ANSYS 网格划分详细介绍

ANSYS 网格划分详细介绍

2008-09-27 18:01

众所周知，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，大家知道，网格划分有三个步骤：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。在这里，我们仅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问题作简要阐述。

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（平面、曲面）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，具有过刚的刚度，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，减少每个单元的节点数量，提高求解效率。在有些情况下，必须要用六面体单元的退化形式来进行自由网格划分，比如，在进行混合网格划分（后面详述）时，只有用六面体单元才能形成金字塔过渡单元。对于计算流体力学和考虑集肤效应的电磁场分析而言，自由网格划分中的层网格功能（由LESIZE命令的LAYER1和LAYER2域控制）是非常有用的。

二、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，其原始概念是：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。在ANSYS中，这些条件有了很大的放宽，包括：

1 面可以是三角形、四边形、或其它任意多边形。对于四边以上的多边形，必须用LCCAT命令将某些边联成一条边，以使得对于网格划分而言，仍然是三角形或四边形；或者用AMAP命令定义3到4个顶点（程序自动将两个顶点之间的所有线段联成一条）来进行映射划分。

2 面上对边的网格划分数可以不同，但有一些限制条件。

3 面上可以形成全三角形的映射网格。

4 体可以是四面体、五面体、六面体或其它任意多面体。对于六面以上的多面体，必须用ACCAT命令将某些面联成一个面，以使得对于网格划分而言，仍然是四、五或六面体。

5 体上对应线和面的网格划分数可以不同，但有一些限制条件。

对于三维复杂几何模型而言，通常的做法是利用ANSYS布尔运算功能，将其切割成一系列四、五或六面体，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烦琐，需要的时间和精力较多。面的三角形映射网格划分往往可以为体的自由网格划分服务，以使体的自由网格划分满足一些特定的要求，比如：体的某个狭长面的短边方向上要求一定要有一定层数的单元、某些位置的节点必须在一条直线上、等等。这种在进行体网格划分前在其面上先划分网格的方式对很多复杂模型可以进行良好的控制，但别忘了在体网格划分完毕后清除面网格（也可用专门用于辅助网格划分的虚拟单元类型－MESH200－来划分面网格，之后不用清除）。

三、拖拉、扫略网格划分

对于由面经过拖拉、旋转、偏移（VDRAG、VROTAT、VOFFST、VEXT等系列命令）等方式生成的复杂三维实体而言，可先在原始面上生成壳（或MESH200）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（人工或全自动）扫略网格划分（VSWEEP命令）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，采用扫略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。

四、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、扫略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略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（无中节点）、也可以是二次的（有中节点），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（尤其是对所关心的区域或部位）；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（自动退化成适合于自由划分形式的单元），此时，在该区域与已进行扫略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（无中节点的六面体单元没有金字塔退化形式）。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。同时，应采用前面描述的TCHG命令来将退化形式的四面体单元自动转换成非退化的四面体单元，提高求解效率。如果对整个分析模型的计算精度要求不高、或对进行自由网格划分区域的计算精度要求不高，则可在自由网格划分区采用无中节点的六面体单元来分网（自动退化成无中节点的四面体单元），此时，虽然在六面体单元划分区和四面体单元划分区之间无金字塔过渡单元，但如果六面体单元区的单元也无中节点，则由于都是线性单元，亦可保证单元的协调性。

五、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（通常是采用映射或扫略方式）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。再如，对于循环对称模型（如旋转机械等），可仅建立一个扇区作为分析模型，利用CPCYC命令可自动对扇区的两个切面上的所有对应节点建立自由度耦合条件（用MSHCOPY命令可非常方便地在两个切面上生成对应网格）。

六、利用子区模型等其它手段

子区模型是一种先总体、后局部的分析技术（也称为切割边界条件方法），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。其过程是：先建立总体分析模型，并忽略模型中的一系列细小的特征，如导角、开孔、开槽等（因为根据圣维南原理，模型的局部细小改动并不特别影响模型总的分析结果），同时在该大模型上划分较粗的网格（计算和建模的工作量都很小），施加载荷并完成分析；其次，（在与总体模型相同的坐标系下）建立局部模型，此时将前面忽略的细小特征加上，并划分精细网格（模型的切割边界应离关心的区域尽量远），用CBDOF等系列命令自动将前面总体模型的计算结果插值作为该细模型的边界条件，进行求解计算。该方法的另外好处是：可以在小模型的基础上优化（或任意改变）所关心的细小特征，如改变圆角半径、缝的宽度等；总体模型和局部模型可以采用不同的单元类型，比如，总体模型采用板壳单元，局部模型采用实体单元等。

子结构（也称超单元）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，对于一些特殊情况，也可以加以利用，比如：如果结构轴对称而载荷非轴对称，则可用ANSYS专门用于处理此类问题的25、83和61号单元；对于由多个部件构成装配件，如果其每个零件都满足平面对称性，但各对称平面又不是同一个的情况下，则可用多个对称面来处理模型（或至少可用此方法来减少建模工作量：各零件只需处理一半的模型然后拷贝或映射即可生成总体模型）。

总之，对于复杂几何模型，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一部分，用户自己通过许多工程问题的不断摸索、总结和验证才是最能保证有效而高效地处理复杂模型的手段。

复杂实体的网格划分问题

----ANSYS具备各种划分复杂几何体的能力

有限元分析的优势之一是它能分析一些形状十分复杂的问题，这对于一些传统技术来说是很困难的、甚至是不可能的。而分析人员面临的挑战是如何快速的对复杂几何体划分网格并得到较精确的结果。ANSYS提供了各种网格划分工具，如：自由网格划分、映射网格划分、扫略网格划分和过渡网格划分等，使得网格划分这项工作变得十分容易。让我们通过一个例子来看看哪项技巧对于复杂实体的网格划分更有效。

第一个例子（见图1）是我们在分析中比较典型的一个问题，我们的任务是要做模态分析，找出轴承座的前10阶最低模态（见图1左边部分），轴衬座的材料是铝，上端圆盘的外侧面固定。从模型、材料和边界条件我们认为，可以利用旋转对称性，只需取整个结构的1/8模型划分网格，并采用周期对称模态方法得到整个结构的模态。（1/8模型的几何形状如图1右边所示）。

图1. 原始的CAD模型见左边部分，而右边部分对于有限元分析来说已足够了。图2. 图中兰色区域是用MESH20

0单元keyopt(1)=6产生3或4节

点的线性单元

图3. 青颜色的单元是8节点的六面体单

元(SOLID45)，紫色的单元是20节点六面

体单元(SOLID45)，而红颜色的单元是10

节点四面体单元(SOLID92)。注意所有S

OLID95形成的四面体单元都被转成了S

OLID92单元

我们的第一步工作是确定是否需要手工设定每条线的单元等分数，我们可以用LESIZE命令来实现。然而，首先我们必须确保ANSYS的缺省参数不会忽略输入命令的参数，所以要确定LESIZE中的参数KYNDIV设为0、NO或OFF。如果我们在GUI中设定等分数，我们只需确认标签框“KYNDIV SIZE,DIV can be changed”不被选中，以确保是使用我们给定的单元等分数而不是软件设定的。

图2显示的是我们准备用MESH200单元划分网格的区域，由于我们使用的是周期对称模态方法，所以我们必须记住在模型切割面上的网格必须保持一致，这恰好可以用自动的映射网格或扫略网格，然而，我们对划分自由网格的体的切割面必须用MESH200先划分面单元，以确保两个对应的切割面网格是一致的。MESH200不是一种“实际”的单元，只是一种主要用于预划分线、面或体的哑单元，其中keyopt(1)的值决定单元是线、面或体单元和有多少个节点。在这个例子中MESH200被用来在体上预划分面单元，可以是线性的或二阶实体单元。

能保证自由网格体上两个切割面的单元一致的方法是先对一个面划分网格，然后用AGEN命令将他们和对应的单元拷贝到另一个切割面上。

在这个例子中，必须生成一个与零件轴一致的柱坐标系，在使用AGEN命令中用到它。当面和网格拷贝到对应切割面上后，用NUMM,KP将已划分网格的面与已有的面合并起来。

下一步是对那些我们欲扫略网格的源面进行自由网格划分，对于用SOLID45单元的体，MESH200的keyopt(1)=6，而用SOLID95单元的体，则MESH200的keyopt(1)=7，然后用VSWEEP扫略这些体。

当扫略网格划分完毕后，我们转到划分映射网格的体，我们先划用SOLID45单元的体，然后划用SOLID95单元的体，按这个次序，可以保证ANSYS能自动将与SOLID45相连接的SOLI95单元的中间节点去掉。

接下来是划分自由网格的体，我们先划分用SOLID92四面体单元的那些体，然后转到用SOLID95单元划分的体，自由划分的SOLID95单元

会在已经用SOLID95划分六面体单元的边界上产生金字塔过渡单元，而其它地方全是四面体单元。

当体单元全部划分完毕，我们可以用ACLEAR命令清楚MESH200单元，也可以把他们留下来以备将来可能重划分单元。因为不管你是否去掉它们，MESH200单元不会参与求解的。

划分网格的最后一步是用ETCHNG命令将那些SOLID95的退化四面体单元转换成SOLID92四面体单元，这样做是为了提高计算效率，图3是最终用于模态分析的网格。现在我们已得到了轴承座1/8部分的网格模型，我们可以用周期对称模态方法提取前10阶最低模态。

Ansys 网格划分之 Free 和 Mapped 方式(2007-03-15 19:48:01)

今天在进行Ansys有限元分析时，突然意识到自己在划分网格时对Free和Mapped两种网格

划分方式掌握得不太清楚。故看了一下帮助，现把帮助文件里对这两种网格划分方式翻译以

下：

For an area to accept a mapped mesh, the following conditions must be satisfied:

1、The area must be bounded by either three or four lines (with or without

concatenation).

2、The area must have equal numbers of element divisions specified on opposite sides,

or have divisions matching one of the transition mesh patterns.

3、If the area is bounded by three lines, the number of element divisions must be

even and equal on all sides.

4、The meshing key must be set to mapped [MSHKEY,1]. This setting results in a mapped

mesh of either all quadrilateral elements or all triangle elements, depending on

the current element type and/or the setting of the element shape key [MSHAPE].

5、If your goal is a mapped triangle mesh, you can also specify the pattern ANSYS

uses to create the mesh of triangular elements [MSHPATTERN]. If you do not specify

a pattern, ANSYS chooses one for you. See the MSHPATTERN command description in the

ANSYS Commands Reference for an illustration of the available patterns.

如果一个面要进行映射网格划分的话，这个面必须满足以下几个条件：

1、这个面只能由三条或四条边组成。

2、这个面的相对边必须划分成同样的等份。

3、如果这个面是三角形的话，那么三条边也必须使用相等的等份进行划分。

4、网格划分值必须被设置成mapped（通过MSHAPE）。这个值导致所有网格划分都使用三

角形或四边形，具体取决于其单元类型或者单元的形状属性值。

5、如果你的目的是一个三角形映射划分，我们还能设置三角形的具体类型（通过

MSHPATTERN）。如果不是使用三角形进行划分，也可以设置形式（具体看Ansys参考里的具

体描述）

ANSYS 模型简化及网格划分

作者：CAD世界网资料库来源：CAD世界网点击数：300 更新时间：2007-10-9

使在建立仿真模型时，经验是非常有助于用户决定哪些部件应该考虑因而必须建立在模型中，哪些部件不应该考虑因而不需建立到模型中，这就是所谓的模型简化。此外，网格划分也是影响分析精度的另外一个因素。本文将集中讨论如何简化模型以获得有效的仿真模型以及网格划分需要注意的一些问题。

理想情况下，用户都希望建立尽可能详细的仿真模型，而让仿真软件自己来决定哪些是主要的物理现象。然而，由于有限的计算机资源或算法限制，用户应该简化电磁仿真的模型。

模型简化

模型简化主要取决于结果参数及结构的电尺寸。例如，如果用户希望分析安装在某电大尺寸载体上的天线的远场方向图，那么模型上距离源区超过一个波长的一些小特征和孔径（最大尺度小于/50）就可以不考虑。另一方面，如果用户希望分析从源到用带有小孔的屏蔽面屏蔽的导线之间的耦合，那么必须对小孔、靠近源的屏蔽面以及导线进行精确建模。另外一个常用的简化是用无限薄的面来模拟有限厚度的导体面。一般而言，厚度小于/100的金属面都可以近似为无限薄的金属面。有限导电性和有限厚度的影响可以在SK卡中设置。对于比较厚的导体面，如果这种影响是次要的，那么用户仍然可以采取这种近似。例如，当建立大反射面天线的馈源喇叭模型时，喇叭壁的有限厚度对于反射面天线主波束的影响就是次要的。然而，如果喇叭天线用于校准标准时，那么喇叭壁的有限厚度就不能忽略。

网格划分

一般而言，网格划分的密度设置为最短波长的十分之一。然而，在电流或电荷梯度变化剧烈的区域，如源所在区域、曲面上的缝隙和曲面的棱边等，必须划分得更密。一个实用的指导原则是网格大小应该与结构间的间隔距离（d）相比拟（<=2d）。同样地，如果需要计算近场分布，那么网格大小应该同场点到源点间距离（d）相比拟。

总之，用户建立的几何模型应该抓住主要的物理现象，而网格划分则需要权衡输出结果相对于网格大小的收敛性。