ANSYS复杂几何模型的网格划分关键技术.doc

ANSYS复杂几何模型网格划分技术
对于有限元分析来说，网格划分是其中最核心一种环节，网格划分好坏直接影响到解算精度和速度。在ANSYS中，人们懂得，网格划分有三个环节：定义单元属性(涉及实常数)、在几何模型上定义网格属性、划分网格。在这里，咱们仅对网格划分这个环节所涉及到某些问题，特别是与复杂模型有关某些问题作简要阐述。

一、自由网格划分

自由网格划分是自动化限度最高网格划分技术之一，它在面上(平面、曲面)可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四周体网格。普通状况下，可运用ANSYS智能尺寸控制技术(SMARTSIZE命令)来自动控制网格大小和疏密分布，也可进行人工设立网格大小(AESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令)并控制疏密分布以及选取分网算法等(MOPT命令)。对于复杂几何模型而言，这种分网办法省时省力，但缺陷是单元数量普通会很大，计算效率减少。同步，由于这种办法对于三维复杂模型只能生成四周体单元，为了获得较好计算精度，建议采用二次四周体单元(92号单元)。如果选用是六面体单元，则此办法自动将六面体单元退化为阶次一致四周体单元，因而，最佳不要选用线性六面体单元(没有中间节点，例如45号单元)，由于该单元退化后为线性四周体单元，具备过刚刚度，计算精度较差;如果选用二次六面体单元(例如95号单元)，由于其是退化形式，节点数与其六面体原型单元一致，只是有各种节点在同一位置而已，因而，可以运用TCHG命令将模型中退化形式四周体单元变化为非退化四周体单元，减少每个单元节点数量，提高求解效率。在有些状况下，必要要用六面体单元退化形式来进行自由网格划分，例如，在进行混合网格划分(背面详述)时，只有用六面体单元才干形成金字塔过渡单元。对于计算流体力学和考虑集肤效应电磁场分析而言，自由网格划分中层网格功能(由LESIZE命令LAYER1和LAYER2域控制)是非常有用。

二、映射网格划分

映射网格划分是对规整模型一种规整网格划分办法，其原始概念是：对于面，只能是四边形面，网格划分数需在对边上保持一致，形成单元所有为四边形;对于体，只能是六面体，相应线和面网格划分数保持一致;形成单元所有为六面体。在ANSYS中，这些条件有了很大放宽，涉及：

1 面可以是三角形、四边形、或其他任意多边形。对于四边以上多边形，必要用LCCAT命令将某些边联成一条边，以使得对于网格划分而言，依然是三角形或四边形;或者用AMAP命令定义3到4个顶点(程序自动将两个顶点之间所有线段联成一条)来进行映射划分。

2 面上对边网格划分数可以不同，但有某些限制条件。

3 面上可以形成全三角形映射网格。

4 体可以是四周体、五面体、六面体或其他任意多面体。对于六面以上多面体，必要用ACCAT命令将某些面联成一种面，以使得对于网格划分而言，依然是四、五或六面体。

5 体上相应线和面网格划分数可以不同，但有某些限制条件。

对于三维复杂几何模型而言，普通做法是运用ANSYS布尔运算功能，将其切割成一系列四、五或六面体，然后对这些切割好体进行映射网格划分。固然，这种纯粹映射划分方式比较啰嗦，需要时间和精力较多。

面三角形映射网格划分往往可觉得体自由网格划分服务，以使体自由网格划分满足某些特定规定，例如：体某个狭长面短边方向上规定一定要有一定层数单元、某些位置节点必要在一条直线上、等等。这种在进行体网格划分前在其面上先划分网格方式对诸多复杂模型可以进行良好控制，但别忘了在体网格划分完毕后清除面网格(也可用专门用于辅助网格划分虚拟单元类型-MESH200-来划分面网格，之后不用清除)。

三、拖拉、扫略网格划分

对于由面通过拖拉、旋转、偏移(VDRAG、VROTAT、VOFFST、VEXT等系列命令)等方式生成复杂三维实体而言，可先在原始面上生成壳(或MESH200)单元形式面网格，然后在生成体同步自动形成三维实体网格;对于已经形成好了三维复杂实体，如果其在某个方向上拓扑形式始终保持一致，则可用(人工或全自动)扫略网格划分(VSWEEP命令)功能来划分网格;这两种方式形成单元几乎都是六面体单元。普通，采用扫略方式形成网格是一种非常好方式，对于复杂几何实体，通过某些简朴切分解决，就可以自动形成规整六面体网格，它比映射网格划分方式具备更大优势和灵活性。

四、混合网格划分

混合网格划分即在几何模型上，依照各部位特点，分别采用自由、映射、扫略等各种网格划分方式，以形成综合效果尽量好有限元模型。混合网格划分方式要在计算精度、计算时间、建模工作量等方面进行综合考虑。普通，为了提高计算精度和减少计算时间，应一方面考虑对适合于扫略和映射网格划分区域先划分六面体网格，这种网格既可以是线性(无中节点)、也可以是二次(有中节点)，如果无适当区域，应尽量通过切分等各种布尔运算手段来创立适当区域(特别是对所关怀区域或部位);另一方面，对实在无法再切分而必要用四周体自由网格划分区域，采用带中节点六面体单元进行自由分网(自动退化成适合于自由划分形式单元)，此时，在该区域与已进行扫略或映射网格划分区域交界面上，会自动形成金字塔过渡单元(无中节点六面体单元没有金字塔退化形式)。ANSYS中这种金字塔过渡单元具备很大灵活性：如果其邻接六面体单元无中节点，则在金字塔单元四边形面四条单元边上，自动取消中间节点，以保证网格协调性。同步，应采用前面描述TCHG命令来将退化形式四周体单元自动转换成非退化四周体单元，提高求解效率。如果对整个分析模型计算精度规定不高、或对进行自由网格划分区域计算精度规定不高，则可在自由网格划分区采用无中节点六面体单元来分网(自动退化成无中节点四周体单元)，此时，虽然在六面体单元划分区和四周体单元划分区之间无金字塔过渡单元，但如果六面体单元区单元也无中节点，则由于都是线性单元，亦可保证单元协调性。

五、运用自由度耦合和约束方程

对于某些形式复杂几何模型，可以运用ANSYS约束方程和自由度耦合功能来促成划分出优良网格并减少计算规模。例如，运用CEINTF命令可以将相邻体在进行独立网格划分(普通是采用映射或扫略方式)后再"粘结"起来，由于各个体之间在几何上没有联系，因而不用费劲地考虑互相之间网格影响，因此可以自由地采用各种手段划分出良好网格，而体之间网格"粘结"是通过形函数差值来进行自由度耦合，因而连接位置处位移持续性可以得到绝对保证，如果非常关注连接处应力，可以如下面所述再在该局部位置建立子区模型予以分析。再如，对于循环对称模型(如旋转机械等)，可仅建立一种扇区作为分析模型，运用CPCYC命令可自动对扇区两个切面上所有相应节点建立自由度耦合条件(用MSHCOPY命令可非常以便地在两个切面上生成相应网格)。

六、运用子区模型等其他手段

子区模型是一种先总体、后局某些析技术(也称为切割边界条件办法)，对于只关怀局部区域精确成果复杂几何模型，可采用此手段，以尽量小工作量来获得想要成果。其过程是：先建立总体分析模型，并忽视模型中一系列细小特性，如导角、开孔、开槽等(由于依照圣维南原理，模型局部细小改动并不特别影响模型总分析成果)，同步在该大模型上划分较粗网格(计算和建模工作量都很小)，施加载荷并完毕分析;另一方面，(在与总体模型相似坐标系下)建立局部模型，此时将前面忽视细小特性加上，并划分精细网格(模型切割边界应离关怀区域尽量远)，用CBDOF等系列命令自动将前面总体模型计算成果插值作为该细模型边界条件，进行求解计算。该办法此外好处是：可以在小模型基本上优化(或任意变化)所关怀细小特性，如变化圆角半径、缝宽度等;总体模型和局部模型可以采用不同单元类型，例如，总体模型采用板壳单元，局部模型采用实体单元等。

子构造(也称超单元)也是一种解决大型问题有效手段，并且在ANSYS中，超单元可以用于诸如各种非线性以及装配件之间接触分析等，有效地减少大型模型求解规模。

巧妙地运用构造对称性对实际工作也大有协助，对于常规构造和载荷都是轴对称或平面对称问题，毫无疑问应当运用其对称性，对于某些特殊状况，也可以加以运用，例如：如果构造轴对称而载荷非轴对称，则可用ANSYS专门用于解决此类问题25、83和61号单元;对于由各种部件构成装配件，如果其每个零件都满足平面对称性，但各对称平面又不是同一种状况下，则可用各种对称面来解决模型(或至少可用此办法来减少建模工作量：各零件只需解决一半模型然后拷贝或映射即可生成总体模型)。

总之，对于复杂几何模型，综合运用各种手段建立起高质量、高计算效率有限元模型是极其重要一种环节，这里简介注意事项仅仅是很少一某些，顾客自己通过许多工程问题不断摸索、总结和验证才是最能保证有效而高效地解决复杂模型手段。

复杂几何模型系列网格划分技术

众所周知，对于有限元分析来说，网格划分是其中最核心一种环节，网格划分好坏直接影响到解算精度和速度。在ANSYS中，人们懂得，网格划分有三个环节：定义单元属性(涉及实常数)、在几何模型上定义网格属性、划分网格。在这里，咱们仅对网格划分这个环节所涉及到某些问题，特别是与复杂模型有关某些问题作简要阐述。

一、自由网格划分

自由网格划分是自动化限度最高网格划分技术之一，它在面上(平面、曲面)可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四周体网格。普通状况下，可运用ANSYS智能尺寸控制技术(SMARTSIZE命令)来自动控制网格大小和疏密分布，也可进行人工设立网格大小(AESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令)并控制疏密分布以及选取分网算法等(MOPT命令)。对于复杂几何模型而言，这种分网办法省时省力，但缺陷是单元数量普通会很大，计算效率减少。同步，由于这种办法对于三维复杂模型只能生成四周体单元，为了获得较好计算精度，建议采用二次四周体单元(92号单元)。如果选用是六面体单元，则此办法自动将六面体单元退化为阶次一致四周体单元，因而，最佳不要选用线性六面体单元(没有中间节点，例如45号单元)，由于该单元退化后为线性四周体单元，具备过刚刚度，计算精度较差;如果选用二次六面体单元(例如95号单元)，由于其是退化形式，节点数与其六面体原型单元一致，只是有各种节点在同一位置而已，因而，可以运用TCHG命令将模型中退化形式四周体单元变化为非退化四周体单元，减少每个单元节点数量，提高求解效率。在有些状况下，必要要用六面体单元退化形式来进行自由网格划分，例如，在进行混合网格划分(背面详述)时，只有用六面体单元才干形成金字塔过渡单元。对于计算流体力学和考虑集肤效应电磁场分析而言，自由网格划分中层网格功能(由LESIZE命令LAYER1和LAYER2域控制)是非常有用。

二、映射网格划分

映射网格划分是对规整模型一种规整网格划分办法，其原始概念是：对于面，只能是四边形面，网格划分数需在对边上保持一致，形成单元所有为四边形;对于体，只能是六面体，相应线和面网格划分数保持一致;形成单元所有为六面体。在ANSYS中，这些条件有了很大放宽，涉及：

1 面可以是三角形、四边形、或其他任意多边形。对于四边以上多边形，必要用LCCAT命令将某些边联成一条边，以使得对于网格划分而言，依然是三角形或四边形;或者用AMAP命令定义3到4个顶点(程序自动将两个顶点之间所有线段联成一条)来进行映射划分。

2 面上对边网格划分数可以不同，但有某些限制条件。

3 面上可以形成全三角形映射网格。

4 体可以是四周体、五面体、六面体或其他任意多面体。对于六面以上多面体，必要用ACCAT命令将某些面联成一种面，以使得对于网格划分而言，依然是四、五或六面体。

5 体上相应线和面网格划分数可以不同，但有某些限制条件。

对于三维复杂几何模型而言，普通做法是运用ANSYS布尔运算功能，将其切割成一系列四、五或六面体，然后对这些切割好体进行映射网格划分。固然，这种纯粹映射划分方式比较啰嗦，需要时间和精力较多。

面三角形映射网格划分往往可觉得体自由网格划分服务，以使体自由网格划分满足某些特定规定，例如：体某个狭长面短边方向上规定一定要有一定层数单元、某些位置节点必要在一条直线上、等等。这种在进行体网格划分前在其面上先划分网格方式对诸多复杂模型可以进行良好控制，但别忘了在体网格划分完毕后清除面网格(也可用专门用于辅助网格划分虚拟单元类型-MESH200-来划分面网格，之后不用清除)。

三、拖拉、扫略网格划分

对于由面通过拖拉、旋转、偏移(VDRAG、VROTAT、VOFFST、VEXT等系列命令)等方式生成复杂三维实体而言，可先在原始面上生成壳(或MESH200)单元形式面网格，然后在生成体同步自动形成三维实体网格;对于已经形成好了三维复杂实体，如果其在某个方向上拓扑形式始终保持一致，则可用(人工或全自动)扫略网格划分(VSWEEP命令)功能来划分网格;这两种方式形成单元几乎都是六面体单元。普通，采用扫略方式形成网格是一种非常好方式，对于复杂几何实体，通过某些简朴切分解决，就可以自动形成规整六面体网格，它比映射网格划分方式具备更大优势和灵活性。

四、混合网格划分

混合网格划分即在几何模型上，依照各部位特点，分别采用自由、映射、扫略等各种网格划分方式，以形成综合效果尽量好有限元模型。混合网格划分方式要在计算精度、计算时间、建模工作量等方面进行综合考虑。普通，为了提高计算精度和减少计算时间，应一方面考虑对适合于扫略和映射网格划分区域先划分六面体网格，这种网格既可以是线性(无中节点)、也可以是二次(有中节点)，如果无适当区域，应尽量通过切分等各种布尔运算手段来创立适当区域(特别是对所关怀区域或部位);另一方面，对实在无法再切分而必要用四周体自由网格划分区域，采用带中节点六面体单元进行自由分网(自动退化成适合于自由划分形式单元)，此时，在该区域与已进行扫略或映射网格划分区域交界面上，会自动形成金字塔过渡单元(无中节点六面体单元没有金字塔退化形式)。ANSYS中这种金字塔过渡单元具备很大灵活性：如果其邻接六面体单元无中节点，则在金字塔单元四边形面四条单元边上，自动取消中间节点，以保证网格协调性。同步，应采用前面描述TCHG命令来将退化形式四周体单元自动转换成非退化四周体单元，提高求解效率。如果对整个分析模型计算精度规定不高、或对进行自由网格划分区域计算精度规定不高，则可在自由网格划分区采用无中节点六面体单元来分网(自动退化成无中节点四周体单元)，此时，虽然在六面体单元划分区和四周体单元划分区之间无金字塔过渡单元，但如果六面体单元区单元也无中节点，则由于都是线性单元，亦可保证单元协调性。

五、运用自由度耦合和约束方程

对于某些形式复杂几何模型，可以运用ANSYS约束方程和自由度耦合功能来促成划分出优良网格并减少计算规模。例如，运用CEINTF命令可以将相邻体在进行独立网格划分(普通是采用映射或扫略方式)后再"粘结"起来，由于各个体之间在几何上没有联系，因而不用费劲地考虑互相之间网格影响，因此可以自由地采用各种手段划分出良好网格，而体之间网格"粘结"是通过形函数差值来进行自由度耦合，因而连接位置处位移持续性可以得到绝对保证，如果非常关注连接处应力，可以如下面所述再在该局部位置建立子区模型予以分析。再如，对于循环对称模型(如旋转机械等)，可仅建立一种扇区作为分析模型，运用CPCYC命令可自动对扇区两个切面上所有相应节点建立自由度耦合条件(用MSHCOPY命令可非常以便地在两个切面上生成相应网格)。

六、运用子区模型等其他手段

子区模型是一种先总体、后局某些析技术(也称为切割边界条件办法)，对于只关怀局部区域精确成果复杂几何模型，可采用此手段，以尽量小工作量来获得想要成果。其过程是：先建立总体分析模型，并忽视模型中一系列细小特性，如导角、开孔、开槽等(由于依照圣维南原理，模型局部细小改动并不特别影响模型总分析成果)，同步在该大模型上划分较粗网格(计算和建模工作量都很小)，施加载荷并完毕分析;另一方面，(在与总体模型相似坐标系下)建立局部模型，此时将前面忽视细小特性加上，并划分精细网格(模型切割边界应离关怀区域尽量远)，用CBDOF等系列命令自动将前面总体模型计算成果插值作为该细模型边界条件，进行求解计算。该办法此外好处是：可以在小模型基本上优化(或任意变化)所关怀细小特性，如变化圆角半径、缝宽度等;总体模型和局部模型可以采用不同单元类型，例如，总体模型采用板壳单元，局部模型采用实体单元等。

子构造(也称超单元)也是一种解决大型问题有效手段，并且在ANSYS中，超单元可以用于诸如各种非线性以及装配件之间接触分析等，有效地减少大型模型求解规模。

巧妙地运用构造对称性对实际工作也大有协助，对于常规构造和载荷都是轴对称或平面对称问题，毫无疑问应当运用其对称性，对于某些特殊状况，也可以加以运用，例如：如果构造轴对称而载荷非轴对称，则可用ANSYS专门用于解决此类问题25、83和61号单元;对于由各种部件构成装配件，如果其每个零件都满足平面对称性，但各对称平面又不是同一种状况下，则可用各种对称面来解决模型(或至少可用此办法来减少建模工作量：各零件只需解决一半模型然后拷贝或映射即可生成总体模型)。

总之，对于复杂几何模型，综合运用各种手段建立起高质量、高计算效率有限元模型是极其重要一种环节，这里简介注意事项仅仅是很少一某些，顾客自己通过许多工程问题不断摸索、总结和验证才是最能保证有效而高效地解决复杂模型手段。(end)