2.6.3&Smartsize网格划分控制
2.6.3& Smartsize网格划分控制
Smartsize是ANSYS提供的强大的自动网格划分工具，它具有自己的内部计算机制。在很多情况下，使用Smartsize更有利于在网格生成过程中生成形状合理的单元。在进行自由网格划分时，建议用户使用Smartsize控制网格的大小。自由网格划分的具体内容将在2.7节进行阐述。
如果用四边形单元来为面划分网格，Smartsize尽量给每一个面平均分配线数，以使其全部划分为四边形。当网格为四边形时，如果生成的单元形状很差或在边界出现奇异域，应该考虑使用三角形单元。
2.6.3.1& Smartsize的基本控制
基本控制是指用Smartsize的网格划分水平值（从1到10）来控制网格划分大小。程序会自动地设置一套独立的控制值来生成想要的大小，其中默认的网格划分水平是6。用户可以按自己的需要进行修改。修改的方法为在图2.41所示的MeshTool对话框中调节Smart
Size项的滑块。
还可以选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size
Contrls→SmartSize→Basic命令，弹出如图2.43所示的Basic SmartSize
Settings对话框。在Size Level下拉列表框中，从1（细）到10（粗糙）选择一个级别，再单击OK按钮即可。
图2.43& Smartsize基本控制
2.6.3.2& Smartsize的高级控制
当用户需要对Smartsize作特殊的网格划分设置时，就需要使用高级控制技术了。Smartsize的高级控制给用户提供了人工控制网格质量的可能，用户可以改变诸如小孔和小角度处的粗化选项等。选择Main
Menu→Preprocessor→Meshing→Size Contrls→SmartSize→Adv
Opts命令，将弹出如图2.44所示的Advanced SmartSize Settings对话框。
FAC用于计算默认网格尺寸的比例因子，当用户没有使用类似于ESIZE的命令对对象划分网格作出特殊制定时，该值的设置直接影响到单元的大小，取值范围为0.2~5.0。
EXPND为网格划分胀缩因子，该值决定了面内部单元尺寸的比例关系，取值范围为0.5~4。
TRANS为网格划分过滤因子，该值决定了从面的边界到内部单元尺寸胀缩的速度，该值必须大于1，而且最好小于4。
ANGL针对于低阶单元，该值设置了每单元边界过渡中允许的最大跨越角度，ANSYS默认为22.5度（SmartSize的水平值为6时）。
其他参数用默认值即可。
图2.44& Smartsize高级控制
当在MeshTool对话框中选中Smart
Size复选框，并拖动滑块进行了SmartSize水平设置后，高级控制对话框中的值将自动恢复为默认值。因此，在高级控制对话框中修改了参数后，应马上进行网格划分。
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。[文章]结构有限元分析中的网格划分技术及其应用实例(上)_模型_中国百科网
[文章]结构有限元分析中的网格划分技术及其应用实例(上)
     一、前言 有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号以及几何体素。从几何表达上讲，梁和杆是相同的，从物理和数值求解上讲则是有区别的。同理，平面应力和平面应变情况设计的单元求解方程也不相同。在有限元数值求解中，单元的等效节点力、刚度矩阵、质量矩阵等均用数值积分生成，连续体单元以及壳、板、梁单元的面内均采用高斯（Gauss）积分，而壳、板、梁单元的厚度方向采用辛普生（Simpson）积分。辛普生积分点的间隔是一定的，沿厚度分成奇数积分点。由于不同单元的刚度矩阵不同，采用数值积分的求解方式不同，因此实际应用中，一定要采用合理的单元来模拟求解。 CAD软件中流行的实体建模包括基于特征的参数化建模和空间自由曲面混合造型两种方法。Pro/E和SoildWorks是特征参数化造型的代表，而CATIA与Unigraphics等则将特征参数化和空间自由曲面混合造型有机的结合起来。现有CAD软件对表面形态的表示法已经大大超过了CAE软件，因此，在将CAD实体模型导入CAE软件的过程中，必须将CAD模型中其他表示法的表面形态转换到CAE软件的表示法上，转换精度的高低取决于接口程序的好坏。在转换过程中，程序需要解决好几何图形（曲线与曲面的空间位置）和拓扑关系（各图形数据的逻辑关系）两个关键问题。其中几何图形的传递相对容易实现，而图形间的拓扑关系容易出现传递失败的情况。数据传递面临的一个重大挑战是，将导入CAE程序的CAD模型改造成适合有限元分析的网格模型。在很多情况下，导入CAE程序的模型可能包含许多设计细节，如细小的孔、狭窄的槽，甚至是建模过程中形成的小曲面等。这些细节往往不是基于结构的考虑，保留这些细节，单元数量势必增加，甚至会掩盖问题的主要矛盾，对分析结果造成负面影响。CAD模型的“完整性”问题是困扰网格剖分的障碍之一。对于同一接口程序，数据传递的品质取决于CAD模型的精度。部分CAD模型对制造检测来说具备足够的精度，但对有限元网格剖分来说却不能满足要求。值得庆幸的是，这种问题通常可通过CAD软件的“完整性检查”来修正。改造模型可取的办法是回到CAD系统中按照分析的要求修改模型。一方面检查模型的完整性，另一方面剔除对分析无用的细节特征。但在很多情况下，这种“回归”很难实现，模型的改造只有依靠CAE软件自身。CAE中最直接的办法是依靠软件具有的“重构”功能，即剔除细部特征、缝补面和将小面“融入”大曲面等。有些专用接口在模型传递过程中甚至允许自动完成这种工作，并且通过网格剖分器检验模型的“完整性”，如发现“完整性”不能满足要求，接口程序可自动进行“完整性”修复。当几何模型距CAE分析的要求相差太大时，还可利用CAE程序的造型功能修正几何模型。“布尔运算”是切除细节和修理非完整特征的有效工具之一。 目前数据传递一般可通过专用数据接口，CAE程序可与CAD程序“交流”后生成与CAE程序兼容的数据格式。另一种方式是通过标准图形格式如IGES、SAT和ParaSolid传递。现有的CAD平台与通用有限元平台一般通过IGES、STL、Step、Parasolid等格式来数据交换，早期IGES接口应用比较广泛，但由于该标准本身的不严格性，导致多数复杂模型的传递以失败告终，如图1所示为某汽车覆盖件在UGII中以IGES格式输出时产生的信息，可以看出其包含大量有限元分析不必要的几何信息。而SAT与ParaSolid标准较为严格，被多数CAD程序采用。由于典型通用有限元软件（如MSC.PATRAN、MSC.MARC、ANSYS、ABAQUS、ADINA等）的建模功能都不是很强，尤其是在面对包含复杂空间曲面的产品结构时表现出明显的不足，同时不利于建立后续的单元网格划分模型。因此，利用现有CAD平台（如CATIA、UGII、PRO/E）完成网格划分工作，或借助专业网格划分软件HyperMesh、AIEnviroment等来完成任务是比较好的方法。下面分别以包含大量空间自由曲面的汽车覆盖件产品和宇航业中常用的大型整体网格筋壳体为对象，简述有限元网格划分的基本原理方法和应用。
图1 IGES文件输出的图素信息
二、有限元网格划分方法与基本原理 1．有限元网格划分的指导思想 有限元网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的内容。在网格划分和初步求解时，做到先简单后复杂，先粗后精，2D单元和3D单元合理搭配使用。为提高求解的效率要充分利用重复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。利用轴对称或子结构时要注意场合，如在进行模态分析、屈曲分析整体求解时，则应采用整体模型，同时选择合理的起点并设置合理的坐标系，可以提高求解的精度和效率，例如，轴对称场合多采用柱坐标系。有限元分析的精度和效率与单元的密度和几何形状有着密切的关系，按照相应的误差准则和网格疏密程度，避免网格的畸形。在网格重划分过程中常采用曲率控制、单元尺寸与数量控制、穿透控制等控制准则。在选用单元时要注意剪力自锁、沙漏和网格扭曲、不可压缩材料的体积自锁等问题。 典型有限元软件平台都提供网格映射划分和自由适应划分的策略。映射划分（Mapped/IsoMesh）用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体和六面体，通过指定单元边长、网格数量等参数对网格进行严格控制，映射划分只用于规则的几何图素，对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难以控制。自由网格划分（Free/Paver）用于空间自由曲面和复杂实体，采用三角形、四边形、四面体进行划分，采用网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。例如，在MSC.MARC中，其转换（Convert）用法是几何模型转换为网格模型，点转换为节点，曲线转换为线单元，面转换为三角形、四边形等。网格自动划分（AutoMesh）则是在任意曲面上生成三角形或者四边形，对任意几何体生成四面体或者六面体。 网格重划分（Remesh）是在每一步计算过程中，检查各单元法向来判定各区域的曲率变化情况，在曲率较大变形剧烈的区域单元，进行网格加密重新划分，如此循环直到满足网格单元的曲率要求为止。网格重划分的思想是通过网格加密的方法来提高分析的精度和效率。网格自适应划分（Adaptive Refinement）的思想是在计算步中，升高不满足分析条件的低阶单元的阶次来提高分析的精度和效率，应用比较广泛。自适应网格划分必须采用适当的单元，在保证单元阶次的基础上，原本已形成的单元刚度矩阵等特性保持不变，才能同时提高精度和效率。阶谱单元（Hierachical Element）充分发挥了自适应网格划分的优点，在计算中通过不断增加初始单元的边上的节点数，从而使单元插值函数的阶次在前一阶的基础上不断增加，通过引入新增节点的插值函数来提高求解的精度和效率。例如，三节点三角形单元升为六节点三角形单元，四节点四边形单元升阶为8节点四边形单元，四节点四面体单元升阶为8节点、10节点、20节点四面体。 2．有限元网格划分的基本方法 有限元网格划分方法有两种，对于简单的结构多采用直接建立单元模型的网格直接生成法，当对象比较复杂时，多通过几何自动生成法来完成，即在几何元素描述的物理基础上自动离散成有限单元。有限元单元可以按几何维数划分为一维、二维和三维单元，而在实际应用中采用拓扑结构单元，包括常用的质量单元、弹簧元、杆与梁管单元、平面三角形单元、平面四边形单元、膜单元、等参单元、壳单元和三维实体单元。有限元网格划分，对于二维平面、三维曲面和三维实体网格有以下几种划分方法： （1）覆盖法：基于四边形的网格划分，要求网格划分的平面或曲面必须是完整裁减曲面，该曲面边界必须是裁减曲线； （2）前沿法：通过把曲面等参变换到二维空间进行网格划分，然后映射到三维空间曲面上，把曲面划分成完全的四边形单元或三角形单元； （3）Delaunay三角形法：主要用于由至少一条封闭曲线所围成的单连通域或多连通域内生成三角形单元，趋向于等边三角形。充分考虑了几何形状中细微的几何特征，并在微小特征处划分成较细的单元，在不需要密网格处，采用稀疏单元网格。 （4）转换扩展法：针对曲面几何形状比较规则的几何区域进行网格划分，其网格生成速度快，网格质量高。由节点扩展为线单元，从线单元生成平面二维单元，从二维单元生成三维单元。它不仅仅用于三维网格的生成，同时可进行一维、二维网格和几何体的生成，包括移动、镜像、拉伸、旋转、扫描三维实体的扩展方式、扩展系数和扩展方向。 3．网格质量的评估 单元的质量和数量对求解结果和求解过程影响较大，如果结构单元全部由等边三角形、正方形、正四面体、立方六面体等单元构成，则求解精度可接近实际值，但由于这种理想情况在实际工程结构中很难做到。因此根据模型的不同特征，设计不同形状种类的网格，有助于改善网格的质量和求解精度。单元质量评价一般可采用以下几个指标： （1）单元的边长比、面积比或体积比以正三角形、正四面体、正六面体为参考基准。理想单元的边长比为1，可接受单元的边长比的范围线性单元长宽比小于3，二次单元小于10。对于同形态的单元，线性单元对边长比的敏感性较高阶单元高，非线性比线性分析更敏感。 （2）扭曲度：单元面内的扭转和面外的翘曲程度。 （3）疏密过渡：网格的疏密主要表现为应力梯度方向和横向过渡情况，应力集中的情况应妥善处理，而对于分析影响较小的局部特征应分析其情况，如外圆角的影响比内圆角的影响小的多。 （4）节点编号排布：节点编号对于求解过程中的总体刚度矩阵的元素分布、分析耗时、内存及空间有一定的影响。合理的节点、单元编号有助于利用刚度矩阵对称、带状分布、稀疏矩阵等方法提高求解效率，同时要注意消除重复的节点和单元。 4．装配结构中单元的协调 （1）自由度不同的单元不协调：例如，ANSYS中SHELL63、BEAM4和SOLID45三种单元，前二者均包含六个自由度，而Solid45只包含三个平动自由度，因此后者只传递前二者的平动位移，不传递R旋转方向的位移。 （2）有相同自由度的单元不总是协调的：例如，ANSYS中BEAM3和SHELL41单元，Beam3具备平动方向的三个自由度，而SHELL41包括两个平动自由度(UX/UY)和一个旋转自由度(RTOTZ)，因此SHELL41只能传递BEAM3的平动位移，不能传递旋转方向的值。 （3）ANSYS中三维梁单元与三维壳单元具有相同的六个自由度：壳单元旋转自由度与平面旋转刚度相关，为虚拟刚度，不是真实的自由度，同时，要注意三维梁单元与壳单元出现不匹配的问题。 5．常用单元的选用原则 有限元网格划分中单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响，工程中常把平面应变单元用于模拟厚结构，平面应力单元用于模拟薄结构，膜壳单元用于包含自由空间曲面的薄壁结构。对块体和四边形，可以选择全积分或缩减积分，对线性六面体和四边形单元，可以采用非协调模式。由于三角形单元的刚度比四变形单元略大，因此相对三节点三角形单元，优先选择四边形四节点单元。如果网格质量较高且不发生变形，可使用一阶假定应变四边形或六面体单元，六面体单元优先四面体单元和五面体锲形单元。十节点四面体单元与八节点六面体单元具有相同的精度。网格较粗的情况下使用二阶缩减积分四边形或四面体单元，对于橡胶类体积不可压缩材料使用Herrmann单元，避免体积自锁。在完全积分单元中，当二阶单元被用于处理不可压缩材料时，对体积自锁非常敏感，因此应避免模拟塑性材料，如果使用应选用Herrmann单元。一阶单元被定义为恒定体积应变时，不存在体积自锁。在缩减积分单元中，积分点少，不可压缩约束过度，约束现象减轻，二阶单元在应变大于20％～40％时应小心使用，一阶单元可用于大多数应用场合并具有自动沙漏控制功能。
收录时间:日 22:42:50 来源:智造网 作者:匿名
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Copyright by ；All rights reserved. 联系：QQ：基于ANSYS软件的有限元法网格划分技术浅析_小宗师专辑：摘要:首先探讨了有限元法的基本思想和有限元网格划分的一些基本原则,结合实例阐述了ANSYS 有限元网格划分的方法和技巧,指出了采用ANSYS 有限元软件在网格划分时应注意的技术问题。关键词:ANSYS;有限元;网格1引言ANSYS是一个多用途的有限单元法分析软件,可以进行结构线性分析和热分析,以及对流体、电力、电磁场及碰撞等领域的分析。广泛应用于机械、电机、土木、电子及航空等领域。它将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为解决现代工程学问题的有力工具。随着数值分析方法的逐步完善和计算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节,也是利用ANSYS软件进行各种分析的基础,它要求考虑的问题较多,需要的工作量大,对不同的模型对象所采用的方法也不一样。重要的是网格划分的准确度和精度对后处理及分析结果将产生直接影响。因此,对有限元网格划分的技术研究成为必要。本文结合工程实例,就如何合理地进行网格划分作一浅析。2有限单元法的基本思想有限单元法是处理复杂工程问题的一种数值计算方法,它将一个形状复杂的连续体分解成为有限个形状简单的单元,通过离散化,把求解连续体应力、应变、温度等问题转换为求解有限个单元的问题。在工程或物理问题的数学模型(基本变量、基本方程、求解域和边界条件)确定以后,有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思想可简单概括为如下3点:2.1将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域(单元),并通过他们边界上的节点相互连接为一个组合体。2.2用每个单元内所假设的近似函数来分片表示全求解域内待求解的未知场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函数(或其导数)在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表达。由于在联结相邻单元的节点上,场函数具有相同的数值,因而将它们作为数值求解的基本未知量。这样一来,求解原待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。2.3通过和原问题数学模型(例如基本方程、边界条件等)等效的变分原理或加权余量法,建立求解基本未知量(场函数节点值)的代数方程组或常微分方程组。此方程组成为有限元求解方程组,并表示成规范化的矩阵形式,接着用相应的数值方法求解该方程组,从而得到原问题的解答。3有限元网格划分基本原则有限元方法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。由此,有限元网格的划分一方面要考虑对各物体几何形状的准确描述,另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。网格划分的密度是个重要的问题,太密则会大大增加计算时间,但计算精度却不会成比例地增加。这样,就存在一个最佳网格密度问题,这个问题往往需要多年工作经验的积累。如果前置处理程序能够自动确定网格密度,对节省机时的意义非常大。另外,在进行网格划分时,对应力集中采用局部网格加密的办法是十分必要的。归纳起来说,划分网格时必须考虑以下原则:3.1网格数量。网格数量的多少,直接影响着计算规模的大小,在一定程度上也影响着计算结果的精确程度。因此,确定网格数量多少时必须将两个因素综合考虑。3.2网格密度。在结构不同部位采用大小不同的网格,这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位,如应力集中处,为了较好地反映数据变化规律,需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位,为减小模型规模,则应划分相对稀疏的网格。3.3良好的单元形状。单元最佳形状是正多边形或正多面体。3.4良好的剖分过渡性。单元之间过渡应相对平稳,否则,将影响计算结果的准确性甚至使有限元计算无法计算下去。3.5网格剖分的自适应性。在几何尖角处、应力温度等变化大处网格应密,其他部位应较稀疏,这样可保证计算解精确可靠。自适应网格划分是有限元分析中网格划分的主要思想方法之一。自适应是一种自动近似的技术,程序可以自行减少由于网格划分不当引起的误差,而不需要人为地指定单元的大小。自适应有限元分析的最基本思想就是通过事后误差估计,对计算结果误差较大的区域进行局部网格优化。自适应有限元分析的网格划分,要求不仅在生成初始网格时能完全自动有效,而且应具有极强的、面向整个分析域的网格控制能力和局部网格修正能力。并且进行自适应有限元分析有一个非常重要的前提条件,就是能在任意的几何分析域内产生任意密度分布的网格。4网格划分实例分析在网格划分时,首先要考虑的是模型的网格数量。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲,网格数量增加,计算精度也会有所提高,但同时计算规模也会增加。ANSYS软件规定了模型的最大节点数目以限制其计算模型。所以在确定网格数量时应权衡2个因数综合考虑。图1中的曲线表示结果中的唯一随网格数量收敛的一般曲线,曲线2代表计算时间随网格数量的变化。可以看出,网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高,而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后,再继续增加网格时精度提高甚微,而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加风格的经济型。下面通过对某直齿圆柱齿轮的有限元网格划分来进一步浅析ANSYS网格划分技术。该直齿圆柱齿轮模数为1,齿数为16。齿轮材料为45钢,其密度为8.03×103kg/m3,弹性模量为193GPa,泊松比为0.3。将该齿轮在UG软件中进行三维参数化建模,建模完毕后通过*.igs格式文件导入Ansys软件中,导入后的有限元模型如图2所示。在进行网格划分时选择计算单元类型是Solid Tet 10node 92(SOLID92)。Solid92是三维10节点四面体结构实体单元,在保证精度的同时循序使用不规则的形状,Solid92有相容的位移形状,适用于曲线边界的建模。每个节点有3个自由度:沿结点X、Y、Z坐标方向的平动;Solid92有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变的功能。通过适当的参数设置,整个直齿圆柱齿轮被划分成144731个实体单元,直齿圆柱齿轮有限元网格模型如图3所示。5结论ANSYS 网格划分功能十分强大,它不但具有智能网格划分、人工控制网格划分、映射、扫掠、拖拉网格划分等功能,还具有强大的网格检查及修改功能。有效、合理地进行网格划分是获得高精度结果的保证,为此,在熟练应用该软件功能的同时,结合工程实际,不断总结掌握网格划分的方法、技巧是十分有益的。参考文献[1]杨小兰,刘极峰,陈旋.基于ANSYS 的有限元法网格划分浅析[J].煤矿机械,2005(1).[2]王明强,朱永梅,刘文欣.有限元网格划分方法应用研究[J].机械设计与制造,2004(2).[3]马霄.ANSYS的网格划分技巧[J].矿山机械,2004(5).[4]许尚贤.机械设计中的有限元法[M].北京: 机械工业出版社,1992.[5]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社,1998(1).提醒您本文地址：相关文章工具类服务
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CHEN Huashu
FAN Qinyin
HU Guanghong
作者单位：
上海申模计算机系统集成有限公司,上海,200030
上海交通大学模具CAD国家工程研究中心,上海,200030
日本CRADLE公司,日本东京 152-8552
上海申模计算机系统集成有限公司,上海200030;上海交通大学模具CAD国家工程研究中心,上海200030
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