第4章 ANSYS12.0 Meshing 網格劃分
4.1 ANSYS12.0 Meshing網格劃分概述
網格是計算機輔助工程（ CAE技術）模擬過程中不可分割的一部分。網格直接影響到精度，收斂性和解決方案的速度。此外，建立網格模型所花費的時間往往是取得CAE解決方案所花費的時間中一個重要部分。因此，一個越好的自動化的網格工具，越能得到更好的解決方案。
從簡單，自動化網格，以及到高度復雜的流體網格， ANSYS12.0軟件提供了最終的解決方案。強大的自動化能力通過 關閉物理參數和實用智能缺省設置簡化了一個新幾何體的網格初始化，從而使得網格在第一次使用時就能生成。此外，用戶可以變化參數得到即時的更新，在前期設計中從CAD到CAE能自由切換。 一旦發現最好的設計， ANSYS12.0的網格技術提供了生成網格的靈活性，可以把正確的網格用于正確的地方，并確保在物理模型上進行精確有效的數值模擬。
網格的節點和單元參與有限元求解，ANSYS12.0在求解開始時會自動生成默認的網格。可以通過預覽網格，檢查有限元模型是否滿足要求，細密的網格可以使結果更精確，但是會增加CPU計算時間和需要更大的存儲空間，因此需要權衡計算成本和網格劃分份數之間的矛盾。在理想情況下，我們所需要的網格密度是結果隨著隨網格的細化而收斂，但要提示：細化網格不能彌補不準確的假設和錯誤的輸入條件。
4.2 ANSYS12.0 Meshing網格劃分方法
不同的物理場對網格的要求不一樣，通常流場的網格比結構場要細密的多，因此選擇不同的物理場，也會有不同的網格劃分。把【Meshing】組件調入工程流程圖，可以通過【Tools】?【Options】?【Meshing】設置缺省的物理環境，如圖4-1。
圖4-1 網格劃分物理環境設置
網格劃分類型根據算法可以分為：協調分片算法【Patch Conforming】和獨立分片算法【Patch Independent】。協調分片算法的分片面及邊界考慮零件實體間的相互影響采用小公差。常用于考慮幾何體的小特征。可以用虛擬拓撲工具把一些面或邊組成組，構成虛擬單元，從而減少單元數目，簡化小特征，簡化載荷提取，因此如果采用虛擬拓撲工具可以放寬分片限
制。獨立分片算法的分片不是太嚴格，通常用于統一尺寸的網格。機械分析適用于協調分片算法劃分，電磁分析和流體分析適合協調分片算法劃分或獨立分片算法劃分，顯式動力分析適用于獨立分片算法劃分或有虛擬拓撲的協調分片算法劃分。
網格劃分類型根據單元形狀可以分為：四面體網格【Tet Meshing】，六面體網格【Hex Meshing】，四邊形網格【Quad Meshing】，三角形網格【Triangle Meshing】。
4.3 ANSYS12.0 Meshing網格劃分控制
4.3.1 網格劃分用戶界面
選擇幾何模型后，進入網格劃分【Meshing】環境及相關說明如圖4-2所示，網格選項顯示默認的物理場及網格劃分方法，圖形區的網格顯示為相關物理場的默認網格劃分結果，網格劃分整體控制屬性如表4-1，網格質量檢查控制如表4-2，網格劃分工具條用于網格控制及生成，其相關命令表示如表4-3.
圖4-2 網格劃分用戶界面
表4-1：網格劃分整體控制屬性設置
網格劃分屬性說明
【Defaults】默認設置
選擇物理場
網格相關度（–100至+100）由疏到密
【Sizing】網格尺寸控制
使用高級尺寸函數（關閉）
相關度中心（稀疏）
定義平均的單元邊長
控制網格基準（根據激活裝配體確定）
平滑度（中等）
網格過渡（快速）
跨度角中心（稀疏）
最小單元邊長
【Inflation】網格膨脹控制
使用自動四面體膨脹（無）
膨脹選項
過渡比（0.272）
最大層（5）
生長率（1.2）
膨脹算法
顯示高級選項（無）
【Advanced】網格高級控制
形狀檢查檢驗單元質量（標準結構）
單元是否帶中節點（程序控制）
網格采用直邊單元（無）
重試次數（默認為4）
剛體行為
是否允許網格變形（否）
【Pinch】網格收縮控制
網格收縮公差(需定義)
網格刷新后重生成（否）
【Statistics】網格劃分統計
網格劃分的節點數
網格劃分的單元數
網格劃分的節點數
網格檢查準則
表4-2：網格檢查準則
設置網格檢查準則 網格檢查準則說明
無（默認）
單元質量檢驗
縱橫比檢驗
雅可比率檢驗
翹曲因子檢驗
平行偏差檢驗
最大頂角檢驗
偏斜檢驗
表4-3：網格劃分命令說明
網格命令說明 網格控制說明
網格生成 網格劃分方法
預覽表面網格 尺寸控制
預覽源及目標網格 接觸尺寸控制
CFX中編輯網格 網格細化
映射面網格劃分
面匹配控制
收縮控制
膨脹控制
4.3.2 網格劃分方法
選擇命令【Mesh Control】?【Method】，提供如下六種方法：
圖4-3 網格劃分方法
1. 【Automatic】：程序自動劃分網格
2. 【Tetrahedrons】：采用四面體單元劃分。
3. 【Hex Dominant】：主要采用六面體單元劃分，但是包含少量金字塔單元和四面體單元 。
4. 【Sweep】：掃掠劃分，可以掃掠的實體劃分后具有的是六面體單元，也可能包含楔形單元，其他實體采用四面體單元劃分，掃掠劃分要求實體在某一方向上具有相同的拓撲結構，在【Mesh】 分支上點擊右鍵選擇【Show Sweepable Bodies】可以看到能夠采用掃掠劃分的體，此時該體被選中，如圖4-4。
5. 【Multizone】：多重區域網格劃分自動對幾何體進行分解成映射區域和自由區域，可以自動判斷區域并生成純六面體網格，對不滿足條件的區域采用更好的非結構網格劃分，多重區域網格劃分和掃掠網格劃分相似，但更適合于用掃掠方法不能分解的幾何體。
6. 【CFX-Mesh】：采用流體網格CFX劃分實體
圖4-4 顯示可掃掠實體
4.3.3 網格局部尺寸控制【Sizing】
【Sizing】尺寸控制允許設置局部單元大小，采用如下方法：
1. 【Element Size】 設置單元平均邊長
2. 【Number of Divisions】 設定邊上的單元數目
3. 【Sphere of Influence】 用球體設定控制單元平均大小的范圍，球體的中心坐標采用的是局部坐標系，所有包含在球域內的實體單元網格尺寸按給定尺寸劃分，如圖4-5。
圖4-5 球體區域控制局部網格
4.3.4 接觸區域網格控制【Contact Sizing】
【Contact Sizing】允許在接觸面上產生大小一致的單元。 接觸面定義了零件間的相互作用，在接觸面上采用相同的網格密度對分析有利， 在接觸區域可以設定【Element Size】或【Relevance】如圖4-6。
圖4-6 接觸區網格控制
4.3.5 網格局部單元細化【Refinement】
【Refinement】可以對已經劃分的網格進行單元細化，一般而言，網格劃分先進行整體和局部網格控制，然后對被選的邊、面進行網格細化。 推薦使用“1“級別細化。這使單元邊界劃分為初始單元邊界的一半，這是在生成粗網格后，網格細化得到更密網格的簡易方法。如圖4-7.
圖4-7 網格局部單元細化
提示：尺寸控制和細化控制的區別：
1. 尺寸控制在劃分前先給出單元的平均單元長度。通常來說，在定義的幾何體上可以產生一致的網格，網格過渡平滑。
2. 細化是打破原來的網格劃分。如果原來的網格不一致，細化后的網格也不一致。盡管對單元的過渡進行平滑處理，但是細化仍導致不平滑的過渡。
3. 在同一個表面進行尺寸和細化定義。在網格初始劃分時，首先應有尺寸控制，然后在進行第二步的細化。
4.3.6 映射面網格劃分【Mapped Face meshing】
映射面網格劃分【Mapped Face meshing】允許在面上生成結構網格,如圖4-8對內圓柱面進行映射網格劃分可以得到很一致的網格。這樣對計算求解有益。如果因為某些原因不能進行映射面網格劃分，網格劃分仍將繼續，導航樹上會出現相應的標志。
圖4-8 映射面網格劃分
4.3.7 面匹配網格劃分【Match Control】
面匹配網格【Match Control】用于在對稱面上劃分一致的網格，尤其適用于旋轉機械的旋轉對稱分析。因為旋轉對稱所使用的約束方程其連接的截面上節點的位置除偏移外必須一致，如圖4-9。
圖4-9 旋轉對稱模型
4.3.8 虛擬拓撲工具【Virtual Topology】
虛擬拓撲【Virtual Topology】允許為了更好的進行網格劃分而合并面，【Virtual Cell】虛擬單元就是把多個相鄰的面定義為一個面。虛擬單元可以把小面縫合到一個大的面中，屬于虛擬單元原始面上的內部線，不再影響網格劃分，所以劃分這樣的拓撲結構可能和原始幾何體會有不同，對于其他操作如加載面就不被承認，而用虛擬單元代替，如圖4-10。
虛擬單元通常用于刪除小特征從而在特定的面上減小單元密度，或刪除有問題幾何體，如長縫或是小面，從而避免網格劃分失敗，但是，要提示虛擬單元改變了原有的拓撲模型，因此內部的特征如果有加載、支撐、求解等將不再被考慮。
圖4-10 虛擬拓撲網格
4.4 網格劃分控制方法案例—轉動曲柄裝配體
1. 導入CAD幾何模型，見圖4-11
1) 【Mesh】拖入工程流程圖【Project Schematic】
2) 導入CAD幾何模型：【Geometry】?【Import Geometry】=crank-assy.sat
3) 保存工程文件：【Save】
圖4-11 導入CAD幾何模型
2. 設置手柄網格尺寸，見圖4-12
1) 程序選擇自動網格尺寸劃分，顯示網格，導航樹中選擇【Mesh】
2) 圖示為默認網格
3) 選擇網格尺寸控制命令：【Mesh Control】?【Sizing】
4) 圖形窗口選擇手柄實體
5) 尺寸控制屬性中確認1個實體選中：【Details of ―Body Sizing‖- Sizing】?【Scope】?【Geometry】=1 Body
6) 設置單元邊長：【Details of ―Body Sizing‖ - Sizing】?【Definition】?【Element Size】=0.1mm
圖4-12 設置手柄網格尺寸
3. 對手柄進行多重區域網格劃分，見圖4-13
1) 僅顯示手柄1個實體：導航樹中選擇【Model】?【Geometry】?【Part2】鼠標右鍵選【Hide All Other Bodies】
2) 選擇網格控制方法：【Mesh Control】?【Method】
3) 控制屬性中確認1個實體選中：【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Scope】?【Geometry】=1 Body
4) 設置多重區域網格劃分方法：【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Definition】?【Method】=Multizone
5) 手動選擇源/目標面：【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Definition】?【Src/Trg Selection】=Manual Source
6) 按住【Ctrl】鍵，圖形區選中上中下3個表面
7) 確認所選擇的面：【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Definition】?【Source】=Apply
8) 修改公差：【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Adanced】?【Defeaturing Tolerance】=0.001mm
9) 生成網格，導航樹中選擇【Mesh】，鼠標右鍵選擇【Generate Mesh】
10) 手柄網格劃分如圖示六面體網格。
圖4-13 手柄多重區域網格劃分
4. 設置曲柄尺寸，見圖4-14
1) 選擇網格尺寸控制命令：【Mesh Control】?【Sizing】
2) 圖形窗口選擇曲柄實體
3) 尺寸控制屬性中確認1個實體選中：【Details of ―Body Sizing2‖- Sizing】?【Scope】?【Geometry】=1 Body
4) 設置單元邊長：【Details of ―Body Sizing2‖ - Sizing】?【Definition】?【Element Size】=0.2mm
圖4-14 設置曲柄尺寸
5. 對曲柄進行掃掠網格劃分，見圖4-15
1) 選擇網格控制方法：【Mesh Control】?【Method】
2) 顯示曲柄，控制屬性中確認1個實體選中：【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Scope】?【Geometry】=1 Body
3) 設置掃掠網格劃分方法：【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Definition】?【Method】= Sweep
4) 設置掃掠方向的網格劃分為單元分割數：【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Definition】?【Type】=Number of Divisions
5) 掃掠方向分4層單元：【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Definition】?【Sweep Num Divs】=4
6) 生成網格，導航樹中選擇【Mesh】，鼠標右鍵選擇【Generate Mesh】
7) 曲柄網格劃分如圖示掃掠六面體網格。
圖4-15 曲柄掃掠網格劃分
6. 銷軸頂面生成虛擬單元，見圖4-16
1) 顯示銷軸：導航樹中選擇【Model】?【Geometry】?【Part3】鼠標右鍵選【Hide All Other Bodies】
2) 導航樹選【Mesh】，工具條中選擇虛擬拓撲工具【Virtual Topology】
3) 圖形區選擇銷軸頂部連續3個面
4) 選擇的面生成虛擬單元：導航樹選擇【Virtual Topology】，鼠標右鍵選擇【Generate Virtual Cells】圖形區顯示3個面構成一個面
5) 生成網格：導航樹中選擇【Mesh】，鼠標右鍵選擇【Generate Mesh】
6) 銷軸網格劃分如圖示四面體網格。
圖4-16 銷軸頂面生成虛擬單元
7. 銷軸頂部生成局部坐標系，見圖4-17
1) 導航樹中選擇坐標系【Coordinate Systems】
2) 工具條中選擇創建坐標系【Coordinate Systems】
3) 圖形區選擇圓柱面，新坐標系原點將定位到選擇面中心
4) 確認局部坐標系原點：【Details of ―Coordinate System‖】?【Origin】?【Geometry】=Apply
5) 導航樹中生成新的局部坐標系統【Coordinate Systems】?【Coordinate System】
圖4-17 銷軸頂部生成局部坐標系
8. 銷軸局部球形區域網格劃分，見圖4-18
1) 選擇網格尺寸控制命令：【Mesh Control】?【Sizing】導航樹出現【Body Sizing3】
2) 圖形窗口選擇銷軸實體，尺寸控制屬性中確認1個實體選中：【Details of ―Body Sizing3‖- Sizing】?【Scope】?【Geometry】=1 Body
3) 設置網格劃分為球形區域【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Type】=Sphere of Influence
4) 設置球形區域中心為局部坐標：【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Sphere Center】=Coordinate System
5) 設置球形區域半徑：【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Sphere Radius】=0.5mm
6) 設置球形區域內網格劃分的單元邊長：【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Element Size】=0.1mm
7) 圖形區顯示球形區域對銷軸的影響范圍
圖4-18 銷軸局部球形區域網格劃分
9. 生成映射面網格，見圖4-19
1) 選擇網格劃分方法：【Mesh Control】?【Mapped Face Meshing】。
2) 按住【ctrl】鍵，圖形區選擇8個表面。
3) 確認8個面選中：【Details of ―Mapped Face Meshing‖ 】?【Scope】?【Geometry】=8 Faces。
4) 生成網格，導航樹中選擇【Mesh】，鼠標右鍵選擇【Generate Mesh】。
5) 曲柄網格劃分如圖示，外表面為映射面網格。
圖4-19 生成映射面網格
10. 生成接觸面網格，見圖4-20
1) 選擇網格控制方法：【Mesh Control】?【Contact Sizing】。
2) 顯示所有實體：導航樹中選擇【Model】?【Geometry】?【Part1】鼠標右鍵選【Show All Bodies】。
3) 選擇接觸區：【Details of ―Contact Sizing‖ - Contact Sizing】?【Scope】?【Contact Region】= Contact Region。
4) 圖示選中的接觸區為曲柄和手柄接觸處。
5) 設置網格劃分按照相關度：【Details of ―Contact Sizing‖ - Contact Sizing】?【Definition】?【Type】=Relevance。
6) 設置相關度值【Details of ―Contact Sizing‖ - Contact Sizing】?【Definition】?【Relevance】=20。
7) 生成網格，導航樹中選擇【Mesh】，鼠標右鍵選擇【Generate Mesh】。
8) 網格劃分如圖示，接觸區網格加密，保存文件。
圖4-20生成接觸面網格
4.5 多體零件共享拓撲印記面及匹配網格劃分案例
該案例比較多體零件中共享拓撲【Shared Topology】的三種方法，【Automatic】自動方法在交界面合并節點，即節點匹配而不產生接觸，【Imprints】印記面方法限定交界面的接觸區域，因此提供更好的接觸行為的控制，【None】不設定方法則和以前的版本一樣產生接觸行為。
案例演示：
1. 調入【Mesh】網格劃分組件。
2. 如圖4-21創建多體零件【Geometry】-【New Geometry】
1) DM中【XYPlane】創建草圖1【Sketch1】
2) 草圖為200*100mm四邊形如圖
3) 從草圖1創建拉伸特征，拉伸長度30mm
4) 長方體表面創建工作面【Plane4】創建草圖2【Sketch2】
5) 草圖為六邊形，相對居中如圖示
6) 從草圖2創建拉伸特征，拉伸長度100mm
7) 拉伸特征設置為冰凍體，圖形區生成2個實體
8) 【XYPlane】沿Z方向平移200mm，創建新平面【Plane5】
9) 【XYPlane】沿Z方向平移400mm，創建新平面【Plane6】
10) 創建體操作特征【BodyOp5】，將原來2個實體從平面【XYPlane】移動到新平面【Plane5】，并保留原實體
11) 圖中顯示新復制的2個實體，圖形區共有4個實體。
12) 創建體操作特征【BodyOp6】，將原來2個實體從平面【XYPlane】移動到新平面【Plane6】，并保留原實體。
13) 圖中顯示新復制的2個實體，圖形區共有6個實體。
14) 用生成多體零件命令【Form New Parts】將原實體【Solid1】和【Solid2】組成新多體零件，采用自動方法并改名為【Part-Automatic】。
15) 用生成多體零件命令【Form New Parts】將實體【Solid-a1】和【Solid-a2】組成新多體零件，采用印記面方法并改名為【Part-Imprint】。
16) 用生成多體零件命令【Form New Parts】將實體【Solid-b1】和【Solid-b2】組成新多體零件，采用不設置方法并改名為【Part-None】。
圖4-21 創建多體零件
3. 工程流程圖中選擇【Mesh】-【Edit】切換到【Meshing】網格劃分環境，生成網格圖4-22
1) 導航樹【Geometry】下顯示3個多體零件。
2) 查看接觸關系并改名接觸對，選擇【Connections】-【Contact Region –imprint】。
3) 詳細信息顯示有接觸面的實體為【Solid-a1】和【Solid-a2】。
4) 圖形區顯示印記面的多體零件接觸區域是完全匹配面。
5) 查看接觸關系并改名接觸對，選擇【Connections】-【Contact Region –none】。
6) 圖形區顯示不設置的多體零件接觸區域是非匹配面。
7) 生成默認網格【Mesh】-【Generate Mesh】。
8) 自動多體零件網格在交界面節點處匹配，生成六面體和四面體網格。
9) 印記面多體零件網格在交界面節點處不匹配，生成六面體和四面體網格。
10) 不設置多體零件網格在交界面節點處不匹配，生成六面體網格。
圖4-22 生成網格
在片體獨立算法【Patch Independent】中，可以設置交界面處節點是否匹配選項【Match Mesh Where Possible】，對模擬接觸行為而言，由于接觸表面節點不匹配時，會產生初始穿透，因此設置節點匹配選項可以防止不必要的初始接觸行為。選擇交界面處節點匹配根據需求，如果是較大的模型，可以將相似實體構成多體零件，采用印記面或接觸行為，如果采用其它的網格控制方法以及嚴格限定接觸區域應選擇印記面接觸，這樣在接觸面上允許精細網格而其他區域為粗網格。
4. 顯式動力分析環境節點匹配的網格劃分，如圖4-23
圖4-23 顯式動力環境節點匹配網格劃分
1) 接上例，選擇【Mesh】。
2) 物理環境設置為顯式動力分析【Details of Mesh】?【Defaults】?【Physics Preference】=Explicit。
3) 網格劃分自動采用片體獨立算法【Patch Independent】。
4) 選擇所有實體【Details of Patch Independent】?【Scope】?【Geometry】=6 bodies。
5) 設置單元尺寸【Details of Patch Independent】?【Advanced】?【Min Size Limit】=10mm。
6) 節點匹配網格【Details of Patch Independent】?【Advanced】?【Match Mesh Where Possible】=Yes。
7) 圖形區中3個多體零件的實體交界面處節點匹配，且均為四面體網格。
注意：由于顯示動力分析中多數為接觸問題，因此上例中設置為顯示動力分析環境，對結構分析中，如果考慮接觸問題，需要避免初始穿透時也可以采用網格匹配選項，讀者可自行驗證，課程教學中有附加案例加以說明。
4.5 裝配體薄層掃掠網格劃分及案例
薄層掃掠【Thin Sweep】對薄層實體允許沿厚度方向分層進行掃掠，對多體零件，沿厚度方向僅劃分一層單元，對裝配體沿厚度方向則可以劃分多層單元。選擇掃掠網格化分方法【Sweep】后，可以設置自動薄層掃掠【Automatic Thin】或手動薄層掃掠【Manual Thin】，設置沿厚度方向的分割數。
圖4-24為對幾何模型MidSurfaceBracket.agdb進行薄層掃掠的結果，圖中上部為裝配體薄層掃掠網格，薄層厚度方向為2層單元，圖中下部為多體零件薄層掃掠網格，薄層厚度方向為1層單元，詳細操作見課堂講解或參見演示文件。
圖4-24 裝配體薄層掃掠
詳細原文，詳見附件：ANSYS_12.0_Workbench-熱分析教程.pdf
標簽： 點擊： 評論:
版權聲明：除非特別標注，否則均為本站原創文章，轉載時請以鏈接形式注明文章出處。
