有限元六面体网格的典型生成方法及发展趋势

有限元六面体网格的典型生成方法及发展趋势吕 军,王忠金,王仲仁(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:工程问题三维有限元仿真的主要困难是模型的建立,而模型的建立需要采用合适的方法来生成高质量的三维有限元网格.以金属塑性成形过程的三维有限元仿真为例,说明了采用六面体单元的必要性.针对典型的有限元六面体网格生成方法,系统地分析了各种方法的实现原理和发展趋势,并探讨了六面体网格生成总的发展趋势.分析结果说明,复杂域内六面体网格全自动生成的实现是全自动网格生成真正走向实用化、通用化必须解决的难题.关键词:数值仿真;有限元法;网格生成;六面体网格中图分类号:T G302 文献标识码:A 文章编号:0367-6234(2001)04-0485-06G eneration of finite element hexahedral meshand its trend of developmentL Jun,WANG Zhong -jin,WANG Zhong -ren(School of M aterials Science and Engineering,Harbin Institute o f T echnology ,Harbin 150001,China)Abstract:The major difficulty w ith the 3-D finite element simulation of an engineering problem lies in the construction of models,w hich needs the proper generation of 3-D finite element hex ahedral mesh of high quality.The necessity to use a hex ahedral unit is justified by taking the 3-D finite element simulation ofthe plastic formation of metals as an ex ample.T he theories behind and trends of development of different w ays of generating finite element hexahedral meshes are systematically analysed,and the general trend of development for generation of hexadedral mesh is discussed as w ell.It is concluded that the full automatic g eneration of hexahedral mesh in com plex domains is the key to the popularization of full automatic genera -tion of hexahedral mesh.Key words:numerical simulation;finite element method;mesh generation;hexahedral mesh有限元法是求解工程问题的一种近似数值方法,近年来在工程领域中得到了广泛的应用[1,2].有限元仿真的一个重要步骤是对连续体进行离散化,为使离散出的网格能更精确地逼近连续区域和有限元计算的结果在预定误差范围内,应保证离散化后得到质量较高的网格.为此提出了许多方法来生成有限元网格[35].目前,二维有限元收稿日期:2001-01-20.基金项目:金属精密热加工重点实验室基金资助项目.作者简介:吕 军(1974-),男,博士研究生;王仲仁(1934-),男,教授,博士生导师.网格生成方面已比较成熟,提出了许多行之有效的方法.但在三维有限元网格尤其是六面体网格的生成方面还没有通用的算法,存在许多难点问题需进一步解决.本文论述了采用六面体单元的必要性,并分析了有限元六面体网格的典型生成方法.最后,对六面体网格生成的发展趋势进行了探讨.1 采用六面体单元的必要性在有限元仿真过程中,单元类型的选择对整个有限元仿真的计算效率、自动化程度、计算精度等都将产生重要影响.因此单元类型的选择在各第33卷 第4期 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报Vol.33,No.42001年8月JOURNAL OF HARBIN INST IT UTE OF T ECH NOLOGYAug.,2001个领域的有限元仿真中都占有重要地位.在体积成形刚塑性/刚粘塑性有限元仿真中,单元类型选择的重要性尤为突出.这是因为刚塑性/刚粘塑性有限元仿真有三个突出的特点:(1)塑性成形往往是一个大变形过程,有限元计算中通常需要进行多次网格重划分,而网格重划分需要耗费大量的时间,且每次都会损失一定的精度.(2)塑性变形过程是一个非线性问题,需要进行迭代求解,计算效率问题更为突出.(3)刚塑性/刚粘塑性有限元仿真时必须进行多次工件与模具间的动态接触处理,每一次的处理都会使得工件的有限元模型产生一定的体积损失而影响计算精度.这三种问题的处理都与单元类型的选择密切相关.选择合理的单元类型,就可用较少的网格重划分次数、相同或较少的高斯积分点数来达到较高的计算精度和计算效率,这在有限元仿真中是非常重要的.六面体单元由于变形特性好、计算精度高等优点而在很多三维有限元仿真领域中得到了广泛的应用.在金属体积成形的三维有限元仿真中,要求单元既要有一定的 刚性 (即抗畸变能力)以避免频繁的网格重划分,又要有一定的 柔性 (即良好的变形特性)以准确地仿真变形过程,还必须有较高的计算精度.在体积成形三维有限元仿真中常采用四面体和六面体单元.大量计算结果表明:采用六面体单元进行三维有限元仿真可采用较少的网格重划分次数达到较高的计算精度,故六面体单元是金属体积成形过程三维有限元仿真的首选单元[6,7].2 有限元六面体网格的典型生成方法六面体网格在三维有限元仿真中有四面体网格无法比拟的优越性,但现有的有关三维有限元网格生成方法的文献往往偏重于介绍四面体网格的生成方法,对六面体网格生成方法介绍得很少.实现可靠的、高质量的六面体有限元网格自动生成是三维有限元仿真领域的瓶颈问题.当前,有限元六面体网格的典型生成方法主要有以下几种.2.1 映射单元法映射单元法是三维网格生成中最早使用的方法之一.这种方法先把三维实体交互地分成几个大的20节点六面体区,然后使用形函数映射技术把各个六面体区域映射为很多细小的8节点六面体单元[8].这种方法易于实现,可以生成规整的结构化网格;缺点是当三维实体的表面是十分复杂的自由曲面时,该方法的逼近精度不高,且人工分区十分麻烦、难以实现自动化.近年来,一些研究者采用 整体规划技术(Integer programm ing technique) 来进行实体的自动分区[9],但该技术很难对复杂形体(如塑性加工中的复杂锻件)进行自动分区.曲面映射是三维映射的特例,采用曲面映射技术可以对几何曲面进行离散化处理[10,11].文献[12]详细研究了基于映射单元法的有限元六面体网格自动生成技术,采用加权因子控制网格生成过程中自然坐标的分割,可以生成密度不同的有限元网格.对原域为单连通凸区域的简单形体及原域为复连通凹区域的复杂形体,该种方法均可生成质量较高的网格,生成的六面体网格如图1所示.图1 映射单元法F ig.1 M apped element method映射单元法的发展趋势是:实现简单、规则形状形体的自动分区,提高手工分区的交互性,能方便地进行复杂的三维形体的分区.2.2 基于栅格法这种方法预先产生网格模板,然后将要进行网格化的物体加到其上,并在实体内部尽可能多地填充规则的长方体或正方体网格,在实体的边界上根据实体边界的具体特征更改网格的形状和相互连接关系,使得边界上的六面体单元尽可能地逼近物体的边界形状.文献[13]采用这种方法生成了六面体单元.这种方法能实现网格生成的自动化,网格的生成速度也非常快.其最大弱点是边界单元的质量较差;另一个缺点是所生成的单元尺寸相近,网格密度很难得到控制.1998年发布的MARC/H exM esh 模块中采用了基于栅格法,并对这种方法进行了改进,使得初始填充在实体内部的单元尺寸较大、实体边界单元的尺寸较小,这样可以较好地控制网格密度[14].但是,对于复杂三维形体,MARC/HexM esh 模块产生的边界六面体网格的质量仍然不够理想.Tekkaya [15]将改进八叉树法与基于486 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第33卷栅格法相结合来生成边界过渡网格,首先根据工件的边界来区分内部网格和边界网格,然后应用网格细化和均匀化处理来改进边界单元的质量,如图2所示.图2 基于栅格法Fig.2 G rid -based met hod这种方法的发展趋势是:控制实体内部的初始规则网格的尺寸,以控制最终形成的网格的密度;采用网格结构重组(包括拆分和合并单元)和网格优化算法来提高边界单元的质量.2.3 几何变换法这种方法由二维四边形网格经过旋转、扫描、拉伸等几何变换而形成六面体网格,几何变换后删除重节点及四边形、进行单元及节点的重新编号[16].这种方法生成的六面体网格如图3所示;优点是比较容易实现,在当今大多数的大型CAD 软件前置处理中均有此功能.但是,这种方法只适用于形状简单的三维形体,且主要依靠人机交互的方式来实现.图3 几何变换法Fig.3 Geometry tr ansformation method这种方法的发展趋势是使四边形有限元网格能够以自由曲线为路径进行扫描,尽量减少人机交互的步骤.2.4 改进八叉树法这种方法的基础是三维物体的八叉树表示.所作的改进类似于四叉树法的改进,但三维物体的边界处理更加复杂;它具有改进四叉树法同样的利弊.Yerry 等[17]首先提出并实现了这种方法,他们将物体边界简化为42种可能的模式(18种单平面和24种双平面切割八叉元).这种方法与基于栅格法结合生成 过渡网格 ,效果较好[15].著名的有限元分析软件MARC/Auto -Forge 模块中采用了这种方法,生成的六面体网格如图4所示.图4 改进八叉树法Fig.4 M odified -octree method这种方法的发展趋势是:与基于栅格法结合使用来提高过渡网格的质量,并减少仿真过程中的畸形单元,提高形体尖角处单元的质量.2.5 模块拼凑法Yang 等[18,19]把工件分为一定数量的子模块,然后对每一类形状简单的子模块规定一种六面体网格生成方法,整个工件的有限元网格即可由这些子模块内的网格拼凑而成,如图5所示.但是,实际生产中的工件(尤其是模锻件)的形状往往非常复杂,很难对其进行子模块的自动划分,采用专家系统的方法往往也是不可行的.因此,这种方法只能针对形状相对简单和变化较少的工件来生成六面体网格.这种方法的发展趋势是完善专家系统的知识库,使其能适应更复杂形状工件的子模块自动划分.2.6 单元转换法由于多种四面体网格自动生成算法已经达到实用化的程度,在自动生成四面体网格后,可以把一个直边四节点四面体单元分成四个六面体单元[20,21],这样可以把四面体网格自动地转化为六面体网格,如图6所示.这种方法的缺点是得到的网格是杂乱无章的非结构化六面体网格,网格的质量不高;为了较好地逼近复杂物体的曲面边界,需要生成较多的直边四面体单元,因而也将得到数量极多的六面体单元,这会使得有限元仿真的时间过长.对同时具有内外复杂边界的三维问题(如内部有空洞缺陷的复杂锻件分析),该方法是实现六面体网格自动生成的一种比较有效的方487 第4期 吕 军,等:有限元六面体网格的典型生成方法及发展趋势法.文献[22]对单元转换法进行了改进,将十节点曲边四面体转换为六面体,并采用非线性约束优化算法大幅度提高了六面体网格的单元质量.图5 模块拼凑法Fig.5 M odularmethod图6 单元转换法Fig.6 Element conversion method这种方法的发展趋势是减少不必要的四面体单元的数量,采用网格结构重组技术以剔除不必要的单元,采用约束优化算法提高六面体单元的质量.2.7 B 样条曲面拟合插值法这种方法基于三维物体的边界曲面B 样条表示,采用插值拟合曲面来生成六面体网格[23].在几何构形确定的情况下,这种方法即可自动生成六面体网格.通过调整B 样条函数中的参数可以控制网格密度,生成的六面体网格如图7所示.这种方法的优点是边界曲面逼近好,形体的几何表示与网格生成在数学方法上一致;缺点是局部网格的处理比较困难,这是整体域剖分所带来的问题.图7 B 样条曲面拟合插值法Fig.7 B -spline surface inter polation method这种方法的发展趋势是采用B 样条曲面和实体造型相结合的方式来描述三维物体,采用模块法来处理物体内部的局部网格.2.8 采用波前法逐层由实体表面向实体内部生成六面体网格(Plastering algorithm)Blacker 和Meyers [24]于1993年提出了这种方法,该方法实际上是二维四边形网格逐层推进生成法[25](Paving algorithm )在三维空间上的拓展.在三维实体内部,各个六面体单元的边与边、面与面之间的相互关系十分复杂,并且只有满足一定条件的实体表面上的节点才能生成完全的六面体网格,故这种方法的实现具有很高的难度.生成的网格如图8所示.该方法生成的六面体网格的单元质量(尤其是边界单元的质量)是所有算法中最好的,但该方法的实现仍需解决一些技术细节上的问题.图8 Plastering 算法F ig.8 Plaster ing algorithm这种方法的发展趋势是优化实体表面的布点,避免在向实体内部逐层推进时产生尺寸过小和形状不合理的单元,避免单元间的裂缝.2.9 采用中轴面分解和整体规划技术生成六面体网格这种方法首先将三维实体分解成一定数量的简单子域,然后在每个子域内生成六面体网格[26].在将实体分解成子域过程中采用中轴面(M edial Surface)分解技术,并采用整体规划技术来确定每条边的分割数,进而控制六面体网格的密度[9].根据形体的中轴面可以确定必要的子域,子域可以定义为13种可能类型中的一种[27].中轴面分解方法也可以拓展应用于带有凹边或凹顶点的实体及退化情况,从而可以实现复杂实体(如带有孔、凹角等)的六面体网格生成[28].该方法生成的六面体网格的单元质量很高并且疏密有致,如图9所示.这种方法的发展趋势是实现复杂形体的全自动中轴面分解;尽可能形成容易网格化的子域;提高边界单元的质量,避免产生形状不好的单元(如488 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第33卷狭长单元).图9 中轴面分解法Fig.9 M edial surface subdivision method3 六面体网格生成的发展趋势有限元六面体网格生成问题近年来成为三维网格生成方法研究的热点和难点,出现了许多种算法,但至今尚未提出一种通用的有限元六面体网格自动生成方法.下列问题将成为六面体网格生成的研究前沿,也将是未来的发展趋势.3.1 开发复杂域六面体网格的全自动生成方法全自动网格生成方法因其高效性、处理复杂情况的能力和便于集成到计算机集成制造系统(CIM S)等优点,已成为网格生成的发展趋势.现有的网格自动生成方法在时效、稳定性和通用性等方面与实用要求都有一些差距,六面体网格生成方面尤为突出,问题的关键在于开发有效、高效的自动生成方法.复杂域的网格生成是全自动网格生成的前提,人们正在研究能在任意复杂域内生成六面体网格的方法,并注重方法的可靠性.复杂域内六面体网格全自动生成的实现是全自动网格生成真正走向实用化、通用化必须解决的难题.3.2 网格密度定义和控制技术的研究三维网格密度定义和控制一直没有行之有效的方法,生成疏密有致的六面体网格并且使密网格和疏网格之间的单元均匀过渡将是六面体网格生成的发展趋势之一.3.3 基于几何造型的六面体网格生成及其集成基于几何造型的网格生成是通往有限元仿真技术集成到计算机集成制造系统的必由之路,目前的网格生成方法大都从造型系统中得到形体描述,但几乎都与造型系统松散结合.实现六面体网格生成与几何造型系统的集成将是未来的发展方向.3.4 六面体网格显示技术及正确性检测六面体网格缺乏有效的显示技术.正因为缺乏直观的显示来验证其正确性,其正确性的检测就显得格外重要;目前在这方面尚缺乏快速有效的方法.六面体网格显示技术的关键是提出正确、可靠和高效的消隐处理算法.4 结 论在三维有限元仿真中采用六面体单元有很多优点,实现可靠、高质量的有限元六面体网格自动生成一直是CAD/CAE 领域内的一个难点,也是制约三维有限元仿真走向实用化的瓶颈问题.解决这个问题的关键是在现有方法的基础上提出稳定、高效和通用的复杂域六面体网格全自动生成方法,以使得六面体网格在三维有限元仿真领域中的应用真正走向实用化.参考文献:[1]GHOU AL I M A ,DU VAU T G.L ocal analy tical de -sign sensitiv ity analysis of the forging problem using F EM [J].Comput Methods Appl M ech Eng ,1998,163:55-70.[2]FI SH F,PA NDHEERADI M ,BEL SKY V.Efficient solutions schemes for inter face pr oblems[J].F inite E-l ements in A nalysis and 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