ANSYS網(wǎng)格劃分淺談

1、精品文檔下載可編輯ANSY的格劃分淺談在本學(xué)期，我們學(xué)習(xí)了 CAX這門課程。通過對這一門課程 8周的學(xué)習(xí)使我 對本模塊的認(rèn)識和了解有了一種新的看法。在老師的認(rèn)真教育和帶領(lǐng)下把我們引 入了一個新的領(lǐng)域。在CAX這個領(lǐng)域中包括CAD CAM CAE CAPP等的各項(xiàng)技 術(shù)，這些技術(shù)都是將理論知識和計(jì)算機(jī)輔助集合在一起的新興工業(yè)工程技術(shù)，是要將理論和實(shí)踐的學(xué)科。在下面我主要將我這段學(xué)習(xí)期間對于 ANSYS軟件的學(xué) 習(xí)中關(guān)于有限元網(wǎng)格劃分的一些認(rèn)識和經(jīng)驗(yàn)做個報(bào)告總結(jié)。1、ANSYS3格劃分簡述ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通 用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟

2、件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù) CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等, 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè) 計(jì)中的高級CAD工具之一。ANSYS有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響 著后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性。 在劃分網(wǎng)格前，用戶首先需要對模型中將要 用到的單元屬性進(jìn)行定義。在 ANSYS中，大家知道，網(wǎng)格劃分有三個步驟：定 義單元屬性（包括實(shí)常數(shù)）、在幾何模型上定義網(wǎng)格屬性、劃分網(wǎng)格。單元屬性 主要包括：單元類型、實(shí)常數(shù)、材料常數(shù)。典型的實(shí)常數(shù)包括：厚度、橫截面面 積、高度、梁

3、的慣性矩等。材料屬性包括：彈性模量、泊松比、密度、熱膨脹系 數(shù)等。ANSY制格劃分的指導(dǎo)思想是首先進(jìn)行總體模型規(guī)劃，包括物理模型的構(gòu) 造、單元類型的選擇、網(wǎng)格密度的確定等多方面的內(nèi)容。在網(wǎng)格劃分和初步求解 時，做到先簡單后復(fù)雜，先粗后精，2D單元和3D單元合理搭配使用。為提高求 解的效率要充分利用重復(fù)與對稱等特征，由于工程結(jié)構(gòu)一般具有重復(fù)對稱或軸對 稱、鏡象對稱等特點(diǎn)，采用子結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ模型可以提高求解的效率和精度。利用軸對稱或子結(jié)構(gòu)時要注意場合，在進(jìn)行模態(tài)分析、屈曲分析整體求解時，則應(yīng)采 用整體模型，同時選擇合理的起點(diǎn)并設(shè)置合理的坐標(biāo)系， 可以提高求解的精度和 效率，例如，軸對稱場合多采用柱坐

4、標(biāo)系。有限元分析的精度和效率與單元的密 度和幾何形狀有著密切的關(guān)系，按照相應(yīng)的誤差準(zhǔn)則和網(wǎng)格疏密程度，避免網(wǎng)格 的畸形。在網(wǎng)格重劃分過程中常采用曲率控制、單元尺寸與數(shù)量控制、穿透控制 等控制準(zhǔn)則。在選用單元時要注意剪力自鎖、 沙漏和網(wǎng)格扭曲、不可壓縮材料的 體積自鎖等問題。ANSY歆件平臺提供了網(wǎng)格映射劃分和自由適應(yīng)劃分的策略。映射劃分用于曲線、曲面、實(shí)體的網(wǎng)格劃分方法，可使用三角形、四邊形、四面體、五面體和 六面體，通過指定單元邊長、網(wǎng)格數(shù)量等參數(shù)對網(wǎng)格進(jìn)行嚴(yán)格控制，映射劃分只 用于規(guī)則的幾何圖素，對于裁剪曲面或者空間自由曲面等復(fù)雜幾何體則難以控 制。自由網(wǎng)格劃分用于空間自由曲面和復(fù)雜實(shí)體，

5、采用三角形、四邊形、四面體 進(jìn)行劃分，采用網(wǎng)格數(shù)量、邊長及曲率來控制網(wǎng)格的質(zhì)量。2、ANSYS3格劃分基本原則網(wǎng)格劃分涉及單元的形狀及其拓?fù)漕愋?、單元類型、網(wǎng)格生成器的選擇、網(wǎng) 格的密度、單元的編號以及幾何體素。從幾何表達(dá)上講，梁和桿是相同的，從物 理和數(shù)值求解上講則是有區(qū)別的。 同理，平面應(yīng)力和平面應(yīng)變情況設(shè)計(jì)的單元求 解方程也不相同。在有限元數(shù)值求解中，單元的等效節(jié)點(diǎn)力、剛度矩陣、質(zhì)量矩 陣等均用數(shù)值積分生成，連續(xù)體單元以及殼、板、梁單元的面內(nèi)均采用高斯（GausS）積分，而殼、板、梁單元的厚度方向采用辛普生（Simpson）積分。辛 普生積分點(diǎn)的間隔是一定的，沿厚度分成奇數(shù)積分點(diǎn)。由于不

6、同單元的剛度矩陣 不同，采用數(shù)值積分的求解方式不同，因此實(shí)際應(yīng)用中，一定要采用合理的單元 來模擬求解。2.1 網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。 一般來講，網(wǎng)格 數(shù)量增加，計(jì)算精度會有所提高，但同時計(jì)算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù) 量時應(yīng)權(quán)衡兩個因數(shù)綜合考慮。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格 時精度提高甚微，而計(jì)算時間卻有大幅度增加。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際應(yīng)用時可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果， 如果兩次計(jì)算結(jié)果相差較大，可 以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止計(jì)算。在決定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)考慮分析數(shù)據(jù)的類型。在靜力分析時，如果僅僅是計(jì)算 結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可以

7、少一些。如果需要計(jì)算應(yīng)力，則在精度要求相同的情 況下應(yīng)取相對較多的網(wǎng)格。同樣在響應(yīng)計(jì)算中，計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)所取的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)比 計(jì)算位移響應(yīng)多。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動力特性時，若僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，可 以選擇較少的網(wǎng)格，如果計(jì)算的模態(tài)階次較高，則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。在熱分析 中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯度不大，不需要大量的內(nèi)部單元，這時可劃分較少的網(wǎng)格。2.2 網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù) 的分布特點(diǎn)。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中處），為了較好地反映 數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位， 為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對稀疏的

8、網(wǎng)格。這樣，整個結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同 的網(wǎng)格劃分形式。下面通過實(shí)例給出網(wǎng)格疏密對計(jì)算精度的影響。網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位， 在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是 不經(jīng)濟(jì)的。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析（包括靜應(yīng)力和動應(yīng)力），而計(jì) 算固有特性時則趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決 于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié) 構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。同樣，在結(jié)構(gòu)溫度場計(jì)算中也趨于采用均勻網(wǎng)格。2.3 單元階次許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱為 高階單元。選用高階單元可提高

9、計(jì)算精度，因?yàn)楦唠A單元的曲線或曲面邊界能夠 更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線和曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場函 數(shù)，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時可以選用高階單元。 但高 階單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大 得多，因此在使用時應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算精度和時間。增加網(wǎng)格數(shù)量和單元階次都可以提高計(jì)算精度。因此在精度一定的情況下， 用高階單元離散結(jié)構(gòu)時應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量， 太多的網(wǎng)格并不能明顯提高計(jì)算 精度，反而會使計(jì)算時間大大增加。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量，同一結(jié)構(gòu)可以 采用不同階次的單元，即精度要求高的重要部位用高階單元，精度要求低的次要 部位用低

10、階單元。不同階次單元之間或采用特殊的過渡單元連接， 或采用多點(diǎn)約 束等式連接。2.4 網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。 質(zhì)量好壞將影響計(jì)算精度。質(zhì)量太差 的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過 分扭曲、邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等份點(diǎn)附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。 網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長比、錐 度比、內(nèi)角、翹曲量、拉伸值、邊節(jié)點(diǎn)位置偏差等指標(biāo)度量。單元的質(zhì)量和數(shù)量對求解結(jié)果和求解過程影響較大，如果結(jié)構(gòu)單元全部由等邊三角形、正方形、正四面體、立方六面體等單元構(gòu)成，則求解精度可接近實(shí)際 值，但由于這種理想情況在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中很難做到。 因此根據(jù)模型的不同特征， 設(shè)計(jì)不同形狀種類的網(wǎng)格

11、，有助于改善網(wǎng)格的質(zhì)量和求解精度。 單元質(zhì)量評價一 般可采用以下幾個指標(biāo)：(1)單元的邊長比、面積比或體積比以正三角形、正四面體、正六面體為參 考基準(zhǔn)。理想單元的邊長比為1,可接受單元的邊長比的范圍線性單元長寬比小 于3,二次單元小于10。對于同形態(tài)的單元，線性單元對邊長比的敏感性較高階 單元高，非線性比線性分析更敏感。(2)扭曲度：單元面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)和面外的翹曲程度。(3)疏密過渡：網(wǎng)格的疏密主要表現(xiàn)為應(yīng)力梯度方向和橫向過渡情況，應(yīng)力集中的情況應(yīng)妥善處理，而對于分析影響較小的局部特征應(yīng)分析其情況，如 外圓角的影響比內(nèi)圓角的影響小的多。(4)節(jié)點(diǎn)編號排布：節(jié)點(diǎn)編號對于求解過程中的總體剛度矩陣的元素

12、分布、 分析耗時、內(nèi)存及空間有一定的影響。合理的節(jié)點(diǎn)、單元編號有助于利用剛 度矩陣對稱、帶狀分布、稀疏矩陣等方法提高求解效率，同時要注意消除重 復(fù)的節(jié)點(diǎn)和單元。2.5 位移協(xié)調(diào)性位移協(xié)調(diào)是指單元上的力和力矩能夠通過節(jié)點(diǎn)傳遞相鄰單元。為保證位移協(xié)調(diào)，一個單元的節(jié)點(diǎn)必須同時也是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)，而不應(yīng)是內(nèi)點(diǎn)或邊界點(diǎn)。相鄰單元的共有節(jié)點(diǎn)具有相同的自由度性質(zhì)。否則，單元之間須用多點(diǎn)約束等式或約束單元進(jìn)行約束處理。3、ANSYS網(wǎng)格劃分的幾種方法在ANSYS中，網(wǎng)格劃分有三個步驟：定義單元屬性（包括實(shí)常數(shù)）、在幾何模型上定義網(wǎng)格屬性、劃分網(wǎng)格。3.1、 自由網(wǎng)格劃分自由網(wǎng)格劃分是自動化程度最高的網(wǎng)格劃分技

13、術(shù)之一，它在面上（平面、曲面）可以自動生成三角形或四邊形網(wǎng)格， 在體上自動生成四面體網(wǎng)格。通常情況 下，可利用ANSYS勺智能尺寸;f5制技術(shù)（SMARTSIZE令）來自動控制網(wǎng)格的大 小和疏密分布，也可進(jìn)行人工設(shè)置網(wǎng)格的大小 （AESIZE LESIZE、KESIZE、ESIZE 等系列命令）并控制疏密分布以及選擇分網(wǎng)算法等（ MOP命令）。對于復(fù)雜幾 何模型而言，這種分網(wǎng)方法省時省力，但缺點(diǎn)是單元數(shù)量通常會很大，計(jì)算效率 降低。同時，由于這種方法對于三維復(fù)雜模型只能生成四面體單元，為了獲得較好的計(jì)算精度，建議采用二次四面體單元。如果選用的是六面體單元，則此方法 自動將六面體單元退化為階次一

14、致的四面體單元，因此，最好不要選用線性的六面體單元，因?yàn)樵搯卧嘶鬄榫€性的四面體單元， 具有過剛的剛度，計(jì)算精度 較差；如果選用二次的六面體單元，由于其是退化形式，節(jié)點(diǎn)數(shù)與其六面體原型 單元一致，只是有多個節(jié)點(diǎn)在同一位置而已，因此，可以利用TCH殺令將模型中的退化形式的四面體單元變化為非退化的四面體單元，減少每個單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，提高求解效率。3.2、 映射網(wǎng)格劃分映射網(wǎng)格劃分是對規(guī)整模型的一種規(guī)整網(wǎng)格劃分方法，其原始概念是：對于面，只能是四邊形面，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)需在對邊上保持一致，形成的單元全部為四邊 形；對于體，只能是六面體，對應(yīng)線和面的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)保持一致；形成的單元全 部為六面體。在ANSY

15、SK這些條件有了很大的放寬，包括：面可以是三角形、 四邊形、或其它任意多邊形。對于四邊以上的多邊形，必須用LCCA怖令將某些 邊聯(lián)成一條邊，以使得對于網(wǎng)格劃分而言，仍然是三角形或四邊形；或者用AMAP 命令定義3到4個頂點(diǎn)（程序自動將兩個頂點(diǎn)之間的所有線段聯(lián)成一條）來進(jìn)行映射劃分。如果一個面要進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分的話，這個面必須滿足以下幾個條件：（1）、 這個面只能由三條或四條邊組成或者是個實(shí)心圓面。（2）、這個面的相對邊必須劃分成同樣的等份。（3）、如果這個面是三角形的話，那么三條邊也必須使 用相等的等份進(jìn)行劃分。（4）、網(wǎng)格劃分值必須被設(shè)置成 mapped通過MSHKE¥ 這個值導(dǎo)致

16、所有網(wǎng)格劃分都使用三角形或四邊形，具體取決于其單元類型或者單 元的形狀屬性值。（5）、如果你的目的是一個三角形映射劃分，我們還能設(shè)置 三角形的具體類型（通過 MSHPATTERN3.3、 拖拉、掃略網(wǎng)格劃分對于由面經(jīng)過拖拉、旋轉(zhuǎn)、偏移（VDRAGVROTATVOFFST VEX邙系列命 令）等方式生成的復(fù)雜三維實(shí)體而言，可先在原始面上生成殼（或 MESH200單 元形式的面網(wǎng)格，然后在生成體的同時自動形成三維實(shí)體網(wǎng)格； 對于已經(jīng)形成好 了的三維復(fù)雜實(shí)體，如果其在某個方向上的拓?fù)湫问绞冀K保持一致， 則可用（人 工或全自動）掃略網(wǎng)格劃分（VSWEEP令）功能來劃分網(wǎng)格；這兩種方式形成 的單元幾乎都

17、是六面體單元。通常，采用掃略方式形成網(wǎng)格是一種非常好的方式， 對于復(fù)雜幾何實(shí)體，經(jīng)過一些簡單的切分處理，就可以自動形成規(guī)整的六面體網(wǎng) 格，它比映射網(wǎng)格劃分方式具有更大的優(yōu)勢和靈活性。3.4、 混合網(wǎng)格劃分混合網(wǎng)格劃分即在幾何模型上，根據(jù)各部位的特點(diǎn)，分別采用自由、映射、 掃略等多種網(wǎng)格劃分方式，以形成綜合效果盡量好的有限元模型?；旌暇W(wǎng)格劃分 方式要在計(jì)算精度、計(jì)算時間、建模工作量等方面進(jìn)行綜合考慮。通常，為了提 高計(jì)算精度和減少計(jì)算時間，應(yīng)首先考慮對適合于掃略和映射網(wǎng)格劃分的區(qū)域先 劃分六面體網(wǎng)格，這種網(wǎng)格既可以是線性的（無中節(jié)點(diǎn)）、也可以是二次的（有 中節(jié)點(diǎn)），如果無合適的區(qū)域，應(yīng)盡量通過切分等多種布爾運(yùn)算手段來創(chuàng)建合適 的區(qū)域（尤其是對所關(guān)心的區(qū)域或部位）；其次，對實(shí)在無法再切分而必須用四 面體自由網(wǎng)格劃分的區(qū)域，采用帶中節(jié)點(diǎn)的六面體單元進(jìn)行自由分網(wǎng) （自動退化 成適合于自由劃分形式的單元），此時，在該區(qū)域與已進(jìn)行掃略或映射網(wǎng)格劃分 的區(qū)域的交界面上，會自動