ANSYS的網(wǎng)格劃分在工程實(shí)例上的應(yīng)用

1、機(jī)械2007年第9 期 總第34 卷計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 37收稿日期： 20070328 作者簡(jiǎn)介： 由美雁（ 1976） ，女，遼寧沈陽人，東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)在讀博士，主要從事有限元分析和系統(tǒng)可靠性的研究。ansys 的網(wǎng)格劃分在工程實(shí)例上的應(yīng)用 由美雁，謝里陽（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110004）摘要 ：利用有限元分析軟件ansys 在求解復(fù)雜工程問題時(shí)，常常主要時(shí)間花費(fèi)在對(duì)分析對(duì)象的離散化和求解結(jié)果的處理上，網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，也是影響分析精度和求解規(guī)模的一個(gè)因素。對(duì)ansys 軟件網(wǎng)格劃分的主要方法和技巧結(jié)合工程實(shí)例來進(jìn)行探討，給出不同網(wǎng)格劃分方法的適

2、應(yīng)范圍、應(yīng)用特點(diǎn)和注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞 ：ansys ；網(wǎng)格劃分；有限元模型；映射網(wǎng)格；體掃掠網(wǎng)格中圖分類號(hào)： tp391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： a 文章編號(hào)： 10060316（2007）09003704 dividing the mesh and applications in engineering using ansys you mei-yan ，xie li-yang （school of mechanical engineering and automation northeastern university，shenyang 110004，china ）abstract ：it alwa

3、ys takes more time to analyze the discrete degree of object and to confirm the computational results while using the ansys software of finite element analysis （fea ） on solving complex engineering problem. mesh dividing that often affects analysis precision and the scale of solution is the very impo

4、rtant assignment and project required in fea. therefore， this study with some examples is performed to discuss the way that divide mesh in ansys software and put forward application scope and features and remarkable note for dividing different mesh 。key words ：ansys ；mesh dividing ；finite element mo

5、de；mesh map；swept mesh entities ansys 軟件對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格常占分析的大部分時(shí)間，也是分析的關(guān)鍵步驟，文中通過工程實(shí)例對(duì)創(chuàng)建有限元模型進(jìn)行研究探討。1 對(duì)幾何模型進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分工 程 上 常 要 進(jìn) 行 關(guān) 于 齒 輪 的 分 析， 直 接 在ansys 中精確建立齒輪的齒廓線比較困難，可以利用 cad 軟件來建立齒輪模型或幾個(gè)齒輪的裝配模型，然后利用 ansys 的多種 cad 軟件的數(shù)據(jù)接口將 cad 模型導(dǎo)入 ansys 中。例如，對(duì)兩個(gè)直齒齒輪進(jìn)行接觸分析， 可利用 caxa 軟件中直接生成齒輪的功能來繪制齒輪的齒廓，把這齒廓的二維圖形在 cax

6、a 中存儲(chǔ)成 iges 文件格式，再利用 ansys軟件的 iges 文件接口導(dǎo)入iges 幾何文件。導(dǎo)入ansys 軟件中的是齒輪的輪廓線，再由線生成面，見圖 1 所示。為提高齒輪接觸分析的精度，將圖1 的齒輪面進(jìn)行圖 2 所示的分割，以劃分出規(guī)則的四邊形網(wǎng)格。選用 plane82 單元對(duì)分割后的齒輪面進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。對(duì)面進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分要滿足面包含3 或 4 條線的條件，對(duì)于多于4 條線的面可以進(jìn)行線的連接來降低線的數(shù)量。例如圖2 中的面 1 是 5條線， 用 lccat 命令將圖 3 所示的線 1 和線 2 進(jìn)行連接，就可劃分成圖4 所示的映射網(wǎng)格。圖 1 齒輪面圖 2 分割后的齒輪面

7、圖 3 面 1 圖 4 面 1 的映射網(wǎng)格對(duì)齒輪進(jìn)行接觸分析主要關(guān)心齒輪齒部和齒根部分的應(yīng)力狀況， 可對(duì)齒輪輪輻部分網(wǎng)格劃分疏些，面 1 面 2 1238計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械2007年第9 期 總第34 卷減少單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量以提高運(yùn)算速度和減小運(yùn)算規(guī)模。如對(duì)圖 2 的面 2 進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，對(duì)圖5 的面 2 的四條邊控制劃分份數(shù)，要求滿足n2=n4，且n1 與 n3差為偶數(shù)，設(shè)置 n2=n414， n17， n33，即可劃分成圖 6 所示的一邊疏一邊密的映射網(wǎng)格。圖 5 邊劃分份數(shù)圖 6 面 2 的映射網(wǎng)格對(duì)齒輪各個(gè)面進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分后見圖7 所示，實(shí)現(xiàn)了齒輪和齒根部分網(wǎng)格較密，齒輪輪輻部分

8、較疏的規(guī)則四面形網(wǎng)格劃分目的。2 對(duì)幾何模型進(jìn)行體掃掠網(wǎng)格劃分許多 ansys 參考書中關(guān)于軸承座的例子里對(duì)軸承座都是進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格都是四面體單元，見圖8 所示。若對(duì)軸承座進(jìn)行圖9 所示的分割后，可以實(shí)現(xiàn)用 solid95 單元進(jìn)行體掃掠網(wǎng)格劃分，生成的都是六面體單元，見圖10 所示。圖 7 齒輪映射網(wǎng)格圖 8 軸承座的自由網(wǎng)格圖 9 分割后的軸承座模型圖 10 軸承座的六面體網(wǎng)格注意：劃分體掃掠網(wǎng)格要求幾何模型具有一對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的源面和目標(biāo)面（源面和目標(biāo)面允許形狀不同， 但有可能導(dǎo)致體掃掠失敗） ，并且源面與目標(biāo)面的對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)之間用一條棱線相連接。不滿足上述要求的幾何模型，可利

9、用ansys 的布爾運(yùn)算，將幾何模型分割成相互連接的若干小實(shí)體，使這些小實(shí)體滿足體掃掠網(wǎng)格劃分要求。3 利用 mesh200 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分ansys 軟件中的 mesh200 單元是專門用于劃分網(wǎng)格的輔助單元，僅用來劃分網(wǎng)格的單元，它對(duì)計(jì)算結(jié)果毫無影響。 mesh200 單元可以與任意其它單元一起使用。它不具有自由度、材料特性、實(shí)常數(shù)或荷載。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片的榫槽結(jié)構(gòu)不是規(guī)則的幾何形狀（圖11 所示） ，要對(duì)其劃分規(guī)則的六面體單元，可以借助mesh200 單元先劃分面，然后對(duì)體進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分。 為精確分析榫槽應(yīng)力，選擇劃分實(shí)體的單元為20 節(jié)點(diǎn)的 solid95 單元，對(duì) 應(yīng) 劃

10、分 面 的mesh200 單 元 設(shè) 置 其 單 元 的keyopt（1）=7，即 mesh200 單元是八個(gè)節(jié)點(diǎn)的四邊形單元。劃分單元時(shí)，先進(jìn)行總體單元大小控制，設(shè)置總體尺寸為4 mm，榫槽槽底圓弧處是應(yīng)力集中部位，要對(duì)圓弧處劃分較細(xì)的網(wǎng)格，對(duì)4 個(gè)圓弧線進(jìn)行線劃分單元數(shù)控制，設(shè)置圓弧線劃分為11份。選擇mesh200 單元對(duì)除榫槽兩個(gè)端面外的其他面進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，見圖12 所示。圖 11 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的榫槽圖 12 面的映射網(wǎng)格選擇 solid95 單元，對(duì)榫槽進(jìn)行體掃掠網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格見圖13 所示。對(duì)劃分網(wǎng)格后的榫槽就可施加載荷和邊界條件進(jìn)行計(jì)算，mesh200 單元就不再需要它

11、，可以將其刪除（清除）或者保留，它的存在不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。圖 13 榫槽六面體網(wǎng)格注意：設(shè)置 mesh200 單元屬性時(shí)選擇它的節(jié)點(diǎn)分布要與選擇的實(shí)體單元相一致。4 對(duì)幾何模型進(jìn)行拖拉網(wǎng)格劃分拖拉網(wǎng)格是在采用拖拉操作創(chuàng)建幾何模型的同時(shí)獲得拖拉網(wǎng)格的模型。拖拉創(chuàng)建網(wǎng)格的步驟是先定義實(shí)體單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性等基本網(wǎng)格屬性，還得定義mesh200 單元并設(shè)置為三角形或四邊形單元， 用于劃分面網(wǎng)格。 創(chuàng)建好拖拉的源面、拖拉路徑線或旋轉(zhuǎn)的軸線等基本拖拉要素。利用n1n2n3n4機(jī)械2007年第9 期 總第34 卷計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 39mesh200 單元給源面劃分面單元。 設(shè)置當(dāng)前拖拉的網(wǎng)格屬性，如

12、果拖拉關(guān)鍵點(diǎn)則劃分點(diǎn)網(wǎng)格，拖拉線則劃分線網(wǎng)格，拖拉面則劃分面網(wǎng)格。最后執(zhí)行拖拉操作。對(duì)一磁體（見圖14 所示）進(jìn)行電磁場(chǎng)的分析，對(duì)該幾何體就可進(jìn)行拖拉網(wǎng)格劃分。首先建立磁體中截面，并對(duì)中截面進(jìn)行圖15 所示的分割。圖 14 磁體幾何模型圖 15 磁體中截面設(shè)置 mesh200 單元的 keyopt（1）6，是四個(gè)節(jié)點(diǎn)的四邊形單元，對(duì)磁體中截面進(jìn)行總體單元控制，設(shè)置總體單元尺寸為30 mm，用映射網(wǎng)格劃分后的磁體中截面見圖16 所示。設(shè)置拖拉的體單元為 solid45 單元，設(shè)置拖拉的網(wǎng)格屬性為沿著拖拉的徑向方向設(shè)置拖拉份數(shù)為10 份， 然后執(zhí)行把圖16 的源面沿著源面徑向拖拉，生成圖17 所示

13、網(wǎng)格。圖 16 中截面映射網(wǎng)格圖 17 拖拉網(wǎng)格圖5 對(duì)幾何模型進(jìn)行過渡網(wǎng)格劃分對(duì)幾何體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分生成的都是四面體單元，這雖很容易實(shí)現(xiàn)但劃分的網(wǎng)格結(jié)果在某些情況下并不滿意，對(duì)體進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分生成的都是六面體單元，但有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)?？蓪缀误w進(jìn)行切割，一部分進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，另一部分進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格之間的過渡區(qū)生成金字塔單元。某發(fā)動(dòng)機(jī)中的葉片，可將葉片分成圖 18 所示的三個(gè)部分，選用solid95 單元對(duì)第一和第三個(gè)部分進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，對(duì)第二部分進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。 生成網(wǎng)格見圖 19 所示。要將退化的四面體單元轉(zhuǎn)換成真實(shí)的四面體單元，執(zhí)行tchg 命令將sol

14、id95 單元轉(zhuǎn)化成10 節(jié)點(diǎn)的solid92 四面體單元，轉(zhuǎn)變結(jié)果見圖20 所示。注意：六面體單元和四面體單元間的過渡區(qū)生成金字塔形單元，要求：必須有六面體網(wǎng)格（至少在交界面上有四邊形網(wǎng)格） 。 網(wǎng)格劃分器首先生成四面體單元，然后通過組合或重新組織過渡區(qū)的四面體單元形成金字塔形單元。僅適用于既支持金字塔形又支持四面體形狀的單元類型。圖 18 葉片圖 19 葉片的有限元模型圖 20 單元轉(zhuǎn)變后的結(jié)果顯示6 具有多種單元屬性的幾何模型網(wǎng)格劃分對(duì)于復(fù)雜工程問題的幾何模型常常包含多種單元屬性，要給單元指定合適的屬性，有以下3 種途徑來實(shí)現(xiàn)：在網(wǎng)格劃分前為實(shí)體模型指定屬性；在網(wǎng)格劃分前對(duì)單元類型、實(shí)常

15、數(shù)和材料特性進(jìn)行總體的設(shè)置；在網(wǎng)格劃分后修改單元屬性。圖 21所示的布有橫向和縱向加強(qiáng)筋的真空罐，罐體和筋都用殼單元shell181 來模擬，罐體、橫筋和縱筋的厚度不同，就要賦予shell181 單元不同的實(shí)常數(shù)。建立真空罐的模型可先建立如圖22 所示的一部分模型，然后把這部分模型在笛卡兒坐標(biāo)的 y方向拷貝 8 份，在柱坐標(biāo)的 y 方向拷貝 24 份。在拷貝之前要先給模型的罐體、橫筋和縱筋分配好單元實(shí)常數(shù)，這樣拷貝之后整個(gè)模型不同厚度就都分配好了。圖 21 真空罐模型圖 22 真空罐部分模型第一部分第二部分第三部分（下轉(zhuǎn)第 50 頁）50計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械2007年第9 期 總第34 卷表

16、1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型與計(jì)算值比較泵閥直徑 (m) 泵閥夾角 ( ) 連桿長(zhǎng)度 (m) 彈簧剛度 (n/m) 目標(biāo)函數(shù)理論計(jì)算值（h）目標(biāo)函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)值（h）0.112 65 0.58 8.2 512325 513122 0.115 72 0.52 8.4 499032 498199 0.12 68 0.49 7.8 505293 513789 0.117 73 0.48 8.0 520784 500792 0.116 62 0.46 8.9 518054 517945 0.111 70 0.51 9.0 499876 499879 0.115 65 0.49 7.7 500765 500568

17、 0.113 72 0.51 8.0 502675 502076 表 2 優(yōu)化后結(jié)果與原設(shè)計(jì)值比較參數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后泵閥直徑（m）0.113 0.115 泵閥夾角（ ）60 68 彈簧剛度（n/m）8.98 9.2 連桿長(zhǎng)度（m）0.46 0.42 泵效69% 78% h1 50768 48235 h2 128 110 4 結(jié)論本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在壓裂泵系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，利用單元尺寸和系統(tǒng)輸出結(jié)果，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，建立起壓裂泵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。由以上系統(tǒng)模型求解，可得到一系列單元尺寸和系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)的離散數(shù)值對(duì)應(yīng)，為 700型壓裂泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基本尺寸。參考文獻(xiàn)：1華東石油學(xué)院礦機(jī)教

18、研室，編. 石油鉆采機(jī)械 m. 北京：石油工業(yè)出版社， 1980. 2楊冰 . 實(shí)用最優(yōu)化方法及計(jì)算機(jī)程序m. 哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1994. 3焦李成 . 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論m. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1992. 4馮昭志 . 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速學(xué)習(xí)算法及其實(shí)現(xiàn)研究. 武漢：華中理工大學(xué)博士論文， 1994. 5黃洪鐘，黃文培，等. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用與展望.機(jī)j. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1995，（4）：97103. 6黃文培，黃洪鐘，等. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化問題的分解算法 j. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 1997，33（4）： 3137.注意：拷貝完成后，各個(gè)面之間是沒有聯(lián)系的，執(zhí)行 nummrg ，all 命令來進(jìn)行點(diǎn)、 線和面的合并。為加快計(jì)算，執(zhí)行