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ANSYS12.0Workbench热分析教程-第4章 ANSYS12.0网格划分

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第4章 ANSYS12.0  Meshing 网格划分 
4.1  ANSYS12.0  Meshing网格划分概述 
网格是计算机辅助工程( CAE技术)模拟过程中不可分割的一部分。网格直接影响到精度,收敛性和解决方案的速度。此外,建立网格模型所花费的时间往往是取得CAE解决方案所花费的时间中一个重要部分。因此,一个越好的自动化的网格工具,越能得到更好的解决方案。  
从简单,自动化网格,以及到高度复杂的流体网格, ANSYS12.0软件提供了最终的解决方案。强大的自动化能力通过 关闭物理参数和实用智能缺省设置简化了一个新几何体的网格初始化,从而使得网格在第一次使用时就能生成。此外,用户可以变化参数得到即时的更新,在前期设计中从CAD到CAE能自由切换。 一旦发现最好的设计, ANSYS12.0的网格技术提供了生成网格的灵活性,可以把正确的网格用于正确的地方,并确保在物理模型上进行精确有效的数值模拟。 
网格的节点和单元参与有限元求解,ANSYS12.0在求解开始时会自动生成默认的网格。可以通过预览网格,检查有限元模型是否满足要求,细密的网格可以使结果更精确,但是会增加CPU计算时间和需要更大的存储空间,因此需要权衡计算成本和网格划分份数之间的矛盾。在理想情况下,我们所需要的网格密度是结果随着随网格的细化而收敛,但要提示:细化网格不能弥补不准确的假设和错误的输入条件。 
4.2  ANSYS12.0  Meshing网格划分方法 
不同的物理场对网格的要求不一样,通常流场的网格比结构场要细密的多,因此选择不同的物理场,也会有不同的网格划分。把【Meshing】组件调入工程流程图,可以通过【Tools】?【Options】?【Meshing】设置缺省的物理环境,如图4-1。 
 
图4-1 网格划分物理环境设置 
网格划分类型根据算法可以分为:协调分片算法【Patch Conforming】和独立分片算法【Patch Independent】。协调分片算法的分片面及边界考虑零件实体间的相互影响采用小公差。常用于考虑几何体的小特征。可以用虚拟拓扑工具把一些面或边组成组,构成虚拟单元,从而减少单元数目,简化小特征,简化载荷提取,因此如果采用虚拟拓扑工具可以放宽分片限
制。独立分片算法的分片不是太严格,通常用于统一尺寸的网格。机械分析适用于协调分片算法划分,电磁分析和流体分析适合协调分片算法划分或独立分片算法划分,显式动力分析适用于独立分片算法划分或有虚拟拓扑的协调分片算法划分。 
网格划分类型根据单元形状可以分为:四面体网格【Tet Meshing】,六面体网格【Hex Meshing】,四边形网格【Quad Meshing】,三角形网格【Triangle Meshing】。 
4.3  ANSYS12.0 Meshing网格划分控制 
 
4.3.1 网格划分用户界面 
选择几何模型后,进入网格划分【Meshing】环境及相关说明如图4-2所示,网格选项显示默认的物理场及网格划分方法,图形区的网格显示为相关物理场的默认网格划分结果,网格划分整体控制属性如表4-1,网格质量检查控制如表4-2,网格划分工具条用于网格控制及生成,其相关命令表示如表4-3. 
 
图4-2 网格划分用户界面 
表4-1:网格划分整体控制属性设置 
 网格划分属性说明 
【Defaults】默认设置 
选择物理场 
网格相关度(–100至+100)由疏到密 
【Sizing】网格尺寸控制 
使用高级尺寸函数(关闭) 
相关度中心(稀疏) 
定义平均的单元边长 
控制网格基准(根据激活装配体确定) 
平滑度(中等) 
网格过渡(快速) 
跨度角中心(稀疏) 
最小单元边长 
【Inflation】网格膨胀控制 
使用自动四面体膨胀(无) 
膨胀选项 
过渡比(0.272) 
最大层(5) 
生长率(1.2) 
膨胀算法 
显示高级选项(无) 
【Advanced】网格高级控制 
形状检查检验单元质量(标准结构) 
单元是否带中节点(程序控制) 
网格采用直边单元(无) 
重试次数(默认为4) 
刚体行为 
是否允许网格变形(否) 
【Pinch】网格收缩控制 
网格收缩公差(需定义) 
网格刷新后重生成(否) 
【Statistics】网格划分统计 
网格划分的节点数 
网格划分的单元数 
网格划分的节点数 
网格检查准则 
表4-2:网格检查准则 
设置网格检查准则 网格检查准则说明 
 无(默认) 
单元质量检验 
纵横比检验 
雅可比率检验 
翘曲因子检验 
平行偏差检验 
最大顶角检验 
偏斜检验 
 
 
表4-3:网格划分命令说明 
 网格命令说明  网格控制说明 
网格生成 网格划分方法 
预览表面网格 尺寸控制 
预览源及目标网格 接触尺寸控制 
CFX中编辑网格 网格细化 
 映射面网格划分 
 面匹配控制 
 收缩控制 
膨胀控制 
 
4.3.2 网格划分方法 
选择命令【Mesh Control】?【Method】,提供如下六种方法: 
 
图4-3 网格划分方法 
1. 【Automatic】:程序自动划分网格 
2. 【Tetrahedrons】:采用四面体单元划分。 
3. 【Hex Dominant】:主要采用六面体单元划分,但是包含少量金字塔单元和四面体单元 。   
4. 【Sweep】:扫掠划分,可以扫掠的实体划分后具有的是六面体单元,也可能包含楔形单元,其他实体采用四面体单元划分,扫掠划分要求实体在某一方向上具有相同的拓扑结构,在【Mesh】 分支上点击右键选择【Show Sweepable Bodies】可以看到能够采用扫掠划分的体,此时该体被选中,如图4-4。 
5. 【Multizone】:多重区域网格划分自动对几何体进行分解成映射区域和自由区域,可以自动判断区域并生成纯六面体网格,对不满足条件的区域采用更好的非结构网格划分,多重区域网格划分和扫掠网格划分相似,但更适合于用扫掠方法不能分解的几何体。 
 
6. 【CFX-Mesh】:采用流体网格CFX划分实体 
 
 
图4-4 显示可扫掠实体   
4.3.3 网格局部尺寸控制【Sizing】 
【Sizing】尺寸控制允许设置局部单元大小,采用如下方法: 
1. 【Element Size】 设置单元平均边长  
2. 【Number of Divisions】 设定边上的单元数目 
3. 【Sphere of Influence】 用球体设定控制单元平均大小的范围,球体的中心坐标采用的是局部坐标系,所有包含在球域内的实体单元网格尺寸按给定尺寸划分,如图4-5。 
 
 
图4-5 球体区域控制局部网格 
4.3.4 接触区域网格控制【Contact Sizing】 
【Contact Sizing】允许在接触面上产生大小一致的单元。 接触面定义了零件间的相互作用,在接触面上采用相同的网格密度对分析有利, 在接触区域可以设定【Element Size】或【Relevance】如图4-6。 
 
图4-6 接触区网格控制 
4.3.5 网格局部单元细化【Refinement】 
【Refinement】可以对已经划分的网格进行单元细化,一般而言,网格划分先进行整体和局部网格控制,然后对被选的边、面进行网格细化。 推荐使用“1“级别细化。这使单元边界划分为初始单元边界的一半,这是在生成粗网格后,网格细化得到更密网格的简易方法。如图4-7. 
 
图4-7 网格局部单元细化 
提示:尺寸控制和细化控制的区别:  
1. 尺寸控制在划分前先给出单元的平均单元长度。通常来说,在定义的几何体上可以产生一致的网格,网格过渡平滑。  
2. 细化是打破原来的网格划分。如果原来的网格不一致,细化后的网格也不一致。尽管对单元的过渡进行平滑处理,但是细化仍导致不平滑的过渡。 
3. 在同一个表面进行尺寸和细化定义。在网格初始划分时,首先应有尺寸控制,然后在进行第二步的细化。 
 
4.3.6 映射面网格划分【Mapped Face meshing】 
映射面网格划分【Mapped Face meshing】允许在面上生成结构网格,如图4-8对内圆柱面进行映射网格划分可以得到很一致的网格。这样对计算求解有益。如果因为某些原因不能进行映射面网格划分,网格划分仍将继续,导航树上会出现相应的标志。 
 
图4-8 映射面网格划分 
4.3.7 面匹配网格划分【Match Control】 
面匹配网格【Match Control】用于在对称面上划分一致的网格,尤其适用于旋转机械的旋转对称分析。因为旋转对称所使用的约束方程其连接的截面上节点的位置除偏移外必须一致,如图4-9。 
 
图4-9 旋转对称模型 
4.3.8 虚拟拓扑工具【Virtual Topology】 
虚拟拓扑【Virtual Topology】允许为了更好的进行网格划分而合并面,【Virtual Cell】虚拟单元就是把多个相邻的面定义为一个面。虚拟单元可以把小面缝合到一个大的面中,属于虚拟单元原始面上的内部线,不再影响网格划分,所以划分这样的拓扑结构可能和原始几何体会有不同,对于其他操作如加载面就不被承认,而用虚拟单元代替,如图4-10。 
虚拟单元通常用于删除小特征从而在特定的面上减小单元密度,或删除有问题几何体,如长缝或是小面,从而避免网格划分失败,但是,要提示虚拟单元改变了原有的拓扑模型,因此内部的特征如果有加载、支撑、求解等将不再被考虑。 
 
图4-10 虚拟拓扑网格 
4.4  网格划分控制方法案例—转动曲柄装配体 
1. 导入CAD几何模型,见图4-11 
1) 【Mesh】拖入工程流程图【Project Schematic】 
2) 导入CAD几何模型:【Geometry】?【Import Geometry】=crank-assy.sat 
3)  保存工程文件:【Save】 
 
 
图4-11 导入CAD几何模型 
2. 设置手柄网格尺寸,见图4-12 
1) 程序选择自动网格尺寸划分,显示网格,导航树中选择【Mesh】 
2) 图示为默认网格 
3) 选择网格尺寸控制命令:【Mesh Control】?【Sizing】 
4) 图形窗口选择手柄实体 
5) 尺寸控制属性中确认1个实体选中:【Details of ―Body Sizing‖- Sizing】?【Scope】?【Geometry】=1 Body 
6) 设置单元边长:【Details of ―Body Sizing‖ - Sizing】?【Definition】?【Element Size】=0.1mm 
 
 
图4-12 设置手柄网格尺寸 
3. 对手柄进行多重区域网格划分,见图4-13 
1) 仅显示手柄1个实体:导航树中选择【Model】?【Geometry】?【Part2】鼠标右键选【Hide All Other Bodies】 
2) 选择网格控制方法:【Mesh Control】?【Method】 
3) 控制属性中确认1个实体选中:【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Scope】?【Geometry】=1 Body 
4) 设置多重区域网格划分方法:【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Definition】?【Method】=Multizone 
5) 手动选择源/目标面:【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Definition】?【Src/Trg Selection】=Manual Source 
6) 按住【Ctrl】键,图形区选中上中下3个表面 
7) 确认所选择的面:【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Definition】?【Source】=Apply 
8) 修改公差:【Details of ―MultiZone‖ - Method】?【Adanced】?【Defeaturing Tolerance】=0.001mm 
9) 生成网格,导航树中选择【Mesh】,鼠标右键选择【Generate Mesh】 
10) 手柄网格划分如图示六面体网格。 
 
 
图4-13  手柄多重区域网格划分 
4. 设置曲柄尺寸,见图4-14 
1) 选择网格尺寸控制命令:【Mesh Control】?【Sizing】 
2) 图形窗口选择曲柄实体 
 
3) 尺寸控制属性中确认1个实体选中:【Details of ―Body Sizing2‖- Sizing】?【Scope】?【Geometry】=1 Body 
4) 设置单元边长:【Details of ―Body Sizing2‖ - Sizing】?【Definition】?【Element Size】=0.2mm 
 
 
图4-14 设置曲柄尺寸 
5. 对曲柄进行扫掠网格划分,见图4-15 
1) 选择网格控制方法:【Mesh Control】?【Method】 
2) 显示曲柄,控制属性中确认1个实体选中:【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Scope】?【Geometry】=1 Body 
3) 设置扫掠网格划分方法:【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Definition】?【Method】= Sweep  
4) 设置扫掠方向的网格划分为单元分割数:【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Definition】?【Type】=Number of Divisions 
5) 扫掠方向分4层单元:【Details of ―Sweep Method‖ - Method】?【Definition】?【Sweep Num Divs】=4 
6) 生成网格,导航树中选择【Mesh】,鼠标右键选择【Generate Mesh】 
7) 曲柄网格划分如图示扫掠六面体网格。 
 
 
图4-15 曲柄扫掠网格划分 
6. 销轴顶面生成虚拟单元,见图4-16 
1) 显示销轴:导航树中选择【Model】?【Geometry】?【Part3】鼠标右键选【Hide All Other Bodies】 
2) 导航树选【Mesh】,工具条中选择虚拟拓扑工具【Virtual Topology】 
3) 图形区选择销轴顶部连续3个面 
4) 选择的面生成虚拟单元:导航树选择【Virtual Topology】,鼠标右键选择【Generate Virtual Cells】图形区显示3个面构成一个面 
5) 生成网格:导航树中选择【Mesh】,鼠标右键选择【Generate Mesh】 
6) 销轴网格划分如图示四面体网格。 
 
 
图4-16 销轴顶面生成虚拟单元 
7. 销轴顶部生成局部坐标系,见图4-17 
1) 导航树中选择坐标系【Coordinate Systems】 
2) 工具条中选择创建坐标系【Coordinate Systems】 
3) 图形区选择圆柱面,新坐标系原点将定位到选择面中心 
 
4) 确认局部坐标系原点:【Details of ―Coordinate System‖】?【Origin】?【Geometry】=Apply 
5) 导航树中生成新的局部坐标系统【Coordinate Systems】?【Coordinate System】 
 
 
图4-17 销轴顶部生成局部坐标系 
8. 销轴局部球形区域网格划分,见图4-18 
1) 选择网格尺寸控制命令:【Mesh Control】?【Sizing】导航树出现【Body Sizing3】 
2) 图形窗口选择销轴实体,尺寸控制属性中确认1个实体选中:【Details of ―Body Sizing3‖- Sizing】?【Scope】?【Geometry】=1 Body 
3) 设置网格划分为球形区域【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Type】=Sphere of Influence 
4) 设置球形区域中心为局部坐标:【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Sphere Center】=Coordinate System 
5) 设置球形区域半径:【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Sphere Radius】=0.5mm 
6) 设置球形区域内网格划分的单元边长:【Details of ―Body Sizing3‖ - Sizing】?【Definition】?【Element Size】=0.1mm 
7) 图形区显示球形区域对销轴的影响范围 
 
 
图4-18 销轴局部球形区域网格划分 
9. 生成映射面网格,见图4-19 
1) 选择网格划分方法:【Mesh Control】?【Mapped Face Meshing】。 
2) 按住【ctrl】键,图形区选择8个表面。 
3) 确认8个面选中:【Details of ―Mapped Face Meshing‖ 】?【Scope】?【Geometry】=8 Faces。 
4) 生成网格,导航树中选择【Mesh】,鼠标右键选择【Generate Mesh】。 
5) 曲柄网格划分如图示,外表面为映射面网格。 
 
 
图4-19  生成映射面网格 
10. 生成接触面网格,见图4-20 
1) 选择网格控制方法:【Mesh Control】?【Contact Sizing】。 
2) 显示所有实体:导航树中选择【Model】?【Geometry】?【Part1】鼠标右键选【Show All Bodies】。 
3) 选择接触区:【Details of ―Contact Sizing‖ - Contact Sizing】?【Scope】?【Contact Region】= Contact Region。 
4) 图示选中的接触区为曲柄和手柄接触处。 
5) 设置网格划分按照相关度:【Details of ―Contact Sizing‖ - Contact Sizing】?【Definition】?【Type】=Relevance。 
6) 设置相关度值【Details of ―Contact Sizing‖ - Contact Sizing】?【Definition】?【Relevance】=20。 
7) 生成网格,导航树中选择【Mesh】,鼠标右键选择【Generate Mesh】。 
8) 网格划分如图示,接触区网格加密,保存文件。 
 
 
图4-20生成接触面网格 
4.5 多体零件共享拓扑印记面及匹配网格划分案例 
该案例比较多体零件中共享拓扑【Shared Topology】的三种方法,【Automatic】自动方法在交界面合并节点,即节点匹配而不产生接触,【Imprints】印记面方法限定交界面的接触区域,因此提供更好的接触行为的控制,【None】不设定方法则和以前的版本一样产生接触行为。 
案例演示: 
1. 调入【Mesh】网格划分组件。 
2. 如图4-21创建多体零件【Geometry】-【New Geometry】 
1) DM中【XYPlane】创建草图1【Sketch1】 
2) 草图为200*100mm四边形如图 
3) 从草图1创建拉伸特征,拉伸长度30mm 
4) 长方体表面创建工作面【Plane4】创建草图2【Sketch2】 
5) 草图为六边形,相对居中如图示 
6) 从草图2创建拉伸特征,拉伸长度100mm 
7) 拉伸特征设置为冰冻体,图形区生成2个实体 
8) 【XYPlane】沿Z方向平移200mm,创建新平面【Plane5】 
9) 【XYPlane】沿Z方向平移400mm,创建新平面【Plane6】 
10) 创建体操作特征【BodyOp5】,将原来2个实体从平面【XYPlane】移动到新平面【Plane5】,并保留原实体 
11) 图中显示新复制的2个实体,图形区共有4个实体。 
12) 创建体操作特征【BodyOp6】,将原来2个实体从平面【XYPlane】移动到新平面【Plane6】,并保留原实体。 
13) 图中显示新复制的2个实体,图形区共有6个实体。 
 
14) 用生成多体零件命令【Form New Parts】将原实体【Solid1】和【Solid2】组成新多体零件,采用自动方法并改名为【Part-Automatic】。 
15) 用生成多体零件命令【Form New Parts】将实体【Solid-a1】和【Solid-a2】组成新多体零件,采用印记面方法并改名为【Part-Imprint】。 
16) 用生成多体零件命令【Form New Parts】将实体【Solid-b1】和【Solid-b2】组成新多体零件,采用不设置方法并改名为【Part-None】。 
 
 
图4-21 创建多体零件 
3. 工程流程图中选择【Mesh】-【Edit】切换到【Meshing】网格划分环境,生成网格图4-22 
1) 导航树【Geometry】下显示3个多体零件。 
2) 查看接触关系并改名接触对,选择【Connections】-【Contact Region –imprint】。 
3) 详细信息显示有接触面的实体为【Solid-a1】和【Solid-a2】。 
4) 图形区显示印记面的多体零件接触区域是完全匹配面。 
5) 查看接触关系并改名接触对,选择【Connections】-【Contact Region –none】。 
6) 图形区显示不设置的多体零件接触区域是非匹配面。 
7) 生成默认网格【Mesh】-【Generate Mesh】。 
8) 自动多体零件网格在交界面节点处匹配,生成六面体和四面体网格。 
9) 印记面多体零件网格在交界面节点处不匹配,生成六面体和四面体网格。 
10) 不设置多体零件网格在交界面节点处不匹配,生成六面体网格。 
 
 
图4-22 生成网格 
在片体独立算法【Patch Independent】中,可以设置交界面处节点是否匹配选项【Match Mesh Where Possible】,对模拟接触行为而言,由于接触表面节点不匹配时,会产生初始穿透,因此设置节点匹配选项可以防止不必要的初始接触行为。选择交界面处节点匹配根据需求,如果是较大的模型,可以将相似实体构成多体零件,采用印记面或接触行为,如果采用其它的网格控制方法以及严格限定接触区域应选择印记面接触,这样在接触面上允许精细网格而其他区域为粗网格。 
4. 显式动力分析环境节点匹配的网格划分,如图4-23 
 
 
图4-23 显式动力环境节点匹配网格划分 
1) 接上例,选择【Mesh】。 
 
2) 物理环境设置为显式动力分析【Details of Mesh】?【Defaults】?【Physics Preference】=Explicit。 
3) 网格划分自动采用片体独立算法【Patch Independent】。 
4) 选择所有实体【Details of Patch Independent】?【Scope】?【Geometry】=6 bodies。 
5) 设置单元尺寸【Details of Patch Independent】?【Advanced】?【Min Size Limit】=10mm。 
6) 节点匹配网格【Details of Patch Independent】?【Advanced】?【Match Mesh Where Possible】=Yes。 
7) 图形区中3个多体零件的实体交界面处节点匹配,且均为四面体网格。 
 
注意:由于显示动力分析中多数为接触问题,因此上例中设置为显示动力分析环境,对结构分析中,如果考虑接触问题,需要避免初始穿透时也可以采用网格匹配选项,读者可自行验证,课程教学中有附加案例加以说明。 
4.5 装配体薄层扫掠网格划分及案例 
薄层扫掠【Thin Sweep】对薄层实体允许沿厚度方向分层进行扫掠,对多体零件,沿厚度方向仅划分一层单元,对装配体沿厚度方向则可以划分多层单元。选择扫掠网格化分方法【Sweep】后,可以设置自动薄层扫掠【Automatic Thin】或手动薄层扫掠【Manual Thin】,设置沿厚度方向的分割数。 
图4-24为对几何模型MidSurfaceBracket.agdb进行薄层扫掠的结果,图中上部为装配体薄层扫掠网格,薄层厚度方向为2层单元,图中下部为多体零件薄层扫掠网格,薄层厚度方向为1层单元,详细操作见课堂讲解或参见演示文件。 
 
图4-24 装配体薄层扫掠 
 
详细原文,详见附件:ANSYS_12.0_Workbench-热分析教程.pdf
 
 

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