ANSYS网格划分浅谈

1、精品文档下载可编辑ANSY的格划分浅谈在本学期，我们学习了 CAX这门课程。通过对这一门课程 8周的学习使我 对本模块的认识和了解有了一种新的看法。在老师的认真教育和带领下把我们引 入了一个新的领域。在CAX这个领域中包括CAD CAM CAE CAPP等的各项技 术，这些技术都是将理论知识和计算机辅助集合在一起的新兴工业工程技术，是要将理论和实践的学科。在下面我主要将我这段学习期间对于 ANSYS软件的学 习中关于有限元网格划分的一些认识和经验做个报告总结。1、ANSYS3格划分简述ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通 用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软

2、件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数 CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等, 是现代产品设 计中的高级CAD工具之一。ANSYS有限元网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响 着后续数值计算分析结果的精确性。 在划分网格前，用户首先需要对模型中将要 用到的单元属性进行定义。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。单元属性 主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面面 积、高度、梁

3、的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系 数等。ANSY制格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构 造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的内容。在网格划分和初步求解 时，做到先简单后复杂，先粗后精，2D单元和3D单元合理搭配使用。为提高求 解的效率要充分利用重复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复对称或轴对 称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。利用轴对称或子结构时要注意场合，在进行模态分析、屈曲分析整体求解时，则应采 用整体模型，同时选择合理的起点并设置合理的坐标系， 可以提高求解的精度和 效率，例如，轴对称场合多采用柱坐

4、标系。有限元分析的精度和效率与单元的密 度和几何形状有着密切的关系，按照相应的误差准则和网格疏密程度，避免网格 的畸形。在网格重划分过程中常采用曲率控制、单元尺寸与数量控制、穿透控制 等控制准则。在选用单元时要注意剪力自锁、 沙漏和网格扭曲、不可压缩材料的 体积自锁等问题。ANSY歆件平台提供了网格映射划分和自由适应划分的策略。映射划分用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体和 六面体，通过指定单元边长、网格数量等参数对网格进行严格控制，映射划分只 用于规则的几何图素，对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难以控 制。自由网格划分用于空间自由曲面和复杂实体，

5、采用三角形、四边形、四面体 进行划分，采用网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。2、ANSYS3格划分基本原则网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选择、网 格的密度、单元的编号以及几何体素。从几何表达上讲，梁和杆是相同的，从物 理和数值求解上讲则是有区别的。 同理，平面应力和平面应变情况设计的单元求 解方程也不相同。在有限元数值求解中，单元的等效节点力、刚度矩阵、质量矩 阵等均用数值积分生成，连续体单元以及壳、板、梁单元的面内均采用高斯（GausS）积分，而壳、板、梁单元的厚度方向采用辛普生（Simpson）积分。辛 普生积分点的间隔是一定的，沿厚度分成奇数积分点。由于不

6、同单元的刚度矩阵 不同，采用数值积分的求解方式不同，因此实际应用中，一定要采用合理的单元 来模拟求解。2.1 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。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

7、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。2.2 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

8、网格。这样，整个结构便表现出疏密不同 的网格划分形式。下面通过实例给出网格疏密对计算精度的影响。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。2.3 单元阶次许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为 高阶单元。选用高阶单元可提高

9、计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够 更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函 数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。 但高 阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大 得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。增加网格数量和单元阶次都可以提高计算精度。因此在精度一定的情况下， 用高阶单元离散结构时应选择适当的网格数量， 太多的网格并不能明显提高计算 精度，反而会使计算时间大大增加。为了兼顾计算精度和计算量，同一结构可以 采用不同阶次的单元，即精度要求高的重要部位用高阶单元，精度要求低的次要 部位用低

10、阶单元。不同阶次单元之间或采用特殊的过渡单元连接， 或采用多点约 束等式连接。2.4 网格质量网格质量是指网格几何形状的合理性。 质量好坏将影响计算精度。质量太差 的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过 分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。 网格质量可用细长比、锥 度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。单元的质量和数量对求解结果和求解过程影响较大，如果结构单元全部由等边三角形、正方形、正四面体、立方六面体等单元构成，则求解精度可接近实际 值，但由于这种理想情况在实际工程结构中很难做到。 因此根据模型的不同特征， 设计不同形状种类的网格

11、，有助于改善网格的质量和求解精度。 单元质量评价一 般可采用以下几个指标：(1)单元的边长比、面积比或体积比以正三角形、正四面体、正六面体为参 考基准。理想单元的边长比为1,可接受单元的边长比的范围线性单元长宽比小 于3,二次单元小于10。对于同形态的单元，线性单元对边长比的敏感性较高阶 单元高，非线性比线性分析更敏感。(2)扭曲度：单元面内的扭转和面外的翘曲程度。(3)疏密过渡：网格的疏密主要表现为应力梯度方向和横向过渡情况，应力集中的情况应妥善处理，而对于分析影响较小的局部特征应分析其情况，如 外圆角的影响比内圆角的影响小的多。(4)节点编号排布：节点编号对于求解过程中的总体刚度矩阵的元素

12、分布、 分析耗时、内存及空间有一定的影响。合理的节点、单元编号有助于利用刚 度矩阵对称、带状分布、稀疏矩阵等方法提高求解效率，同时要注意消除重 复的节点和单元。2.5 位移协调性位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行约束处理。3、ANSYS网格划分的几种方法在ANSYS中，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。3.1、 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

13、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勺智能尺寸;f5制技术（SMARTSIZE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（ MOP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。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

14、致的四面体单元，因此，最好不要选用线性的六面体单元，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，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TCH杀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。3.2、 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ANSY

15、SK这些条件有了很大的放宽，包括：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LCCA怖令将某些 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。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或者是个实心圆面。（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MSHKE¥ 这个值导致

16、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 MSHPATTERN3.3、 拖拉、扫略网格划分对于由面经过拖拉、旋转、偏移（VDRAGVROTATVOFFST VEX邙系列命 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令）功能来划分网格；这两种方式形成 的单元几乎都

17、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。3.4、 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