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ANSYS基础教程——网格划分
关键字：ANSYS ANSYS教程 网格划分
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本文将详细介绍网格划分的3个步骤并讨论网格划分的其他选项.内容包括:多种单元属性、控制网格密度、改变网格、映射网格划分、过渡网格划分、网格的拖拉、扫掠网格划分及实践。
    ·网格划分包含以下3个步骤:
    –定义单元属性
    –指定网格的控制参数
    –生成网格

A. 多种单元属性

    ·如前所述, 每个单元有以下与之相关的属性:
    –单元类型(TYPE)
    –实常数(REAL)
    –材料特性(MAT)
    ·许多FEA 模型有多种属性. 例如，下图所示的筒仓有两种单元类型, 三种实常数, 以及两种材料.

    ·只要您的模型中有多种单元类型(TYPEs), 实常数(REALs) 和材料(MATs), 就必须确保给每一种单元指定了合适的属性. 有以下3种途径:
    –在网格划分前为实体模型指定属性
    –在网格划分前对MAT, TYPE,和REAL进行“总体的”设置
    –在网格划分后修改单元属性
    ·如果没有为单元指定属性, ANSYS将MAT=1, TYPE=1, 和REAL=1作为模型中所有单元的缺省设置. 注意, 采用当前激活的TYPE, REAL, 和MAT 进行网格操作.
    为实体模型指定属性
    1.定义所有需要的单元类型,材料, 和实常数.
    2.然后使用网格工具的“单元属性”菜单条(Preprocessor > MeshTool):
    –选择实体类型后按SET键.
    –拾取您想要指定属性的实体.
    –在后续的对话框设置适当的属性.或选择需要的实体,使用VATT, AATT, LATT, 或KATT命令.
    3.当您为实体划分网格时, 它的属性将自动转换到单元上.

    使用总体的属性设置
    1.定义所有需要的单元类型,材料, 和实常数.
    2.然后使用网格工具的“单元属性”菜单条(Preprocessor > MeshTool):
    –选择Global后按SET 键.
    –在“网格划分属性”对话框中激活需要的属性组合. 这些被视为激活的TYPE, REAL,和MAT 设置.

    或使用TYPE, REAL, 和MAT命令.

    3.仅对使用上述设置属性的实体划分网格.
    修改单元属性
    1.定义所有需要的单元类型,材料, 和实常数.
    2.激活需要的TYPE, REAL, 和MAT设置的组合:
    –Preprocessor > -Attributes-Define > Default Attribs...
    –或使用TYPE, REAL, 和MAT命令
    3.仅修改使用上述设置属性的单元的属性:
    –使用EMODIF,PICK命令或选择Preprocessor > Move/Modify > -Elements-Modify Attrib
    –拾取需要的单元
    4.在后续的对话框,将属性设置为“All to current.”

    牢记以下几点:
    ·您可以激活属性编号校核单元属性:
    –Utility Menu > PlotCtrls> Numbering
    –或用/PNUM,attr,ON命令,attr可以是TYPE, MAT, 或REAL

    ·在实体模型上直接指定属性将不考虑缺省属性.
    ·在实体模型上指定属性, 您可以避免在网格划分操作中重新设置属性. 由于ANSYS 的网格划分算法在一次对所有实体进行网格划分时更为有效,因而这种方法更为优越.
    ·清除实体模型上的网格将不会删除指定的单元属性.

B. 控制网格密度

    ·ANSYS 提供了多种控制网格密度的工具, 既可以是总体控制也可以是局部控制:
    –总体控制
    ·智能网格划分
    ·总体单元尺寸
    ·缺省尺寸
    –局部控制
    ·关键点尺寸
    ·线尺寸
    ·面尺寸
    智能网格划分
    ·通过指定所有线上的份数决定单元的尺寸, 它可以考虑线的曲率, 孔洞的接近程度和其它特征, 以及单元阶次.
    ·智能网格划分的缺省设置是关闭, 在自由网格划分时建议采用智能网格划分。它对映射网格划分没有影响. (自由网格划分与映射网格划分将在后面讨论.)
    ·使用智能网格划分:
    –导出MeshTool菜单条(Preprocessor > MeshTool), 打开智能网格划分, 设置需要的尺寸级别.
    ·或使用SMRT,level 命令
    ·尺寸级别的范围从1 (精细) 到10 (粗糙). 缺省级别为6.
    –对所有体(或所有面)一次划分网格, 将优越于一个一个地划分网格.

    ·如图所示为采用不同的SmartSize尺寸级别进行四面体网格划分的例子.
    ·高级的SmartSize控制, 如网格扩张和过渡系数在SMRT命令(或Preprocessor > -Meshing-Size Cntrls> -SmartSize-Adv Opts...)中提供.
    ·您可以使用MeshTool菜单条或采用smrt,off命令关闭智能网格划分.

    总体单元尺寸
    ·您可以为整个模型指定最大的单元边长(或每条线的份数):
    –ESIZE,SIZE
    –或Preprocessor > MeshTool> “Size Controls -Global”[Set]
    –或Preprocessor > -Meshing-Size Cntrls> -Global-Size

    ·可单独使用或与智能网格划分联合使用.
    –单独使用ESIZE (智能网格划分关闭) 将采用相同的单元尺寸对体(或面) 划分网格.
    –在智能网格划分打开时, ESIZE 充当“向导,”但为了适应线的曲率或几何近似指定的尺寸可能无效.
    缺省尺寸
    ·如果您不指定任何控制, ANSYS 将使用缺省尺寸, 它将根据单元阶次指定线的最小和最大份数, 表面高宽比等.
    ·用于映射网格划分, 但在智能网格划分关闭时, 自由网格划分也可使用.
    ·您可以采用DESIZE命令或Preprocessor > -Meshing-Size Cntrls> -Global-Other 调节缺省的尺寸规格.
    关键点尺寸
    ·通过关键点控制单元尺寸:
    –Preprocessor > MeshTool> “Size Controls: Keypt”[Set]
    –或KESIZE命令
    –或Preprocessor > -Meshing-Size Cntrls> -Keypoints-
    不同的关键点可以不同的KESIZE, 为您在网格上有更多的控制.
    ·对应力集中区域非常有用.
    ·智能网格划分打开时,为了适应线的曲率或几何近似指定的尺寸可能无效.

    线尺寸
    ·控制线上单元尺寸:
    –Preprocessor > MeshTool> Size Controls: Lines [Set]
    –或LESIZE命令
    –或Preprocessor > -Meshing-Size Cntrls> -Lines-
    不同的线可以有不同的LESIZE.
    ·指定尺寸可以是“硬的”或“软的.”
    –“硬的”尺寸即使在智能网格划分打开时也将被网格划分器采用. 在所有其它尺寸控制最优先.
    –“软的”尺寸在智能网格划分打开时可能无效.
    ·您也可以指定一个边长比例—最后一个分割与第一个分割的比率. 使网格偏向线的一端或中间.

    面尺寸
    ·在面的内部控制单元尺寸:
    –Preprocessor > MeshTool> “Size Controls: Areas”[Set]
    –或AESIZE命令
    –或Preprocessor > -Meshing-Size Cntrls> -Areas-
    不同的面可以有不同的AESIZE.

    ·面与面的交线仅在未指定LESIZE 或KESIZE且邻近无尺寸更小的面时使用指定尺寸.
    ·智能网格划分打开时,为了适应线的曲率或几何近似指定的尺寸可能无效.
    ·演示:
    –恢复ribgeom.db
    –用SMRT,6 划分网格. (并非很好的网格)
    –用SMRT,3 重新划分网格(好的网格)
    –将ESIZE设为0.2后重新划分网格. 由于智能网格划分器考虑了ESIZE ,即使SMRT设为3, 网格也变得很粗糙. 同时注意单元尺寸并不相同(因为SMRT 为打开状态).
    –关闭SMRT重新划分网格.单元尺寸现在完全相同.

C. 改变网格

    ·如果划分的网格不满意, 您总可以通过以下步骤重新划分网格:
    1.清除网格.
    ·clear操作网格划分的逆操作: 它将删除节点和单元.
    ·使用在MeshTool中得[Clear]按钮, 或使用VCLEAR, ACLEAR, 等.
    (若您在使用MeshTool, 您可以跳过这一步,因为程序将在执行第3步时提示您是否清除网格)
    2.指定新的或不同的网格控制.
    3.再次划分网格.

    ·另一个网格划分选项是在指定的区域refine(细化)网格.
    –对所有的面单元和四面体体单元有效.
    –简易的方法是使用MeshTool:
    ·存储数据库.
    ·选择您想要细化的区域—在节点, 单元, 关键点, 线, 或面—按Refine键.
    ·拾取您想要细化的实体. (若选择“All Elems不必执行此操作.”)
    ·选择细化的尺寸级别. 级别1 (最小细化) 是一个好的起点.

D. 映射网格划分

    ·有两种主要的网格划分方法: 自由划分和映射划分.
    ·自由划分
    –无单元形状限制.
    –网格无固定的模式.
    –适用于复杂形状的面和体.

    ·映射划分
    –面的单元形状限制为四边形,体的单元限制为六面体(方块).–通常有规则的形式,单元明显成行.
    –仅适用于“规则的”面和体, 如矩形和方块.

    自由网格
    +易于生成; 不须将复杂形状的体分解为规则形状的体.
    –体单元仅包含四面体网格, 致使单元数量较多.
    –仅高阶(10-节点) 四面体单元较满意,因此DOF(自由度)数目可能很多.
    映射网格
    +通常包含较少的单元数量.
    +低阶单元也可能得到满意的结果,因此DOF(自由度)数目较少.
    –面和体必须形状“规则”, 划分的网格必须满足一定的准则.
    –难于实现, 尤其是对形状复杂的体.
    生成自由网格
    ·自由网格是面和体网格划分时的缺省设置.
    ·生成自由网格比较容易:
    –导出MeshTool工具, 划分方式设为自由划分.
    –推荐使用智能网格划分进行自由网格划分, 激活它并指定一个尺寸级别. 存储数据库.
    –按Mesh按钮开始划分网格.
    ·按拾取器中[Pick All]选择所有实体(推荐).
    –或使用命令VMESH,ALL或AMESH,ALL.

生成映射网格
    ·由于面和体必须满足一定的要求,生成映射网格不如生成自由网格容易:
    –面必须包含3 或4 条线(三角形或四边形).
    –体必须包含4, 5, 或6 个面(四面体, 三棱柱, 或六面体).
    –对边的单元分割必须匹配.
    ·对三角形面或四面体, 单元分割数必须为偶数.

    ·对四边形面或六面体, 允许采用不等的分割, 如下面的例子所示, 但分割数必须满足一个关系式(见下页).

    ·因此,映射网格划分包含以下三个步骤:
    –保证“规则的”形状, 即, 面有3 或4 条边, 或体有4, 5, 或6 个面.
    –指定尺寸和形状控制
    –生成网格
    保证规则的形状
    ·在许多情况下, 模型的几何形状上有多于4条边的面,有多于6个面的体. 为了将它们转换成规则的形状, 您可能进行如下的一项或两项操作:
    –把面(或体) 切割成小的, 简单的形状.
    –连接两条或多条线(或面) 以减少总的边数.
    ·切割可以通过布尔减运算实现.
    –您可以使用工作平面, 一个面, 或一条线作为切割工具.
    –有时, 生成一条新的线或面会比移动或定向工作平面到正确的方向容易得多.

    ·连接操作是生成一条新线(为网格划分) ,它通过连接两条或多条线以减少构成面的线数.
    –使用LCCAT命令或Preprocessor > -Meshing-Concatenate > Lines, 然后拾取须连接的线.
    –对面进行连接, 使用ACCAT命令或Preprocessor > -Meshing-Concatenate > Areas

    ·您也可以简单地通过一个面上的3个或4个角点暗示一个连接. 此时, ANSYS 内在地生成一个连接.
    –在MeshTool中选择Quad shape和Map网格.
    –将3/4 sided变为Pick corners.
    –按Mesh 键, 拾取面, 然后拾取3 或4 角点形成一规则的形状.

    ·使用连接时注意:
    –它仅仅是一个网格划分操作,因而应为网格划分前的最后一步, 在所有的实体建模之后. 这是因为，经连接操作得到的实体不能在后续的实体建模操作中使用.
    –可以通过删除产生的线或面“undo(取消)”一个连接.
    –连接面(为在体上映射网格) 通常比较复杂,因为您也应该连接一些线. 只有在对相邻的两个4边形面作连接时其中的线会自动连接.
    –若两条线或两个面相切交汇可考虑用加(布尔) 运算.
    指定尺寸和形状控制
    ·这是映射网格划分3个步骤中的第2步.
    ·选择单元形状非常简单. 在MeshTool中,对面的网格划分选择Quad,对体的网格划分选择Hex, 点击Map.
    ·其中通常采用的尺寸控制和级别如下:
    –线尺寸[LESIZE] 级别较高.
    –若指定了总体单元尺寸, 它将用于“未给定尺寸的”线.
    –缺省的单元尺寸[DESIZE]仅在未指定ESIZE时用于“未给定尺寸的”线上.
    –(智能网格划分无效.)
    ·若您指定线的分割数, 切记:
    –对边的分割数必须匹配, 但您只须指定一边的分割数. 映射网格划分器将把分割数自动传送到它的对边.
    –如果模型中有连接线, 只能在原始(输入)线上指定分割数,而不能在合成线上指定分割数.

    生成映射网格
    ·只要保证了规则的形状并指定了合适的份数, 生成网格将非常简单. 只须按MeshTool中的Mesh键, 然后按拾取器中的[Pick All]或选择需要的实体即可.

    ·问题:为划分映射网格您将如何切割这个模型?
    ·答案:不值得费力!

E. 过渡网格划分

    ·对体划分网格, 至今我们已见了两种选择:
    –自由网格划分, 生成一个全四面体网格. 这很容易实现但在某些情况下并不令人满意,.
    –映射网格划分, 生成一个全六面体网格. 这一方法令人满意但通常很难实现.
    ·Hex-to-tetmeshing提供了第三种选择,它“集两家之长.”将四面体和六面体网格很好地结合起来而不破坏网格的整体性.

    ·这一选择是在六面体单元和四面体单元间的过渡区生成金字塔形单元，要求：
    –必须有六面体网格(至少在交界面上有四边形网格).
    –网格划分器首先生成四面体单元, 然后通过组合或重新组织过渡区的四面体单元形成金字塔形单元.
    –仅适用于既支持金字塔形又支持四面体形状的单元类型, 例如:
    ·结构单元SOLID95, 186, VISCO89
    ·热单元SOLID90
    ·多物理场单元SOLID62, 117, 122SOLID95
    –即使在过渡区结果也会很好. 即使是从线性六面体单元向二次四面体单元过渡,单元表面都是协调的.

    –过渡网格对二次-到-二次和线性-到-二次的过渡都是有效的. 后者的单元类型必须支持9-节点金字塔单元.

    过程包括四个步骤:
    1.生成六面体单元.
    –由对规则形状体划分映射网格开始. (或对交界面划分四边形网格.)
    –对于应力分析, 既可采用8-节点块体单元(SOLID45 或SOLID185) 也可用20-节点块体单元(SOLID95 或SOLID186).

    2.激活既支持金字塔单元又支持四面体单元的单元类型.
    –这些单元类型的块体单元通常可退化为金字塔单元或四面体单元. 检查在线的单元手册,查看哪些单元类型有效.
    –例如:
    ·结构单元SOLID95, 186, VISCO89
    ·热单元SOLID90
    ·多物理场单元SOLID62, 117, 122
    3.生成四面体单元.
    –首先激活自由网格划分.
    –然后划分那些要生成四面体单元的体.
    在分界面上会自动生成金字塔单元.

    4.将退化的四面体单元转换成真实的10-节点四面体单元.
    –由转换网格生成器生成的四面体网格由退化单元组成—如从20-节点块体单元导出的10-节点四面体单元.
    –这些单元不如真实的10-节点四面体单元(如SOLID92)有效, 它求解过程中使用较少的内存,写较小的文件.
    –为了将退化的四面体单元转换成真实的四面体单元,采用:
    ·Preprocessor > -Meshing-Modify Mesh > Change Tets...
    ·或使用TCHG命令.

F. 网格拖拉

    ·当把一个面拖拉成一个体时, 您可以将面上的网格随同它一起拖拉, 得到一个已网格化的体. 这称为网格拖拉.
    ·优点:易于生成带有块体单元(六面体)或块体单元和棱柱体单元组合的体网格.
    ·必要条件: 体的形状必须允许它拖拉.

    步骤
    1.定义两种单元类型—一种面单元和一种体单元.
    –面单元:选择MESH200 四边形单元. MESH200 是一种仅划分网格(不求解)的单元没有与之相关的自由度或材料特性
    –体单元:应与MESH200 单元类型匹配. 例如, 若您选择的MESH200单元有中间节点, 那么3-D 实体单元也应有中间节点.
    –ET命令或Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

    2.用MESH200单元划分需拖拉的面.
    –使用需要的映射划分或自由划分网格密度.
    –Preprocessor > MeshTool
    3.选定单元拖拉选项.
    –EXTOPT命令或Preprocessor > Operate > Extrude > ElemExt Opts
    –典型的选项是:
    ·激活TYPE 属性(应为3-D 实体).
    ·在拖拉方向单元的份数(即,厚度方向的单元数). 必须大于零; 否则, 仅拖拉面,而不拖拉网格.

    4.拖拉面.
    –若有连接线,先删除它. 如果存在连接, ANSYS 将不允许进行拖拉操作.
    ·Preprocessor > -Meshing-Concatenate > -Del Concats-Lines
    –然后利用任一种拖拉方法拖拉面.

G. 扫掠划分

    ·扫掠划分是另一种为体划分网格的选择. 它是一个通过扫掠面上的网格从而为一个已有的体划分网格的过程.
    ·与网格拖拉相似, 只是在这一情况下体必须是存在的(如通过几何体的输入).

    ·优点:
    –易于生成带有块体单元(六面体)或块体单元和棱柱体单元组合的体网格.
    –对体进行四面体网格划分时,选项设置是“不可扫掠的.”自动生成过渡金字塔网格.
    ·必要条件:
    –体在扫掠方向的拓扑结构必须一致. 例如: 穿孔的块体(即使孔洞是锥体).
    –源面和目标面必须是单个面. 而不允许是连接面.

    步骤
    ·定义并激活一个3-D 六面体实体单元类型, 如结构单元SOLID45 或SOLID95.
    ·进入MeshTool选择Hex/Wedge和Sweep.
    ·选择如何识别源面和目标面:
    –“Auto Source/Target”选项意味着ANSYS 会根据体的拓扑结构自动选择它们.
    –“Pick Source/Target”选项意味着您要选择它们.
    ·按SWEEP键,遵照拾取器后续的提示指令完成划分. (或使用VSWEEP命令.)

    四面体网格划分选项
    ·在不可采用扫掠划分的体中生成四面体网格是一个十分有用的扫掠选项.
    ·为使用此选项:
    –确信单元类型支持退化的金字塔和四面体形单元,如:
    ·结构单元SOLID95, 186, VISCO89
    ·热单元SOLID90
    ·多物理场单元SOLID62, 117, 122
    –选择Preprocessor > -Meshing-Mesh > -Volume Sweep-Sweep Opts 并激活四面体网格划分. (或使用EXTOPT,VSWE命令.)

    注意
    ·对一个复杂形体进行映射网格划分, 您需要对它做多次切割,做一些连接面或连接线. 若采用扫掠划分, 您只需做几次切割操作, 而不需连接操作!
    ·您可以利用标准的网格控制来确定源面的网格. 一般不提倡使用智能网格划分,因为它是用于自由网格划分.