稳定性。

2.1 网格质量指标

常用的网格质量指标包括歪斜度、雅可比比值等。

2.2 网格质量优化命令

在CGX中，可以使用chqual命令来检查和优化网格质量。

2.3 示例

假设我们已经生成了一个网格，需要检查其质量并进行优化。


# 检查网格质量

chqual 1



# 优化网格质量

chqual 1, 0.8

3. 网格对称性

利用对称性可以减少计算量，提高仿真效率。

3.1 网格对称性命令

在CGX中，可以使用symm命令来生成对称网格。

3.2 示例

假设我们有一个对称的几何体，需要生成对称网格。


# 选择对称的面

fset 1



# 生成对称网格

symm 1

宏命令和批处理

1. 宏命令的使用

宏命令可以简化重复操作，提高建模效率。

1.1 宏命令定义

在CGX中，可以使用macro命令来定义宏。

1.2 示例

假设我们需要创建多个相同的小几何体。


# 定义宏

macro -name=create_small_body

body -box 0 0 0 1 1 1



# 调用宏

create_small_body

create_small_body

create_small_body

2. 批处理脚本

批处理脚本可以自动化建模和仿真过程。

2.1 批处理脚本定义

在CGX中，可以使用批处理脚本来执行一系列命令。

2.2 示例

假设我们需要自动化创建一个几何体并生成网格。


# 批处理脚本

macro -name=create_and_mesh

body -box 0 0 0 10 10 10

mesh -all



# 调用批处理脚本

create_and_mesh

二次开发技巧

1. 使用Python进行二次开发

Python是一种强大的脚本语言，可以用于Calculix的二次开发，自动化建模和后处理。

1.1 Python二次开发步骤

  1. 安装必要的库：如numpy、pandas等。

  2. 编写Python脚本：使用Python脚本调用Calculix命令或处理仿真结果。

  3. 运行脚本：在命令行中运行Python脚本。

1.2 示例

假设我们需要编写一个Python脚本来自动化创建多个几何体并生成网格。


import subprocess



def create_and_mesh(body_type, dimensions):

    # 创建几何体

    commands = [

        f"body -{body_type} {dimensions}",

        "mesh -all"

    ]

    script = "\n".join(commands)

    

    # 将命令写入批处理文件

    with open("script.fbd", "w") as file:

        file.write(script)

    

    # 运行CGX批处理文件

    subprocess.run(["cgx", "-g", "script.fbd"])



# 创建多个几何体

create_and_mesh("box", "0 0 0 10 10 10")

create_and_mesh("cylinder", "0 0 0 10 0 0 5 10")

2. 使用C++进行二次开发

C++是另一种强大的编程语言，可以用于更深层次的Calculix二次开发，如添加新的材料模型或求解算法。

2.1 C++二次开发步骤

  1. 安装开发工具：如GCC、CMake等。

  2. 编写C++代码：实现新的功能或算法。

  3. 编译和链接：将C++代码编译并链接到Calculix。

2.2 示例

假设我们需要编写一个C++函数来实现一个新的材料模型。


#include <iostream>

#include <string>

#include <iomanip>

#include <fstream>



// 新材料模型的定义

void define_new_material_model(std::ofstream &input_file, const std::string &material_name, double E, double nu, double yield_strength, double hardening_modulus) {

    input_file << "*ELASTIC" << std::endl;

    input_file << E << ", " << nu << std::endl;

    input_file << "*PLASTIC" << std::endl;

    input_file << yield_strength << ", " << hardening_modulus << std::endl;

}



int main() {

    // 打开Calculix输入文件

    std::ofstream input_file("new_material_model.inp");

    

    // 定义新材料模型

    define_new_material_model(input_file, "NEW_MATERIAL", 210000.0, 0.3, 300.0, 1000.0);

    

    // 关闭文件

    input_file.close();

    

    return 0;

}

3. 使用Fortran进行二次开发

Fortran是科学计算的经典语言，也可以用于Calculix的二次开发。

3.1 Fortran二次开发步骤

  1. 安装Fortran编译器：如gfortran。

  2. 编写Fortran代码：实现新的功能或算法。

  3. 编译和链接：将Fortran代码编译并链接到Calculix。

3.2 示例

假设我们需要编写一个Fortran子程序来处理仿真结果。


program process_results

    implicit none

    character(len=100) :: filename

    real, dimension(:), allocatable :: displacements

    integer :: i, num_nodes, file_unit



    ! 读取仿真结果文件

    filename = "results.dat"

    open(newunit=file_unit, file=filename, status="old")



    ! 读取节点数量

    read(file_unit, *) num_nodes

    allocate(displacements(num_nodes))



    ! 读取节点位移

    do i = 1, num_nodes

        read(file_unit, *) displacements(i)

    end do



    close(file_unit)



    ! 处理仿真结果

    do i = 1, num_nodes

        displacements(i) = displacements(i) * 1.1  ! 假设我们需要将位移数据放大10%

    end do



    ! 写入新的结果文件

    open(newunit=file_unit, file="processed_results.dat", status="replace")

    write(file_unit, *) num_nodes

    do i = 1, num_nodes

        write(file_unit, *) displacements(i)

    end do



    close(file_unit)



    deallocate(displacements)

end program process_results

4. 使用MATLAB进行后处理

MATLAB是一种强大的数学计算工具，可以用于Calculix的后处理。

4.1 MATLAB后处理步骤

  1. 安装MATLAB。

  2. 编写MATLAB脚本：读取Calculix结果文件并进行数据处理。

  3. 运行脚本：在MATLAB中运行脚本。

4.2 示例

假设我们需要编写一个MATLAB脚本来读取位移数据并绘制位移图。


% 读取位移数据

filename = 'results.dat';

data = importdata(filename);



% 提取节点数量和位移数据

num_nodes = data(1);

displacements = data(2:end);



% 绘制位移图

figure;

plot(displacements, 'o-');

xlabel('Node Number');

ylabel('Displacement (mm)');

title('Displacement Results');

结合高级建模技巧和二次开发

1. 综合示例：复杂零件的仿真

假设我们需要对一个复杂的齿轮进行材料力学仿真，包括导入几何模型、定义非线性材料属性、施加动态边界条件、生成高质量网格，并使用Python脚本自动化整个过程。

1.1 几何模型导入

首先，使用专业的CAD工具创建齿轮模型并导出为STEP文件。然后，使用Calculix的前处理工具CGX导入该模型文件。


# 使用CGX导入STEP文件

cgx -g gear.step
1.2 材料属性定义

在导入几何模型后，需要定义材料属性。假设齿轮材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为300 MPa，塑性硬化模量为1000 MPa。


*ELASTIC

210000., 0.3

*PLASTIC

300., 1000.
1.3 动态边界条件定义

为了更真实地模拟实际工程情况，我们可以施加一个随时间变化的正弦波载荷。


*AMPLITUDE, NAME=SIN1, TIME=TOTAL TIME

0., 0.

1., 100.

2., 0.



*BOUNDARY, AMPLITUDE=SIN1

1, 1, 1, 100.
1.4 网格划分

接下来，对齿轮模型进行网格划分。为了提高仿真精度和效率，我们可以使用自适应网格划分和网格质量优化。


# 选择需要细化的区域

fset 1



# 进行自适应网格划分

arefo 1 0.5



# 检查网格质量

chqual 1



# 优化网格质量

chqual 1, 0.8



# 生成网格

mesh -all
1.5 Python脚本自动化

最后，使用Python脚本自动化上述过程，包括几何模型导入、材料属性定义、动态边界条件定义和网格划分。


import subprocess



def create_and_mesh():

    # 创建几何体

    commands = [

        "cgx -g gear.step",

        "fset 1",

        "arefo 1 0.5",

        "chqual 1",

        "chqual 1, 0.8",

        "mesh -all"

    ]

    script = "\n".join(commands)

    

    # 将命令写入批处理文件

    with open("gear_script.fbd", "w") as file:

        file.write(script)

    

    # 运行CGX批处理文件

    subprocess.run(["cgx", "-g", "gear_script.fbd"])



def define_material_properties():

    # 定义材料属性

    with open("gear_material.inp", "w") as file:

        file.write("*ELASTIC\n")

        file.write("210000., 0.3\n")

        file.write("*PLASTIC\n")

        file.write("300., 1000.\n")



def define_boundary_conditions():

    # 定义动态边界条件

    with open("gear_boundary.inp", "w") as file:

        file.write("*AMPLITUDE, NAME=SIN1, TIME=TOTAL TIME\n")

        file.write("0., 0.\n")

        file.write("1., 100.\n")

        file.write("2., 0.\n")

        file.write("*BOUNDARY, AMPLITUDE=SIN1\n")

        file.write("1, 1, 1, 100.\n")



def run_simulation():

    # 运行仿真

    subprocess.run(["ccx", "gear"])



def main():

    create_and_mesh()

    define_material_properties()

    define_boundary_conditions()

    run_simulation()



if __name__ == "__main__":

    main()

2. 综合示例：复合材料层合板的仿真

假设我们需要对一个复合材料层合板进行仿真，包括定义复合材料属性、施加非均匀边界条件、生成对称网格，并使用批处理脚本自动化整个过程。

2.1 复合材料属性定义

首先，定义复合材料的属性，包括不同方向的纤维层。


*ORIENTATION, NAME=ORI1, TYPE=SYSTEM, DEFINITION=ROTATION, SYSTEM=GLOBAL, ROTATION=45.

*ORIENTATION, NAME=ORI2, TYPE=SYSTEM, DEFINITION=ROTATION, SYSTEM=GLOBAL, ROTATION=-45.



*SOLID SECTION, ELSET=EALL, MATERIAL=COMPOSITE

1.0, ORI1, 1.0, ORI2
2.2 非均匀边界条件定义

施加一个随角度变化的非均匀载荷。


*BOUNDARY

1, 1, 1, 100.

2, 1, 1, 200.

3, 1, 1, 150.
2.3 网格划分

生成对称网格以减少计算量。


# 选择对称的面

fset 1



# 生成对称网格

symm 1
2.4 批处理脚本自动化

使用批处理脚本将上述步骤自动化。


# 批处理脚本

macro -name=create_and_mesh_composite

body -box 0 0 0 10 10 10

fset 1

symm 1

mesh -all



create_and_mesh_composite



*ORIENTATION, NAME=ORI1, TYPE=SYSTEM, DEFINITION=ROTATION, SYSTEM=GLOBAL, ROTATION=45.

*ORIENTATION, NAME=ORI2, TYPE=SYSTEM, DEFINITION=ROTATION, SYSTEM=GLOBAL, ROTATION=-45.



*SOLID SECTION, ELSET=EALL, MATERIAL=COMPOSITE

1.0, ORI1, 1.0, ORI2



*BOUNDARY

1, 1, 1, 100.

2, 1, 1, 200.

3, 1, 1, 150.

3. 综合示例：温度依赖性材料的仿真

假设我们需要对一个温度敏感的材料进行仿真，包括导入几何模型、定义温度依赖性材料属性、施加非均匀载荷，并使用C++脚本自动化整个过程。

3.1 几何模型导入

使用CGX导入几何模型文件。


# 使用CGX导入STEP文件

cgx -g thermal_piece.step
3.2 温度依赖性材料属性定义

定义材料的温度依赖性属性。


*ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC, DEPENDENCIES=1

210000., 0.3, 300.

200000., 0.3, 400.

190000., 0.3, 500.
3.3 非均匀边界条件定义

施加一个随温度变化的非均匀载荷。


*BOUNDARY

1, 1, 1, 100.

2, 1, 1, 200.

3, 1, 1, 150.
3.4 C++脚本自动化

编写C++脚本来自动化上述过程。


#include <iostream>

#include <string>

#include <iomanip>

#include <fstream>

#include <cstdlib>



void create_and_mesh(const std::string &filename) {

    // 创建几何体

    std::ofstream script_file("thermal_script.fbd");

    script_file << "cgx -g " << filename << "\n";

    script_file << "fset 1\n";

    script_file << "arefo 1 0.5\n";

    script_file << "chqual 1\n";

    script_file << "chqual 1, 0.8\n";

    script_file << "mesh -all\n";

    script_file.close();

    

    // 运行CGX批处理文件

    std::string command = "cgx -g thermal_script.fbd";

    std::system(command.c_str());

}



void define_material_properties() {

    // 定义材料属性

    std::ofstream input_file("thermal_material.inp");

    input_file << "*ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC, DEPENDENCIES=1\n";

    input_file << "210000., 0.3, 300.\n";

    input_file << "200000., 0.3, 400.\n";

    input_file << "190000., 0.3, 500.\n";

    input_file.close();

}



void define_boundary_conditions() {

    // 定义非均匀边界条件

    std::ofstream input_file("thermal_boundary.inp");

    input_file << "*BOUNDARY\n";

    input_file << "1, 1, 1, 100.\n";

    input_file << "2, 1, 1, 200.\n";

    input_file << "3, 1, 1, 150.\n";

    input_file.close();

}



void run_simulation() {

    // 运行仿真

    std::string command = "ccx thermal";

    std::system(command.c_str());

}



int main() {

    create_and_mesh("thermal_piece.step");

    define_material_properties();

    define_boundary_conditions();

    run_simulation();

    

    return 0;

}

结尾

通过以上内容，您应该能够掌握在Calculix中进行高级建模技巧和二次开发的方法。这些技巧和方法不仅可以提高仿真的精度和效率，还能帮助您更好地应对复杂的工程问题。希望这些内容对您的工作有所帮助，祝您在材料力学仿真领域取得更大的进展。

标签：仿真,材料力学,16,示例,网格,Calculix,file,几何体
From： https://blog.csdn.net/weixin_42749425/article/details/145122472

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