复杂模型的ANSYS有限元网格划分研究
有限元分析建模及ANASYS简介
ANSYS功能概览
• • • • • 结构分析 热分析 电磁分析 流体分析 (CFD) 耦合场分析 - 多物理场
ANSYS 结构分析 概览
结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.
结构分析的类型: • 静力分析 - 用于静态载荷. 可以考虑 结构的线性及非线性行为，例如: 大 变形、大应变、应力刚化、接触、 塑性、超弹及蠕变等. • 模态分析 - 计算线性结构的自振频率 及振形. 谱分析 是模态分析的扩展， 用于计算由于随机振动引起的结构 应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD).
2. 有限元建模的基本内容
• 有限元建模在一定程度上是一种艺术，是一种物体发生的物理相互 作用的直观艺术。一般而言，只有具有丰富经验的人，才能构造出 优良的模型。建模时，使用者碰到的主要困难是：要理解分析对象 发生的物理行为；要理解各种可利用单元的物理特性；选择适当类 型的单元使其与问题的物理行为最接近；理解问题的边界条件、所 受载荷类型、数值和位臵的处理有时也是困难的。 • 建模的基本内容： • 1、力学问题的分析（平面问题、板壳、杆梁、实体、线性与非线 性、流体、流固耦合…..）-----取决于工程专业知识和力学素养。 • 2、单元类型的选择（高阶元/低阶元？杆/梁元？平面/板壳？ ….. ） -----取决于对问题和单元特性的理解及计算经验。 • 3、模型简化（对称性/反对称性简化、小特征简化、抽象提取、支 坐等简化） • 4、网格划分（手工、半自动、自动，单元的形状因子？） • 5、载荷、约束条件的引入（载荷等效、边界处理） • 6、求解控制信息的引入
曲轴的有限元模型
6.ANSYS简介
大型通用有限元分析软件ANSYS，自1971年推出至今，已经 发展功能强大、前后处理和图形功能完备的有限元软件，并广 泛地应用于工程领域。可以分析结构、动力学、传热、热力耦 合、电磁耦合、流固耦合等领域的问题。 ANSYS采用开放式结构：提供了与CAD软件的接口，用户编 程接口UPFs，参数化设计语言APDL。 ANSYS分为系统层，功能模块层两层结构。可以使用图形方 式，也可以使用批处理方式。
基于APDL的ANSYS网格划分及应用
刘丽贤，马国鹭，赵登峰：基于ＡＰＤＬ的ＡＮＳＹＳ网格划分及应用拳ＤＩＭ，ＬＡ，ＡＲＲＡＹ，８，５１将实体所属线号放入ＬＡ二维数组中’ｋＳＥＴ，ＬＡ（１，１），１５，１６，４，３，１９，５４，２４，５２１给二维ＬＡ数组赋值水ＳＥＴ，ＬＡ（１，５），２，１，５，６，１２，８，７，１１木ＤＩＭ，ＬＢ，ＡＲＲＡＹ，５１将对不同线段划分的段数放入ＬＢ一维数组中ＬＢ（１）＝２０，３０，１０，２０，４０堆ＤＯ，ＡＢ，ｌ，５１用双重循环按照设定的段数划分实体所属线木ＤＯ，Ｃ。
１，８ＬＥＳＩＺＥ，ＬＡ（Ｃ，ＡＢ），，，ＬＢ（ＡＢ），，，，，ｌ！调用线号数组ＬＡ并通过调用段数数组ＬＢ对其设置划分的段数拳ＥＮＤＤＯ！结束嵌套循环木ＥＮＤＤＯ！结束外部循环木ＤＩＭ，ＬＤ，ＡＲＲＡＹ，９，２ＬＤ（１，１）＝１，１３，２４，４，９，７，１６，１０，１４１将要被划分网格的实体编号按照一定顺序放入二维数组ＬＤ中ＬＤ（１，２）＝２，２６，２１，２７，２５，２３，２２，１５，１７，ｋＤＯ，ＬＬＤ，ｌ，２１用双重循环划分实体ＭＡＴ．ＬＩＤ！给被划分的实体赋材料属性ＲＥＡＬ。
ＬＥＤ！给被划分的实体赋实常数ＭＳＨＡＰＥ．０．２ＤＭＳＨＫＥＹ，１，ＩｃＤＯ。
Ｕ正，１，９ＡＳＥＬ，Ｓ，ＬＤ（ＬＬＥ，ＬＥＤ）！调用ＬＤ数组选中将被划分的实体ＡＭＥＳＨ，ＬＤ（ＵＪＥ，ＬＬＤ）！调用ＬＤ数组选中划分的实体宰ＥＮＤＤＯ！结束嵌套循环木ＥＮＤＤＯ！结束外部循环以上是对该型电视机的ＣＲＴ网格划分的命令流，以相同方式划分电视机壳体肋板和前后外壳等部件。
ＡＰＤＬ划分网格ｂ自由划分ｆ。
ｇ梧图２实体模型网格划分图２是用ＡＰＤＬ通过以上方式和自由划分网格对长虹ＳＦ２１３６６型电视机的实体模型的网格划分。
由单元信息表１可反映出通过ＡＰＤＬ划分的电视机有限元模型的网格质量较好。
表１单元信息对比表３结论ＡＮＳＹＳ软件经过几十年的发展，日趋成熟。
它不但具有良好的数据库管理和强大的前后处理功能，而且还时刻追踪先进的计算方法和计算机技术，不断提高分析精度和扩展自身的开放性，并提供良好的二次开发功能。
复杂结构有限元分析
1.边界条件和载荷的正确施加是保证有限元分析结果可靠性的关键因素之一。这涉 及到对结构的约束条件和所受外力的准确模拟。 2.对于复杂结构，可能需要考虑多种边界条件和动态载荷，如接触力、温度场、流 固耦合等，这些都增加了分析的复杂性。 3.随着计算力学的发展，出现了一些高级的技术和方法，如子结构法、边界元法等 ，这些方法在处理复杂边界条件和载荷问题时表现出优越的性能。
复杂结构有限元分析
复杂结构建模技术
复杂结构建模技术
几何建模与简化
1.复杂结构的几何建模通常涉及CAD软件，这些软件能够精确 地捕捉和创建复杂的形状和细节。随着计算能力的提升，现在 可以处理更加精细和复杂的几何体。 2.为了减少计算量，提高分析效率，几何简化技术被广泛应用 。这包括使用诸如移除小特征、合并相邻面、平滑表面等方法 来降低模型的复杂性，同时保持其整体性能。 3.当前的趋势是开发更智能的几何简化算法，这些算法可以在 不损失太多设计意图的情况下，自动识别和优化模型中的冗余 或非关键部分。
▪ 有限元方法的基本原理
1.离散化：有限元方法的核心思想是将连续的求解区域离散化 为一系列互不重叠的小单元，这些小单元在数学上称为“有限 元”。通过这种离散化，可以将复杂的连续问题转化为简单的 离散问题。 2.变分原理：有限元方法通常基于变分原理，如最小势能原理 或最小余能原理，来建立问题的弱形式。这使得有限元方法能 够处理各种边界条件和初始条件，具有很高的灵活性。 3.加权残差法：加权残差法是另一种常用的有限元方法，它通 过在求解区域内引入一个权函数，使得残差（即实际值与理论 值之差）与该权函数的乘积在整个区域内积分等于零，从而得 到满足特定条件的近似解。
复杂结构有限元分析
材料属性与模型参数
修形齿轮的ANSYS参数化建模和有限元网格划分研究
Ｐｒｍ ｔｃＤ ｓ ｎＬｎｕｇ ， ａａ ｅｒ ｅｉ ａｇａｅ 简称 Ａ Ｄ ） 用 智 能 分 析 ｉ ｇ Ｐ Ｌ采
Ｍ ｏ ｅｉ ｇ ａ ｄ Ｍ ｅ ｈ ｎ ａ ｙ ｉ ｎ Ｇｅ ｒ ｏ ｅ ｈ Ｍ ｏ ｉ ｃ ｔｏ ｓ ｄ ｏ ｄ ｌ ｎ ｓ ｉ ｇ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ａ ｆＴｅ ｔ ｄ ｆ ａ ｉ ｎ Ｂａ ｅ ｎ ＡＮＳ ｎ ｉ ＹＳ
Ｙ Ｙａ ｎ．ＥＮ Ｊａ ｊ ｎ Ｕ — ｉ Ｒ ｉ－ａ
维普资讯
第２ ３卷 第 ３期 （ 第 １２期 ） 总 ０
机 械 管 理 开 发
ＭＥ ＣＨＡＮＩ ＡＬ Ｃ ＭＡＮ ＡＧ ＥＭＥ ＡＮＤ ＤＥ Ｌ ＭＥ ＮＴ ＶＥ ０Ｐ ＮＴ
２０ ０ ８年 ６ 月
Ｊ ｎ２ ０ ｕ ．０ ８
Ｖ １ ３ Ｎ ． （Ｕ ｏ１２ ｏ２ ｏ Ｓ Ｍ Ｎ ． ） ． ３ ０
齿 轮 传 动 时 ， 于轴 的弯 曲 和扭 转 变 形 、 承 的 由 轴 变 形 位 移 、 动 装 置 的制 造 和 安 装误 差 等 原 因 ， 导 传 将 致 齿 轮 副相 互 倾斜 及 轮齿 扭 曲 。实 际上 ， 由于轮 齿 有
弹性 变 形 ， 即使 轴 线 略 有倾 斜 ， 齿 仍 沿 整个 齿 宽 接 轮 触， 但是 轮 齿沿 齿 宽 的变 形 程度 不 同 ， 荷 分 布不 匀 。 载
［ ｙｗｏｄ ］ Ａ Ｓ ＳＧ ａ ｆｏｔ ｄ ｃｔ ｎＰ ｒｍ ｔ ｚｄｍ ｄ ｌ ｇ ｓｉｇ Ｋｅ ｒ ｓ Ｎ Ｙ ；ｅｒ ｏ ｍｏｉ ａｉ ；ａａ ｅｅ ｅ ｏ ｅ ｎ； ｈｎ ｏｔ ｈ ｉ ｆ ｏ ｉ ｒ ｉ Ｍｅ
引 言
很 有应 用价 值翻 。 修形 齿 轮建 立参 数化 有 限元模 型 的 目的是在 有 限 元 分析 的基 础上 进行 优化设 计 。如果 有 限元 模 型不 是 参 数化 的 ， 就不 能得 到优 化分 析 中的设计 变 量 ， 就 不 也 能 进行 优 化 。工程 分 析软 件 中 ， 虽可 导人 三 维Ｃ Ｄ 软 Ａ
基于ANSYS WORKBENCH的装配体有限元分析
基于ANSYS WORKBENCH的装配体有限元分析模拟装配体的本质就是设置零件与零件之间的接触问题。
装配体的仿真所面临的问题包括：（1）模型的简化。
这一步包含的问题最多。
实际的装配体少的有十几个零件，多的有上百个零件。
这些零件有的很大，如车门板；有的体积很小，如圆柱销；有的很细长，如密封条；有的很薄且形状极不规则，如车身；有的上面钻满了孔，如连接板；有的上面有很多小突起，如玩具的外壳。
在对一个装配体进行分析时，所有的零件都应该包含进来吗？或者我们只分析某几个零件？对于每个零件，我们可以简化吗？如果可以简化，该如何简化？可以删除一些小倒角吗？如果删除了，是否会出现应力集中？是否可以删除小孔，如果删除，是否会刚好使得应力最大的地方被忽略？我们可以用中面来表达板件吗？如果可以，那么，各个中面之间如何连接？在一个杆件板件混合的装配体中，我们可以对杆件进行抽象吗？或者只是用实体模型？如果我们做了简化，那么这种简化对于结果造成了多大的影响，我们可以得到一个大致的误差范围吗？所有这些问题，都需要我们仔细考虑。
（2）零件之间的联接。
装配体的一个主要特征，就是零件多，而在零件之间发生了关系。
我们知道，如果零件之间不能发生相对运动，则直接可以使用绑定的方式来设置接触。
如果零件之间可以发生相对运动，则至少可以有两种选择，或者我们用运动副来建模，或者，使用接触来建模。
如果使用了运动副，那么这种建模方式对于零件的强度分析会造成多大的影响？在运动副的附近，我们所计算的应力其精确度大概有多少？什么时候需要使用接触呢？又应该使用哪一种接触形式呢？（3）材料属性的考虑。
在一个复杂的装配体中所有的零件，其材料属性多种多样。
我们在初次分析的时候，可以只考虑其线弹性属性。
但是对于高温，重载，高速情况下，材料的属性不再局限于线弹性属性。
此时我们恐怕需要了解其中的每一种材料，它是超弹性的吗？是哪一种超弹性的？它发生了塑性变形吗？该使用哪一种塑性模型？它是粘性的吗？它是脆性的吗？它的属性随着温度而改变吗？它发生了蠕变吗？是否存在应力钢化问题？如此众多的零件，对于每一个零件，我们都需要考察其各种各样的力学属性，这真是一个丰富多彩的问题。
Ansys基础培训-网格划分-MeshTool
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 11.0
建立有限元模型 — 生成网格和改变网格
•
Training Manual
演示：
– – – – 恢复 ribgeom.db。 用 SMRT,6划分网格 (并非很好的网格)。 用 SMRT,3 重新划分网格(好的网格)。 将 ESIZE 设为 0.2 后重新划分网格，由于智能网格划分考虑了ESIZE，即使 SMRT 设为 3，网格也变得很粗糙，届时，注意单元尺寸并不相同 (因为 SMRT为打开状态)。 – 关闭 SMRT 重新划分网格。单元尺寸现在完全相同。
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 11.0
不同的面可以有不同的 AESIZE。 • 边界线仅在未指定 LESIZE 或 KESIZE时， 采用指定尺寸。 • 智能网格划分打开时，为适应线的曲率或几 何近似，指定的尺寸可能无效。
建立有限元模型 —网格密度控制
• 网格工具MeshTool
0trainingmanual建立有限元模型网格密度控制125台湾地区的认证要求?台湾标准检验局bsmi为了岛内电子电机产品的电磁辐射干扰于1995年5月公布商品电磁兼容性管理办法?并于1996年7月正式公告自1997年1月1日起管制复印机等产品的电磁兼容性能?之后陆续管制信息周边产品家电与广播音响产品
• 可以指定边长比例 — 最后一个分割和 第一个分割的比率，使网格数偏向中间 或一边。
建立有限元模型 —网格密度控制
面尺寸 • 在面的内部控制单元尺寸：
– Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool; then select ―Size Controls‖, ―Areas‖, and [Set] – 或使用 AESIZE 命令 – 或 Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Areas
利用有限元软件ANSYS进行车窗玻璃隔声特性的有限元分析的研究报告
利用有限元软件ANSYS进行车窗玻璃隔声特性的有限元分析的研究报告本文利用ANSYS有限元软件，对车窗玻璃隔声特性进行有限元分析研究。
首先，我们建立了车窗玻璃模型，并进行了网格划分。
然后，在模型中加入声学边界条件，模拟汽车行驶时的噪声环境。
最后，我们对模型进行了模拟分析，得出了车窗玻璃的隔声特性。
在建立模型时，我们采用了正四面体网格划分方法，使得模型的几何结构更加精细。
在进行模拟分析时，我们首先进行了模态分析，得出了车窗玻璃的固有频率和振型。
然后，在考虑到汽车行驶时复杂的噪声环境下，我们采用了声学边界条件，模拟了车内噪声的传递和隔离。
通过模拟分析，我们得到了车窗玻璃的隔声特性。
我们发现，在某些频率段内，车窗玻璃的隔声效果很好，可以有效地隔绝汽车行驶时的噪声。
然而，在其他频率段内，车窗玻璃的隔声效果不佳，需要进一步的改进和优化。
此外，我们还发现，车窗玻璃的厚度和材料对隔声效果具有重要影响。
随着玻璃厚度的增加，车窗玻璃的隔声效果显著提高。
综上所述，本文利用ANSYS有限元软件进行了车窗玻璃隔声特性的有限元分析研究。
通过模拟分析，我们得到了车窗玻璃的隔声特性，并发现了影响隔声效果的一些关键因素。
这些研究成果可以为车窗玻璃的设计和优化提供重要参考。
在本研究中，我们利用ANSYS有限元软件进行了车窗玻璃隔声特性的有限元分析研究，得出了车窗玻璃的隔声特性。
下面将对相关数据进行分析。
首先，我们对模型进行了模态分析，得出了车窗玻璃的固有频率和振型。
通过模态分析，我们得出车窗玻璃的前三个固有频率为196.8 Hz、262.5 Hz和428.2 Hz。
这些固有频率是车窗玻璃的自然振动频率，是车窗玻璃的重要机械特性参数。
其次，在考虑到汽车行驶时的噪声环境下，我们采用了声学边界条件，模拟了车内噪声的传递和隔离。
通过模拟分析，我们得到了车窗玻璃在不同频率段内的隔声效果。
例如，在250Hz左右的频率段内，车窗玻璃的隔声效果最好，可以隔绝超过15 dB的噪声。
ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践 第4章 网格划分
4.4.2 局部网格控制
• 局部网格控制主要用于细化仿真中比较关注的部位，同时对于存在大曲率、多 连接相贯等位置处的网格进行细化处理，保证获得质量较高的网格单元。
1．Sizing（尺寸控制）
• 通过插入Sizing控制局部网格尺寸的方式有两种，分别如下。 • （1）Element size（单元大小）： • （2）Sphere of Influence（球体影响范围）：
• 协调修补算法基于自下而上的网格划分技术，在划分过程中充分考虑几何体的微 小特征，对于包含倒角、圆孔等特征的几何模型也能获得较好的网格质量；而独 立修补算法采用自上而下的网格划分技术，由内而外，由体至面，划分网格时忽 略对几何特征的处理，适合对网格尺寸要求较为统一的几何模型。
4.3.3 自动划分法
• 扫掠法是针对几何结构比较规则的模型进行网格划分的手段，用于生成六面体 或者棱柱网格单元。采用该方法进行网格划分需要保证几何模型是可以扫掠的， 在源面与目标面之间有相同的拓扑结构，如图所示，类似的几何体具备扫掠特 征，可以采用扫掠法进行网格划分。
4.3.2 四面体划分法
• 四面体网格划分适用于几乎所有几何体，尤其是几何模型比较复杂，无法直接生 成六面体网格的模型。四面体网格生成提供两种算法，分别为协调修补算法 （Patch Conforming）和独立修补算法（Patch Independent）。
3．雅克比比率（Jacobian Ratio）
• 雅克比比率指单元内各特定点（积分点）的雅克比行列式的值的最大值与最小 值之比，用于表征单元的扭曲程度。通常二次三角形单元以及四面体单元的边 中节点与单元角节点的中点位置重合，雅克比比率为1，边中节点离单元边中 点越远，雅克比比率越大，如图所示为三角形单元扭曲程度的雅克比比率。
基于ANSYS的钢筋混凝土结构非线性有限元分析
2、应力-应变曲线：描述了混凝土和钢筋的在往复荷载作用下的变形和能量吸收能力，显示 了结构的塑性变形和损伤演化过程。
参考内容
引言
钢筋混凝土结构在建筑工程中具有重要地位，其非线性行为对结构性能影响 显著。因此，进行钢筋混凝土结构的非线性有限元分析对于预测结构响应、优化 结构设计具有实际意义。本次演示将根据输入的关键词和内容，建立钢筋混凝土 结构非线性有限元分析模型，并详细描述分析过程、结果及结论。
基于ANSYS的钢筋混凝土结构 非线性有限元分析
基本内容
引言：
钢筋混凝土结构是一种广泛应用于建筑工程的重要材料，其非线性力学行为 对结构设计的安全性和稳定性具有重要影响。为了精确模拟钢筋混凝土结构的真 实行为，需要借助先进的数值计算方法，如非线性有限元分析。ANSYS作为一种 广泛使用的有限元分析软件，为钢筋混凝土结构的非线性分析提供了强大的支持。
对于钢筋混凝土，其非线性行为主要来自两个方面：混凝土的本构关系和钢 筋与混凝土之间的相互作用。在非线性有限元分析中，需要建立合适的模型来描 述这些行为。例如，可以采用各向异性本构模型来描述钢筋混凝土的力学行为， 该模型可以捕捉到材料在不同主应力方向上的不同响应。
二、ANSYS中混凝土本构关系研 究
在进行荷载试验时，通过施加不同大小和方向的荷载，检测结构的变形和破 坏过程。采用静力荷载试验和动力荷载试验两种方式，分别模拟实际结构在不同 荷载条件下的响应。在试验过程中，记录各阶段的位移、应变和荷载数据。
在进行有限元分析时，采用ANSYS软件对试验数据进行模拟分析。首先进行 模态分解，了解结构的基本振动特性。随后进行屈曲分析，预测结构的失稳趋势。 通过调整模型参数和网格划分，对比分析不同方案下的有限元计算结果，为结构 的优化设计提供依据。
第2章ANSYS有限元分析典型步骤
第2章ANSYS有限元分析典型步骤ANSYS有限元分析通常包括以下典型步骤：1. 建立几何模型：首先，需要根据实际情况建立一个准确的物体几何模型。
可以使用ANSYS的建模工具，如DesignModeler或SpaceClaim 等，或者根据实际测量数据导入几何模型。
2.定义材料属性：对于每个组件或部件，需要定义其材料属性。
这包括材料的弹性模量、泊松比、密度等。
可以根据实际材料性能值，或通过实验测量获得的数据进行定义。
3. 网格划分：在进行有限元分析之前，需要将几何模型划分为离散的小单元，也就是网格。
网格的划分可以使用ANSYS的网格划分工具，如Meshing或Tetrahedron等。
网格的质量对分析结果影响很大，因此需要注意网格的尺寸和形状。
4.边界条件的定义：在有限元分析中，需要定义加载条件和边界条件。
加载条件包括模型所受到的力或压力，边界条件包括模型的约束条件。
根据实际情况，可以在加载面上应用力或压力，并在其他面上施加约束条件，如固定、自由、对称等。
5.约束和加载条件的应用：在ANSYS中，可以通过指定加载和约束条件来模拟实际问题的工作条件。
可以使用ANSYS的加载和约束工具来定义这些条件，并将其应用于相应的面或区域。
6.求解计算：在有限元分析中，需要对模型进行数值求解以获得结果。
ANSYS提供了强大的求解器，可以对各种非线性和线性问题进行求解。
可以选择适当的求解方法和参数，并启动求解计算。
7.结果分析：一旦求解过程完成，可以对分析结果进行分析和解释。
ANSYS提供了丰富的后处理工具，可以显示网格变形、应力和应变分布、位移和振动模式等相关结果。
根据需要，可以导出结果并使用其他软件进一步分析。
8.结果验证和优化：根据结果分析，可以对模型和分析设置进行验证和优化。
结果验证通常是与实验数据进行比较，以确定模型的准确性。
优化可以是调整材料属性、几何形状或边界条件等，以提高模型性能。
9.报告和展示：最后，需要编写分析报告，并通过图形和表格等方式展示分析结果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第3期(总第136期)2006年6月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATIONNo13Jun1
文章编号:167226413(2006)0320041203
复杂模型的ANSYS有限元网格划分研究高志刚1,刘泽明2,李 娜1(11内蒙古工业大学机械工程学院,内蒙古呼和浩特 010051;21中国航天科工集团公司第六研究院,内蒙
古呼和浩特 010010
)
摘要: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。对网格划分这个步骤所涉及到的一些问题,尤其是与复杂模型相关的一些有限元网格划分问题作简要阐述,并给出一个复杂模型的ANSYS有限元网格划分实例。为工程设计提供参考。关键词:复杂模型;ANSYS;有限元;网格划分中图分类号:TB115 文献标识码:A
收稿日期:2005211218;修回日期:2006201220
作者简介:高志刚(19782),男,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生。
0 引言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。在ANSYS中,网格划分有以下3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和划分网格。在这里,我们仅对划分网格这个步骤所涉及到的一些问题,尤其是与复杂模型相关的一些有限元网格划分问题作简要阐述,并给出一个复杂模型的ANSYS有限元网格划分实例。1 与复杂模型相关的有限元网格划分问题111 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并控制疏密分布以及选择分网算法等。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。112 映射网格划分映射网格划分是对规整模型的一种规整网格划分方法,其概念是:对于面,只能是四边形面,网格划分数需在对边上保持一致,形成的单元全部为四边形;对于体,只能是六面体,对应线和面的网格划分数保持一致,形成的单元全部为六面体。对于三维复杂模型而言,通常的做法是利用布尔运算功能,将其切割成一系列四面体、五面体或六面体,然后对这些切割好的体进行映射网格划分。当然,这种纯粹的映射划分方式比较繁琐,需要的时间和精力较多。113 拖拉、扫掠网格划分对于由面经过拖拉、旋转、偏移等方式生成的复杂三维实体而言,可先在原始面上生成壳单元形式的面网格,然后在生成体的同时自动形成三维实体网格;
对于已经形成好了的三维复杂实体,如果其在某个方向上的拓扑形式始终保持一致,则可用扫掠网格划分功能来划分网格。这两种方式形成的单元几乎都是六面体单元。通常,采用扫掠方式形成网格是一种非常好的方式,对于复杂几何实体,经过一些简单的切分处理,就可以自动形成规整的六面体网格,它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性。114 混合网格划分混合网格划分即在几何模型上,根据各部位的特点,分别采用自由、映射、扫掠等多种网格划分方式,
以形成综合效果尽量好的有限元模型。混合网格划分方式要在计算精度、计算时间、建模工作量等方面进行综合考虑。通常,为了提高计算精度和减少计算时间,应首先考虑对适合于扫掠和映射网格划分的区域先划分六面体网格,这种网格既可以是线性的、也可以是二次的,如果无合适的区域,应尽量通过切分等多种布尔运算手段来创建合适的区域;其次,对实在无法再切分而必须用四面体自由网格划分的区域,采用带中节点的六面体单元进行自由分网,此时,在该区域与已进行扫掠或映射网格划分的区域的交界面上,会自动形成金字塔过渡单元。ANSYS中的这种金字塔过渡单元具有很大的灵活性,如果其邻接的六面体单元无中节点,则在金字塔单元四边形面的四条单元边上,自动取消中间节点,以保证网格的协调性。115 利用自由度耦合和约束方程对于某些形式的复杂几何模型,可以利用ANSYS的约束方程和自由度耦合功能来促成划分出优良的网格并降低计算规模。比如,利用CEINTF命令可以将相邻的体在进行独立的网格划分后再“粘结”起来,由于各个体之间在几何上没有联系,因此不用费劲地考虑相互之间网格的影响,所以可以自由地采用多种手段划分出良好的网格,而体之间的网格“粘结”是通过形函数差值来进行自由度耦合的,因此连接位置处的位移连续性可以得到绝对保证,如果非常关注连接处的应力,可以如下面所述再在该局部位置建立子区模型予以分析。116 利用子区模型及其它子区模型是一种先总体、后局部的分析技术,对于只关心局部区域准确结果的复杂几何模型,可采用此手段,以尽量小的工作量来获得想要的结果。子结构也是一种解决大型问题的有效手段,并且在ANSYS中,超单元可以用于诸如各种非线性以及装配件之间的接触分析等,有效地降低大型模型的求解规模,巧妙地利用结构的对称性对实际工作也大有帮助。对于常规的结构和载荷都是轴对称或平面对称的问题,毫无疑问应该利用其对称性,这样既可提高计算精度又可减少计算量。2 一个复杂模型的ANSYS有限元网格划分实例图1为要划分网格的模型几何尺寸图。从模型的截面看此模型的外形比较复杂,似乎只能用自由网格划分出比较粗糙的网格。但通过对该模型进行切割操作后,结合映射网格划分、体扫掠网格划分和自由网格划分,可以得到比单独用自由网格划分不加任何处理更加规则、更加合理的网格划分结果。在ANSYS当中进行建模。由于此模型轴对称,故对建立模型的112进行网格划分。进行切割操作后,带孔部分用Solid95单元划分,其余部分用Solid45单元划分。两种单元相接的地方用Solid92单元过渡。划分的单元边长为2。具体步骤如下:
图1 划分网格模型的几何尺寸图(1)在
ANSYS中建立模型的截面,见图2。
图2 在ANSYS中建立的模型截面(2)为得到可以用映射网格和体扫掠网格划分的
模型,需要对截面下端不规则的面用面分割命令分割而得到规则的四边形,因为这部分在生成实体以后很难用体分割命令分割成规则的可以应用映射网格划分的体。图3为面分割后的截面,图4是分割下端的局部放大图。
图3 面分割后的截面图图4 分割下端的局部放大图(3)绕中心轴线旋转得到实体模型并阵列得到阶
梯孔。打孔后的模型见图5。(4)用坐标系分割其余部分,为体扫掠网格划分
做好准备。分割后的模型见图6。(5)用映射网格划分模型下端符合映射网格划分
条件的体。用映射网格划分的模型见图7。(6)用体扫掠网格划分其余不符合映射网格划分
但符合体扫掠网格划分的模型,包含阶梯孔的部分除
・24・ 机械工程与自动化 2006年第3期 外。其划分后的模型见图8。图5 打孔后的模型图6 经坐标系分割后的模型图7 用映射网格划分的模型图8 经体扫掠网格划分后的模型(7)用自由网格划分包含阶梯孔的部分,其划分后的模型见图9。(8)为使单元之间平稳过渡,Solid45单元和Solid95单元的边界处用Solid92单元过渡。过渡区见图10。3 总结对于复杂模型,综合运用多种手段建立起高质量、高计算效率的有限元模型是极其重要的一个步骤,这里介绍的注意事项仅仅是很少的一部分,限于篇幅只举了一个实例。用户还需自己通过对许多工程问题的不断摸索、总结和验证才能找到最有效高效处理复杂模型的手段。
图9 自由网格划分后的模型图10 过渡区参考文献:
[1] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,1999.
[2] 刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002.[3] 叶先磊,史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京:清华大学出版社,2003.
[4] 陈晓霞.ANSYS7.0高级分析[M].北京:机械工业出版社,2004.
[5] 刑静忠,王永刚,陈晓霞.ANSYS7.0分析实例与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
ResearchofANSYSFiniteElementMeshDividingontheComplicatedModel
GAOZhi-gang1,LIUZe-ming2,LINa1(11SchoolofMechanicalEngineering,IMUT,Huhhot010051,China;2.The6thInstituteofChinaAerospaceandIndustryCorp.Huhhot
010010,China
)
Abstract:Inthefiniteelementanalysis,dividingmeshisthekeystep,whichinfluencestheprecisionandspeed.Thistextexplicatedsomequestionsinvolvedofthemeshdividing,andgaveanexampleofANSYSfiniteelementmeshdividing.Keywords:complicatedmodel;ANSYS;finiteelement;meshdividing
・34・ 2006年第3期 高志刚,等:复杂模型的ANSYS有限元网格划分研究