有限元网格划分(讲稿) 27页PPT文档
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有限元分析网格划分
2020/10/8
4.2.4壳单元
壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。壳单元比梁 单元和实体单元要复杂的多，因此，壳类单元中各种 单元的选项很多，如节点与自由度、材料、特性、退 化、协调与非协调，完全积分与减缩积分、面内刚度 选择、剪切变形、节点偏置等，应详细了解各种单元 的使用说明。
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2020/10/8
3.定义材料特性 定义材料特性的命令及其对应的菜单操作如下： 命令：MP、TB
GUI：Main Menu>Preprocessor>Material
Props>Material Models
4.建立梁截面 建立梁截面的命令及其对应菜单操作如下： 命令：ECTYPE、SECDATA
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2020/10/8
Thanks
2020/10/8
粱单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一 类轴向拉压、弯曲、扭转的3D单元。
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4.2.3二维实体单元
2D实体单元是一类平面单元，可用于平面应力、 平面应变的分析，此类单元均位于XY平面内。单元 由不同的节点组成，但每个节点的自由度均为2个(谐 结构实体单元除外)，即Ux和Uy。
4.2.5三维实体单元
3D实体单元用于模拟三维实体结构，此类单元每 个节点均具有三个自由度，即Ux，Uy，Uz三个平动 自由度。
2020/10/8
目 录
4.1 网格划分的概述 4.2 单元类型 4.3 网格划分流程
4.3.1单元划分基本过程
1.选择单元类型 选择单元类型的命令及其对应的菜单操作如下： 命令：ET GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 用户可在单元属性数据库中选择所需的单元。 2.定义实常数组 定义实常数组的命令及其对应菜单操作如下： 命令：R GUI：Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete 实常数组不是必须的，其定义与否与选用的单元有关该类单 元只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有平动 自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、 大转动、大挠度（也称大变形）、大应变（也称有限 应变），应力刚化（也称几何刚度、初始应力刚度） 等功能。
4.2.4壳单元
壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。壳单元比梁 单元和实体单元要复杂的多，因此，壳类单元中各种 单元的选项很多，如节点与自由度、材料、特性、退 化、协调与非协调，完全积分与减缩积分、面内刚度 选择、剪切变形、节点偏置等，应详细了解各种单元 的使用说明。
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3.定义材料特性 定义材料特性的命令及其对应的菜单操作如下： 命令：MP、TB
GUI：Main Menu>Preprocessor>Material
Props>Material Models
4.建立梁截面 建立梁截面的命令及其对应菜单操作如下： 命令：ECTYPE、SECDATA
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Thanks
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粱单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一 类轴向拉压、弯曲、扭转的3D单元。
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4.2.3二维实体单元
2D实体单元是一类平面单元，可用于平面应力、 平面应变的分析，此类单元均位于XY平面内。单元 由不同的节点组成，但每个节点的自由度均为2个(谐 结构实体单元除外)，即Ux和Uy。
4.2.5三维实体单元
3D实体单元用于模拟三维实体结构，此类单元每 个节点均具有三个自由度，即Ux，Uy，Uz三个平动 自由度。
2020/10/8
目 录
4.1 网格划分的概述 4.2 单元类型 4.3 网格划分流程
4.3.1单元划分基本过程
1.选择单元类型 选择单元类型的命令及其对应的菜单操作如下： 命令：ET GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 用户可在单元属性数据库中选择所需的单元。 2.定义实常数组 定义实常数组的命令及其对应菜单操作如下： 命令：R GUI：Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete 实常数组不是必须的，其定义与否与选用的单元有关该类单 元只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有平动 自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、 大转动、大挠度（也称大变形）、大应变（也称有限 应变），应力刚化（也称几何刚度、初始应力刚度） 等功能。
有限元网格划分
1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，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。
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。
所以应注意增加网格的经济性。
实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。
在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。
在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。
如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。
同样在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。
在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。
在热分析中，结构内部的温度梯度不大，不需要大量的内部单元，这时可划分较少的网格。
2网格疏密网格疏密是指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。
这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。
采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。
因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。
划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力)，而计算固有特性时则趋于采用较均匀的钢格形式。
这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。
同样，在结构温度场计算中也趋于采用均匀网格。
有限元入门ppt课件
有限体积法 (Finite Volume Method)
其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分段的分布的分布剖面。
1-2 应力的概念
作用于弹性体的外力(或称荷载)可能有两种： 表面力，是分布于物体表面的力，如静水压力，一物体与另一物体之间的接触压力等。单位面积上的表面力通常分解为平行于座标轴的三个成分，用记号 来表示。 体力，是分布于物体体积内的外力，如重力、磁力、惯性力等。单位体积内的体力亦可分解为三个成分，用记号X、Y、Z表示。 弹性体受外力以后，其内部将产生应力。
边界元法 （Boundary Element Method）
边界元法是一种继有限元法之后发展起来的一种新的数值方法，与有限元法不同，边界元法仅在定义域的边界划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以边界元与有限元相比具有单元和未知数少、数据准备简单等优点，但边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分奇异点处的强烈的奇异性，使求解遇到困难。边界元法在塑性问题中应用还比较少。
弹性力学 — 区别与联系 — 材料力学 弹性力学与材料力学既有联系又有区别。它们都同属于固体力学领域，但弹性力学研究的对象更普遍，分析的方法更严密，研究的结果更精确，因而应用的范围更广泛。 弹性力学 固有弱点： 由于研究对象的变形状态较复杂，处理的方法又较严谨，因而解算问题时，往往需要冗长的数学运算。但为了简化计算，便于数学处理，它仍然保留了材料力学中关于材料性质的假定：
塑性有限元常用软件
有限元分析课件
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MSC中国
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ANSYS中国
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1.3 有限单元法的计算步骤
有限单元法的计算步骤归纳为以下三个 基本步骤： 网格划分（离散化） 单元分析 整体分析
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1.3.1网格划分
对弹性体进行必要的简化，再将弹性体 划分为有限个单元组成的离散体。 单元之间通过单元节点相连接。 由单元、结点、结点连线构成的集合称 为网格。
弹性力学问题的单元分析，就是建立各 个单元的节点位移和节点力之间的关系 式。
由于将单元的节点位移作为基本变量， 单元分析首先要为单元内部的位移确定 一个近似表达式，然后计算单元的应变、 应力，再建立单元中节点力与节点位移 的关系式。
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1.3.2单元分析
单元有三个结点I、J、M，每个结点有两个位移 u、v和两个结点力U、V。
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有限单元法的数学基础（1）
数学家们则发展了微分方程的近似解法， 包括有限差分方法，变分原理和加权余 量法。
在1963年前后，经过J. F. Besseling, R.J. Melosh, R.E. Jones, R.H. Gallaher, T.H.H. Pian（卞学磺）等许多人的工作， 认识到有限单元法就是变分原理中Ritz近 似法的一种变形，发展了用各种不同变 分原理导出的有限元计算公式。
4) 了解有限元软件的基本结构和有限单元法当 前的进展情况。
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课程评估
第07讲-有限元网格划分的基本原则及技巧
7-6
网格疏密
• • 网格疏密是指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、几何形状、材料、厚度变化的 位置)，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。这样，整 个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。—— 网格数量应增加在结构的关键 部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。 边界上最好要在8个单元以上，至少不少于4个； 分析结果完成后，需要检查以下各项，误差较大的位置要进行细分： 单元应力的连续性，比较相邻单元应力值的差值； 应力偏差：结点上的单元结点应力和结点平均应力的差值的较大值； 当以上差值与其中的最大应力的比值较大时，该位置的网格需要细分。
精度 计算时间 精确解 1 2 O
7-4
•
•
P
网格数量
网格数量（续）
在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。 实体单元：
• •
1、在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如 果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。 2、在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。 3、在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较 少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。
左图中（a）、（b）改 变了结构质量的对称分 布，应避免。 （c）是 比较理想的结果。
(a)
7-8
(b)
(c)
单元的形状及评价
• 形状比（长边与短边距离之比） 一般实体单元的长宽比越大，分析误差也越大。 对于板壳单元，评价应力为主时不宜超过1:3，评价位移为主时不宜超过1:5； 对于块体单元，评价应力为主时不宜超过1:2，评价位移为主时不宜超过1:3； 在应力分布几乎没有变化的区域里使用的单元，适当放大也没问题。 倾角（表示单元偏离直角四边形的程度（Angular Deviation）） 四边形的内倾角最好是在45度～135度之间，不要超过15度～165度。 锥度（限于四边形） 用几何偏离（Geometric Deviation）表示四边形单元的变形程度。
有限元网格划分技术
对于有限元分析来说，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。
网格化有三个步骤：定义单元属性（包括实常数）、在几何模型上定义网格属性、划分网格。
定义网格的属性主要是定义单元的形状、大小。
单元大小基本上在线段上定义，可以用线段数目或长度大小来划分，可以在线段建立后立刻声明，或整个实体模型完成后逐一声明。
采用Bottom-Up方式建立模型时，采用线段建立后立刻声明比较方便且不易出错。
例如声明线段数目和大小后，复制对象时其属性将会一起复制，完成上述操作后便可进行网格化命令。
网格化过程也可以逐步进行，即实体模型对象完成到某个阶段就进行网格话，如所得结果满意，则继续建立其他对象并网格化。
网格的划分可以分为自由网格(free meshing)、映射网格(mapped meshing)和扫略网格(sweep meshing)等。
一、自由网格划分自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。
通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术（SMARTSIZE命令）来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小（AESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令）并控制疏密分布以及选择分网算法等（MOPT命令）。
对于复杂几何模型而言，这种分网方法省时省力，但缺点是单元数量通常会很大，计算效率降低。
同时，由于这种方法对于三维复杂模型只能生成四面体单元，为了获得较好的计算精度，建议采用二次四面体单元（92号单元）。
如果选用的是六面体单元，则此方法自动将六面体单元退化为阶次一致的四面体单元，因此，最好不要选用线性（一阶次）的六面体单元（没有中间节点，比如45号单元），因为该单元退化后为线性的四面体单元，具有过大的刚度，计算精度较差；如果选用二次的六面体单元（比如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，只是有多个节点在同一位置而已，因此，可以利用TCHG命令将模型中的退化形式的四面体单元变化为非退化的四面体单元(如92号单元)，减少每个单元的节点数量，提高求解效率。
机械零件有限元分析-5-第四讲-网格划
THANKS
感谢观看
理现象。
均匀性
网格的分布应尽量均匀，以提 高计算精度和稳定性。
局部细化
对于关键区域或需要更高精度 的地方，应进行局部网格细化
。
边界条件处理
在边界区域，应根据实际情况 处理网格，以避免出现奇异性
和不合理的解。
03
网格划分的方法和技术
结构化网格划分
01
02
03
结构化网格
按照一定的规则和顺序对 有限元模型进行网格划分， 每个网格单元具有相同或 相似的形状和尺寸。
详细描述
对于形状不规则、结构复杂的机械零件，网格划分变得困难，需要采用特殊的有 限元网格划分方法，如自适应网格、非结构化网格等。
实例三：多物理场耦合的网格划分
总结词
多物理场、耦合、复杂度增加
详细描述
对于涉及多个物理场耦合的机械系统，如热-力耦合、流-固耦合等，网格划分变得更加复杂。需要采用多物理场 耦合的有限元网格划分方法，如分区耦合、全局耦合等。
网格划分的重要性和意义
网格划分是有限元分析的关键 环节，它决定了模型的离散精 度和计算规模。
合适的网格划分能够提高计算 精度，降低模型的自由度，从 而减少计算时间和资源消耗。
不合理的网格划分可能导致计 算精度降低，甚至出现数值不 稳定或计算失败的情况。
02
网格划分的基本概念
网格划分的定义
网格划分是将连续的物理模型离散化 为有限个小的单元，每个单元称为网 格或节点。
自适应移动节点
03
根据计算结果动态移动网格节点，以保持网格质量。
05
实例分析
实例一：简单零件的网格划分
总结词
规则、简单、容易划分
详细描述
--机械零件有限元分析--5--第四讲--网格划...
SMANC
-22-
注意：一旦拖动了Smartsize的滑块后， 高级控制对话框中的值就恢复为默认值， 所以高级对话框中修改了参数后应该马 上进行网格划分！！
-23-
3、单元尺寸控制
在【Size Controls】选项组里，提供了对 于【Global】、 【Layer】 、 【Areas】、【Lines】或【Keypoint】 进行单元尺寸设置和网格清除的功能。
FAC＝5
-16-
【EXPND】：分网胀缩因子。决定了面内 部单元尺寸与边缘处的单元尺寸的比例 关系。取值范围为0.5～4。下图显示了 此参数的设置效果
-17-
EXPND＝2
EXPND＝0.5
EXPND＝2
EXPND参数的控制效果 -18-
TRANS--膨胀速度因子，从边界向内部， 膨胀的速度有多快，最好于1~4间
Ansys中计算 截面积与惯 性矩的工具： Preprocesso r— Sections-****** Preview按钮 将显示图形 的几何形状 和主要参数 的计算值
-5-
如：Preprocessor> Sections> Beam> Common Sections
截面上划分有限网格，Apply后生效
设置单元类型、材料属性、实常数、 坐标系及单元截面（不同的选项和情况 会有不同的设置，如只有定义了BEAM单 元和SHELL单元才有单元截面选项）
-10-
2、Smartsize网格划分控制
Smartsize是ANSYS提供的强大的 自动分网工具，它有自己的内部计算机 制，使用Smartsize在很多情况下更有 利于在网格生成过程中生成形状合理的 单元。 在自由分网时，建议使用Smartsize 控制网格的大小。
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Surface 采 用quad
Face 采用 quad
通过 sweep quad 创建Hex
Associated points 用于网格生成 Points 可 associated 于 curve 、 surface 硬点布置受global model tolerance 限制 被关联几何网格生成亦受限制 仅应用于 Paver 关联点亦可给被关联去除
在线curve或边edge上设置mesh seed 用以控制欲建模型的元素数目 与大小。
mesh seed 也用于调整网格密度 MSC.Patran 提供多种方法产生 seed
Uniform seed bias (等间隔) Non-uniform seed bias (不等间隔) Curve based seeding (依曲线参数而定) Tabular (列表输入) PCL function (PCL函数)
性，可进行parasolid 装配
有限元网格划分基础
ISOMESH 与 TETMESH的区别
由原丝体创建简单体 用Isomesh 划网格 附加工作多，但可使用hex
元素
Parasolid 体（复杂体）
简单体分割
对 parasolid 体直接划mesh
有限元网格划分基础
左图是一个硬点的
例子。说明了硬点 与网格之间的关系
硬线用于面网格生成 硬线布置受global model tolerance 限制 被关联几何网格生成亦受限制 硬线本身可加mesh seeded 仅应用于 Paver 关联线亦可给被关联去除
有限元网格划分基础
IsoMesher 可用于参数体
有限元网格划分基础
Mirror Plane
通过Create/Element/Edit菜单可以手动创建单元 需要注意的是：
必须利用已存在的Node、Point或Vertice 创建单元；
需要规定单元的形状与拓扑结构； 要注意节点连接顺序。
有限元网格划分基础
Equivalence命令用于消除重复节点。在进行Equivalence 时，有以下三种消除方式
合适的几何体
IsoMesh生成的 Hex元
有限元网格划分基础
TetMeshing B-Rep Solids
适用于B-Rep(复杂体)和简单体 可使用TetMesh Parameters 控制网格生成 Create Duplicate Nodes 设置为 no (default) 自动
消除重合点 Match Parasolid Faces 使网格表面表面具有光滑
有限元网格划分基础
Patran的网格划分工具有以下几种
Is oM e sh M e sh
Sweep Mesh
Paver Mesh
有限元网格划分基础
Tet M esh Tetrahedral M esh
Iso-mesher可对下列几何实体应用 各类线 (黄). 简单（参数）面 (绿) 简单（参数）体 (兰)
有限元网格划分基础
两种网格生成器的比较 IsoMesh
只能应用于参数面
Paver 可应用于任意类型面
划分网格按参数比例进行
内部硬点、线设置无效 可针对不同单元类型选择不
同划分依据。
不使用参数设置
适用于面内部有硬点、硬线 的情况
可控制元素边界线曲率与元 素边长比
有限元网格划分基础
Paver 参数
允许对高阶边界进行降阶处理 控制内部元素尺寸.
需要注意到以下几点
节点布置在给定参数的某些线或面的交点处。 非参数实体绝对不可使用。 几何实体必须是参数化的。 Paver-mesher对面的类型没有任何要求
有限元网格划分基础
Patran基于以下优先次序确定网格尺寸 ➢ 相邻已分网格的数目； ➢ 边上的网格种子（Mesh Seeds)； ➢ 全局边长 (GEL)
有限元网格划分
零件或系统的有限元模型是一种用线、面、体等有限元素小 片连续连接的工程分析用的数学模型。
Component (Geometric Model)
Finite Element Model
有限元网格划分基础
➢ 不同形状的单元
Bar
Tri
Quad
Tet
Wedge
Hex
有限元网格划分基础
Mesh Seed和Mesh Control可以用来确定单元尺寸
有限元网格划分基础
Surface 1 Mesh Ratio = 4
Surface 2 Mesh Ratio = 0.25 (or -4)
有限元网格划分基础
沿曲线网格间距不等
Length Ratio 给定毗邻元素长度比
元素阶数可设置
Linear 设置要用更多元素
用弦长/弦高比限制网格Max h, or Max h/L 定义最小、最大元素长度或数量
控制网格数目。 可产生非均匀厚度的网格。 网格与几何无关联（无新几何生成）
有限元网格划分基础
通过转换的方法可以在已有的网格基础上创建新的网格， Patran中提供了以下几类转换方式
Mirror: 关于mirror plane (镜面)反射生成 元素与节点；
Translate: 平动生成元素与节点； Rotate:刚体旋转生成元素与节点。
All —— 对整个模型进行消重； Group —— 就指定Group进行消重； List —— 在指定节点列表中消重。
IsoMesh 参数
定义网格光滑参数和网 格形状
有限元网格划分基础
硬点与硬线的一些特点
用于控制模型中网格点位置； 只对Paver mesher 有效； 强制与父代几何关联；
通过extrud
Curve 1 创建
Surface
1
surface 上的Edge 与 solid上的face关联
有限元网格划分基础
Isomesh
有限元网格划分基础
5,688 hex8 elements
5,688 hex20 elements
32,747 tet4 elements
有限元网格划分基础
36,188 tet10 elements
Sweep命令是生成有限元网格的有效途径
是在低维素元素基础上创建高维网格的方法 生成方式有：Arc, Extrude, Glide, Vector field等 要求指定基网格 通过在 the Mesh Control form中确定thickness