ansys復(fù)雜幾何模型網(wǎng)格劃分技術(shù)培訓(xùn)講學(xué)

1、眾所周知，對于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分 的好壞直接影響到解算的精度和速度。在 ANSYS中，大家知道，網(wǎng)格劃分有三 個(gè)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。 在這里，我們僅對網(wǎng)格劃分這個(gè)步驟所涉及到的一些問題， 尤其是與復(fù)雜模型相 關(guān)的一些問題作簡要闡述。一、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的智能尺寸控制技術(shù)（SMARTSIZE命令）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

2、（ 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（MOPT命令）。對于復(fù)雜幾何模型而言，這種分網(wǎng)方法省時(shí)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(shí)，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（92號單元）。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致的四面體單元，因此，最好不要選用線性的六面體單元（沒有中間節(jié)點(diǎn)，比如45號單元），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（比如95號單元），由于其是退化形式，

3、節(jié)點(diǎn)數(shù)與其六面體原型 單元一致，只是有多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一位置而已，因此，可以利用TCHG命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(gè)單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，提高求解效率。在有些情況下，必須要用六面體單元的退化形式來進(jìn)行自 由網(wǎng)格劃分，比如，在進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分（后面詳述）時(shí)，只有用六面體單元才 能形成金字塔過渡單元。對于計(jì)算流體力學(xué)和考慮集膚效應(yīng)的電磁場分析而言， 自由網(wǎng)格劃分中的層網(wǎng)格功能（由LESIZE命令的LAYER1和LAYER2域控制） 是非常有用的。二、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

4、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ANSYS中，這些條件有了很大的放寬，包括：1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LCCAT命令將某些邊聯(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(gè)頂點(diǎn)（程序自動將兩個(gè)頂點(diǎn)之間的 所有線段聯(lián)成一條）來進(jìn)行映射劃分。2面上對邊的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)可以不同，但有一些限制條件 3面上可以形成全三角形的映射網(wǎng)格。4體可以是四面體、五面體、六面體或其它任意多面體。對于六面以上的多面體, 必須用ACCAT命令將某些

5、面聯(lián)成一個(gè)面，以使得對于網(wǎng)格劃分而言，仍然是四、 五或六面體。5體上對應(yīng)線和面的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)可以不同，但有一些限制條件。對于三維復(fù)雜幾何模型而言，通常的做法是利用ANSYS布爾運(yùn)算功能，將其切 割成一系列四、五或六面體，然后對這些切割好的體進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。當(dāng)然， 這種純粹的映射劃分方式比較煩瑣，需要的時(shí)間和精力較多。面的三角形映射網(wǎng)格劃分往往可以為體的自由網(wǎng)格劃分服務(wù)， 以使體的自由網(wǎng)格劃分滿足一些特 定的要求，比如：體的某個(gè)狹長面的短邊方向上要求一定要有一定層數(shù)的單元、 某些位置的節(jié)點(diǎn)必須在一條直線上、等等。這種在進(jìn)行體網(wǎng)格劃分前在其面上先 劃分網(wǎng)格的方式對很多復(fù)雜模型可以進(jìn)行良好的控制，但

6、別忘了在體網(wǎng)格劃分完 畢后清除面網(wǎng)格（也可用專門用于輔助網(wǎng)格劃分的虛擬單元類型MESH200 來劃分面網(wǎng)格，之后不用清除）。三、拖拉、掃略網(wǎng)格劃分 對于由面經(jīng)過拖拉、旋轉(zhuǎn)、偏移（VDRAG、VROTAT、VOFFST、VEXT等系 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(shí)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(gè)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命令）功能來劃分網(wǎng)格； 這兩種方式形成的單元幾乎都是六面體單元。 通常，采用掃略方式形成網(wǎng)格是一 種非常

7、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。四、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(shí)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(shí)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)

8、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(shí)，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，會自動形成金字塔過渡單元（無中節(jié)點(diǎn)的六面體單元沒有金字塔 退化形式）。ANSYS中的這種金字塔過渡單元具有很大的靈活性：如果其鄰接 的六面體單元無中節(jié)點(diǎn)，則在金字塔單元四邊形面的四條單元邊上， 自動取消中 間節(jié)點(diǎn)，以保證網(wǎng)格的協(xié)調(diào)性。同時(shí)，應(yīng)采用前面描述的TCHG命令來將退化形式的四面體單元自動轉(zhuǎn)換成非退化的四面體單元，提高求解效率。如果對整個(gè)分析模型的計(jì)算精度要求不高、或?qū)M(jìn)行自由網(wǎng)格

9、劃分區(qū)域的計(jì)算精度要求不 高，貝冋在自由網(wǎng)格劃分區(qū)采用無中節(jié)點(diǎn)的六面體單元來分網(wǎng)（自動退化成無中節(jié)點(diǎn)的四面體單元），此時(shí)，雖然在六面體單元劃分區(qū)和四面體單元劃分區(qū)之間無金字塔過渡單元，但如果六面體單元區(qū)的單元也無中節(jié)點(diǎn)， 則由于都是線性單 元，亦可保證單元的協(xié)調(diào)性。五、利用自由度耦合和約束方程對于某些形式的復(fù)雜幾何模型，可以利用ANSYS的約束方程和自由度耦合功能 來促成劃分出優(yōu)良的網(wǎng)格并降低計(jì)算規(guī)模。比如，利用CEINTF命令可以將相鄰的體在進(jìn)行獨(dú)立的網(wǎng)格劃分（通常是采用映射或掃略方式）后再"粘結(jié)"起來，由于各個(gè)體之間在幾何上沒有聯(lián)系，因此不用費(fèi)勁地考慮相互之間網(wǎng)格的影響

10、， 所以可以自由地采用多種手段劃分出良好的網(wǎng)格，而體之間的網(wǎng)格"粘結(jié)"是通過形函數(shù)差值來進(jìn)行自由度耦合的，因此連接位置處的位移連續(xù)性可以得到絕對保 證，如果非常關(guān)注連接處的應(yīng)力，可以如下面所述再在該局部位置建立子區(qū)模型 予以分析。再如，對于循環(huán)對稱模型（如旋轉(zhuǎn)機(jī)械等），可僅建立一個(gè)扇區(qū)作為 分析模型，利用CPCYC命令可自動對扇區(qū)的兩個(gè)切面上的所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)建立自 由度耦合條件（用MSHCOPY命令可非常方便地在兩個(gè)切面上生成對應(yīng)網(wǎng)格）。六、利用子區(qū)模型等其它手段子區(qū)模型是一種先總體、后局部的分析技術(shù)（也稱為切割邊界條件方法），對于 只關(guān)心局部區(qū)域準(zhǔn)確結(jié)果的復(fù)雜幾何模型， 可

11、采用此手段，以盡量小的工作量來 獲得想要的結(jié)果。其過程是：先建立總體分析模型，并忽略模型中的一系列細(xì)小 的特征，如導(dǎo)角、開孔、開槽等（因?yàn)楦鶕?jù)圣維南原理，模型的局部細(xì)小改動并 不特別影響模型總的分析結(jié)果），同時(shí)在該大模型上劃分較粗的網(wǎng)格 （計(jì)算和建 模的工作量都很?。?，施加載荷并完成分析；其次，（在與總體模型相同的坐標(biāo)系下）建立局部模型，此時(shí)將前面忽略的細(xì)小特征加上，并劃分精細(xì)網(wǎng)格（模型 的切割邊界應(yīng)離關(guān)心的區(qū)域盡量遠(yuǎn)），用CBDOF等系列命令自動將前面總體模 型的計(jì)算結(jié)果插值作為該細(xì)模型的邊界條件， 進(jìn)行求解計(jì)算。該方法的另外好處 是：可以在小模型的基礎(chǔ)上優(yōu)化（或任意改變）所關(guān)心的細(xì)小特征，

12、如改變圓角 半徑、縫的寬度等；總體模型和局部模型可以采用不同的單元類型，比如，總體 模型采用板殼單元，局部模型采用實(shí)體單元等。子結(jié)構(gòu)（也稱超單元）也是一種解決大型問題的有效手段，并且在 ANSYS中, 超單元可以用于諸如各種非線性以及裝配件之間的接觸分析等， 有效地降低大型 模型的求解規(guī)模。巧妙地利用結(jié)構(gòu)的對稱性對實(shí)際工作也大有幫助，對于常規(guī)的結(jié)構(gòu)和載荷都是軸 對稱或平面對稱的問題，毫無疑問應(yīng)該利用其對稱性，對于一些特殊情況，也可 以加以利用，比如：如果結(jié)構(gòu)軸對稱而載荷非軸對稱，貝U可用ANSYS專門用于處理此類問題的25、83和61號單元；對于由多個(gè)部件構(gòu)成裝配件，如果其每 個(gè)零件都滿足平面對稱性，但各對稱平面