第五章三维实体网格划分

1、第五章三维实体网格划分 本章讲述三维实体网格划分。包括三部分内容：生成四面体网格零件：对实体指定线性或者2次四面体网格。四面体网格填充器:通过从曲面网格生成四面体网格来对实体划分网格。65#+ 扫描实体网格：通过从曲面网格生成六面体或者楔形网格对实体划分网格。5. 1生成3D零件网格本节说明如何使用四面体网格划分方法生成3D网格。在【Generative Structural Analysis】（通用结构分析）工作台和【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）工作台都有本命令。根据用户安装的产品不同，显示的选项是不同的：【Generative Structural A

2、nalysis】（通用结构分析）或者【FEM Surface】（曲面网格划分） 系列产品。【FEM Solid】（有限元实体划分）系列产品。5.1.1【Generative Structural Analysis】（通用结构分析）或者【FEM Surface（曲面网格划 分）系列产品在通常的用户中，一般安装的是第一种情形。在这种设置下，无论是在通用结构分析工作台还是高级划分工具工作台，定义3D网格的零件时，弹出的对话框只有两个选项卡。（1）点击【Meshing Methods （网格划分方法）工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher（四面体网格划分器）按钮仏2,如图5 1

3、所示。如果用户在 【Generative StructuralAnalysis （通用结构分析）工作台，则需要点击【Model Manager 工具栏内的【OctreeTetrahedron Mesher（四面体网格划分器）按钮5 2所示。厂涉1OctreeTetrahedron Mesher图5 1【Octree Tetrahedron Mesher（四面体网格划分器）按钮图5 2（2）在图形区选择要划分网格的实体零件。选择后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框，如图5 3所示。注意！只能选择属于【PartBody 下的元素。Global 选项卡：

4、可以修改网格全局参数。【Local 选项卡：创建局部网格参数。（3）在对话框的选项内输入相应的数值。在本例中，在【Size】（尺寸）数值栏内输入20mm。（4）点击对话框内的【确定按钮，生成新的网格零件，并且在模型树上显示出新的网 格零件名称，如图5 4所示。Finite Element Model9E Nodes nd Elements卜& OCTREE Tetrahedron Mesh.l : Part 1.3OCTREE Tetrahedron Mesh.2 : Parti.3 p Properties, I 卜小 Sold Property. 1 匚小 Solid Property.2

5、图5- 3【OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框图5-4模型树上显示出新的网格零件名称注意！ 3D网格可以手动删除或者添加。5.1.2【FEM Solid】（有限元实体划分）系列产品下面说明安装【FEM Solid】（有限元实体划分）系列产品时的情况。在这种设置下，无论是在通用结构分析工作台还是高级划分工具工作台，定义3D网格的零件时，弹出的对话框有4个选项卡。（1）点击【Meshing Methods】（网格划分方法）工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher】（四面体网格划分器）按钮。如果用户在【Generative Structu

6、ral Analysis 】（通用Mesher】（四面体网格划分器）按钮结构分析）工作台，则需要点击【 Model Manager】工具栏内的【Octree Tetrahedron67#（2）在图形区选择要划分网格的实体零件。选择后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框，如图5-5所示。注意！只能选择属于【PartBody】下的元素。【Global】选项卡：可以修改网格全局参数。【Size】（网格尺寸）：允许用户定义网格的尺寸（以 mm为单位）。Absolute sa】绝对垂度：网格和几何图形之间的最大间隙，如图5- 6所示。OCTREE Tetral

7、LEdzon IeshSiza：丄 Absolute S4iE：IProp-or ti onaJ. s 碍:|L.&D2nmELdn&!L typ a几何图形 一局部绝对 、產度#局部网格檯边长度图5 5 OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框图5-6绝对垂度示意图【Proportional sag】比例垂度：局部绝对垂度与局部网格长度的比例。 比例垂度值=局部绝对垂度值/局部网格棱边长度值注意！绝对垂度和比例垂度可以修改局部网格棱边长度值。用户可以使用绝对垂度和比例垂度两个值，在实际应用中，程序采用两个数字 中约束严格的一个值。【Eleme nt type

8、】单元类型：允许用户选择单元的类型（Lin ear线性单元，或者Parabolic二次单元）【Local】局部选项卡用户可以添加局部网格参数，例如垂度、尺寸或者在零件上的分布参数。为了添加局部参数，先在【Availabe specS （可使用的特定参数栏）点击选择希望添加的 参数，如图5-7所示，然后点击【Add】（添加）按钮。【Local size】（局部尺寸）：用户可以修改名称、支承和数值，如图5 8所示。I nral Mesti|69图5 7【Available speCS （可使用的特定参数栏）内的选项图5 8【Local Mesh size】（局部网格尺寸）对话框【Local sag

9、】（局部垂度）：用户可以修改名称、支承和数值，如图5 9所示。【Edges distribution】（棱边上的分布）：允许用户定义在某一特定棱边上局部 节点分布。为完成该功能：选择【Edges（sitrbution】（棱边上的分布） 选项，然后点击【Add】（添加）按钮。弹出【Edges dstrbution】（棱边上的分布）对话框，如图510所示。图5 9【Local Mesh sag】（局部网格垂度）对话框图510【Edges（sitributon（棱边上的分布）对话框在图形区选择指定节点分布的棱边，然后输入要分割的棱边数量。【Edges Dstrbutio n.1特征出现在模型树上，同

10、时所选择棱边上出现节点，如图5 11所示。点击【Local Mesh Distribution 局部网格分布对话框内的【确定按钮。【Imposed points强制点：允许用户选择一些点，在划分网格时强制考虑这 些选择的点。注意！在此种情况下，用户选择的点必须是在形状设计工作台或者零件工作台创建的点。 只有在曲线上或者曲面上的点，才能够选择使用。点所在的支承元素必须是所划分的几何的一部分。为完成该功能：选择【Local imposed points 局部强制加点选项，然后点击【 Add （添加）按钮。弹出 Imposed Points 强制点对话框，如图 5 12所示。-rixiImposed

11、 Points图5 11选择棱边上出现节点图5 12【Imposed Points】强制点对话框从模型树（在 Open BOdy组下面）选择点，作为划分网格上强制添加的点。点击【Imposed Points】强制点对话框内的【确定】按钮。为了编辑已经创建的局部网格分布，用户需要双击模型树上的【LocalNodes Dstributbn】对象，然后从弹出的【Local Mesh Distribution】（局部网格分布）对话框中修改参数。Quality】（质量）选项卡【Criteria】（标注）：允许用户选择一个标准（Shape形状、Skewness偏斜度、Strech 伸展）【In terme

12、diate nodes parameter中间节点参数）：只有在选择【Paraboc】（二次） 网格时，才可以使用本选项。该选项允许用户选择二次网格中间节点的位置（Jacobian 雅可比，Warp 翘曲）。几何图形和中间节点之间的距离值是雅可比值或者是翘曲值。图5 13 Quality】（质量）选项卡显示内容 离值节点申间节点亠一几何圏形图5 14几何图形和中间节点之间的距Others（其它）选项卡:图5 15 Others（其它）选项卡显示内容Details simplification （简化的细节）：允许用户移除小的网格。Geometry size limit （几何尺寸限值）：允许用

13、户指定由网格划分器忽略的最 大单元尺寸值。注意！如果所有曲面的棱边都小于几何尺寸限值，该曲面将被划分器忽略。Mesh edges suppression（网格棱边抑制）：移除小的棱边（在划分网格之后）没有网格棱边抑制采用网格棱边抑制图5 16不采用和采用网格棱边抑制的比较注意！有时会发生网格棱边抑制导致违背约束条件。【Global interior size:】（全局内部尺寸）：允许用户指定网格最大内部尺寸。 注意！如果全局内部尺寸小于在【SZe】（尺寸）栏定义的数值，【SZe】（尺寸）栏的数值将降低到全局内部尺寸值。【Min. size for sag specs】（指定垂度的最小值）：允许

14、用户指定由于垂度指定 值产生的网格优化中的最小网格尺寸。【Max. number of attempt最多尝试次数）：对于复杂的几何形状，如果在划分 网格时，需要进行多次尝试，允许用户强制指定一个最多尝试次数。1. 选择需要的参数。在本例题中，保留默认的参数。2. 点击【Apply】（应用）按钮。弹出【Computation Status】（计算状态）对话框，并在零件上生成网格。为了更好地显示网格，可以将几何体隐藏起来。在左边的模型树上右击【Links Man ager.t 对象，然后在弹出的快捷菜点中选择【Hide/ShoW （隐藏/显示）选项。最终生成的网格如图5 17所示。图5 17最终

15、生成的网格在模型树上出现【OCTREE Tetrahedron MeshPart.1对象，如图5 18所示。二.Finite Element Model. 1 怜付 Nodes and ElementsOCTREE Tetrahedron Mesh.l : Parti图 5 18【OCTREE Tetrahedron MeshPbrt.1 对象3. 点击对话框内的【OK】（确定）按钮为了编辑网格模型，可以双击模型树上的【OCTREE Tetrahedron MeshPart.1对象，双击 后，弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh t（ OCTREE四面体网格）对话框。5.2四面

16、体网格填充器本节说明如何从表面网格创建生成四面体网格。四面体网格过滤器从曲面网格（三角形壳单元或者四边形壳单元）创建生成体积网格（线性四面体网格或者二次四面体网格）。本项功能必须在 FEM Solid （FMD）产品下执行。在创建实体网格前，有两个必要条件：（1） 要确保曲面网格是封闭且连续的。（2） 要确保曲面网格没有交叉干涉。用户可以使用【检查干涉】功能，先对曲面网格进 行检查。3D网格的质量依赖于 2D网格的质量。在创建 3D网格前，要确保2D网格质量是 好的。使用本功能前，必须先有一个曲面网格。 曲面网格可以与几何形状关联， 也可以不 关联。如果曲面网格是与几何形状关联的， 几何形状可

17、以是一个实体结构， 也可以 是- -组连接的面。（1） 打开文件 sample40.CATAnalysis。在本例题中，已经创建了曲面网格，如图5 19 所示。（2） 点击【Meshing Methods】（网格划分方法）工具栏内的【 Tetrahedron Filler】（四面体填充器）按钮巒，如图5 20所示。图5 19创建的曲面网格图5 20【Tetrahedron Filler （四面体填充器）按钮点击后弹出【Tetrahedron Filler （四面体填充器）对话框，如图 5 21所示。图5 21【Tetrahedron Filler （四面体填充器）对话框【MeshParts （

18、网格零件）栏：允许用户选择用于创建 3D网格的2D网格。注意！可以同时选择多个 2D网格。用户可以选择【Surface MesT方法划分的曲面网格、 【Advaneed Surface Me】方法划分的曲面网格、 【Coating 2D Mesh抽取的2D网格、以及使 用【Transformatin功能创建的各种 2D网格。【Remove （移除）：允许用户移除所选择的网格零件。【Remove all （移除所有）：允许用户移除所有选择的网格零件。【Element Type （单元类型）：允许用户选择要创建的实体单元类型。他们与曲面网格单元的类型无关。【Linea（线性）：单元没有中间节点，对

19、于只有直的棱边的实体非常好。【ParaboCi】（二次）：单元有中间节点，对于有曲线棱边的实体非常好。（a）线性单元（b ）二次单元图5-22单元类型比较【Size progression:】（尺寸传递）：允许用户在内部进行网格稀疏化处理。（如果系数为1,内部网格棱边的尺寸由表面棱边尺寸确定。）（3）在图形区选择划分的曲面网格。在本例题中，选择【Advanced Surface Mesh.2网格，如图5-23所示。【Tetrahedron Filler （四面体填充器）对话框更新显示。注意！对于多个曲面网格的情况，用户要选择多个曲面网格，直到网格封闭为止。当 所选网格未封闭时，自由棱边显示为绿

20、色。（4）在对话框内选择【Element Type （单元类型）选项和【Size progression:】（尺寸传递） 系数。在本例题中，选择【Lin ear （线性）选项，在【Size progressio n:】（尺寸传递） 系数数值栏内输入 2.（5）点击【Apply】（应用）按钮。对应的四边形网格使用最短的对角线，切割为两个三角形网格。本操作只是四面体网 格填充的一个步骤，原始的四边形网格仍然保留在网格模型中，并没有被三角形网格替换。 现在已经填充出四面体网格，并且在左边的模型树上显示出新的网格单元【TetrahedronFillerMesh.1,如图 5-23 和 5 24 所示。

21、图5 23选择【Advaneed Surface Mesh.2网格图5 23创建的填充四面体网格（6）点击【确定】按钮，关闭对话框。用户可以使用【Cutting Plane】（切割平面）功能可视化实体网格，具体操作方法如下：右击【Advaneed Surface Mesh.2元素，在弹出的右键快捷菜单中选择【 Hide/ShoW （隐藏 /显示）选项。点击【Mesh Vsualizatjn Toos】（网格可视化工具）工具栏内的 【Cutting pind （切割平面）按钮怎。弹出【Cutting Plane Definition】（切割平面定义）对话框，选择【z】选项，点击【Reverse

22、（反向）按钮。不激活【Exact meshcut】（精确网格切割）选项，显示切割后的网 格如图5 25所示。Frits Element Model. 1i 碍Nodes and Bements -Advartced 5urface Mesh. 2*-ATetrdlTeclrcn Filer Mesh. 1图5 24新的网格单元【Tetrahedron Filler Mes】1图5 25显示切割后的网格当在【Tetrahedron Filler】（四面体填充器）对话框内选择【Parabolic】（二次）时，创建的网格将含有中间节点，即四面体网格是二次网格。5.3扫描创建3D网格本节说明如何从曲面

23、网格创建六面体网格（HE8和HE20）、楔形网格（WE6、WE15 ）。扫描3D网格提供了从曲面网格到体积网格的一种方法。当需要的时候，临近的棱边和表面 网格会被捕捉到，作为3D实体网格的一部分，而不产生干涉现象。本项功能必须在 FEM Solid （FMD）产品下执行。为创建扫描的网格，体积形状必须类似于一个柱体结构，有一个顶和一个底。必须存在一个曲面网格，它可以与几何形状关联，也可以不关联。如果曲面网格是与几何形状关联的，这个几何图形可以是一个曲面，也可以是一组链接的曲面。为了创建六面体网格，推荐使用【Generative Shape Design】（创成式形状设计）工作台内的【Spit】

24、（分割）命令。（1）打开零件Sample25.CATAnalysis。在本例题中，已经创建了一个曲面网格。（2）点击【Meshing Methods】（网格划分方法）工具栏内的【 Sweep 3口（扫描3D）按钮匚。点击后弹出【Sweep 3D】（扫描3D）对话框，如图5 26所示。Geometry】（几何）选项卡：【Sweep Lmits（扫描限值）选项区【Bottom（底部）：允许用户选择扫描创建3D网格所需要的曲面网格。可以进行多选。点击右侧的【Face Selcto（面选择器）按钮，进行多个选择。【Top（顶部）：允许用户选择目标域，可以选择多个面。【Guides Parameters

25、导向参数）：导向是在顶部和底部之间控制三维网格形状的线。【Angle（角度）；允许用户指定在由两条曲线计算导向线的时候角度公差。 角度参数代表的是两条曲线之间最大的不连续值。默认值是由底面法向与候选曲线的第一个顶点之间确定。【Guided （导向）：给出计算的导向线数量。【Compute （计算）按钮：启动导向线的计算过程，由程序找出导向线。【Remove （移除）按钮：允许用户移除计算结果中的导向线。【Impose Gidesi （强制导向）按钮 一_!：允许用户选择一条或者多条棱边包括 在计算的导向线中。如果点击本按钮，会弹出【Impose Gides（强制导向）对话框，如图5 27所示。

26、图5 26【Sweep 3D】（扫描3D）对话框图5 27【Impose GideS （强制导向）对话框【Exclude Guides】（排除导向）按钮允许用户选择一个或者多个棱边不包括在导向计算中。如果点击本按钮，会弹出【Exclude Guides】（排除导向）对话框，如图5 28所示。Mesh（网格）选项卡Euclude GuideSupport：No Selection图5 28【Exclude Guides （排除导向）对话框图5 29【Mesh（网格）选项卡显示【Element type （单元类型）选项区【Linear（线性）：允许创建线性单元（HE8 或者 WE6）。【Para

27、boc（二次）：允许创建二次单元（HE20 或者 WE15）。注意！如果曲面网格是线性单元，用户无法创建二次实体网格。【Smoothing （平滑）选项区:【Internal and top mesh （内部和顶部网格）：允许用户根据需要提高网格的质 量（但花费时间会相应增加）。【Distrbution（分布）选项区:【Type （类型）：【Uniform（均一）：所有节点之间距离相同。【Arithmetc（算术）：分布节点之间的距离由算术式计算出来。【GeometC】（几何）：分布节点之间的距离由几何分布定义。【Layers number】（层数）：允许用户指定层的数量。这个值决定了扫描网格

28、的尺寸。按钮U允许用户初始化层数，使网格棱边的数量等于在导向线方向捕捉的棱边数量。【Size ratio】（尺寸比例）：允许用户对【ArithmetC】（算术）分布指定一个公 共差别，或者对【Geometrc】（几何）分布指定一个公共差别。注意！只有在用户选择【Arithmetc】（算术）或者【Geometrc】（几何）选项时，才 能够选择【Size ratio（尺寸比例）。【Symmetry （对称）选项：允许用户指定网格是否对称。注意！只有在用户选择【Arithmetc（算术）或者【Geometrc（几何）选项时，才 能够选择【Size ratio（尺寸比例）。【Capture（捕捉）选项

29、区：允许用户捕捉更新后的底部、顶部和侧面网格以创建 实体网格。【Tolera nee允许用户指定捕捉时与网格捕捉间的最大公差值。【Initialize（初始化）：允许用户自动初始捕捉公差值。公差初始化采用在所有更新网格零件中的最小单元棱边比率。【PrevOw（预览）：允许用户可视化捕捉的网格，在【 Capture Check（捕捉 检查）对话框内创建一个捕捉面的报告。（3） 选择一个实体。注意！只能选择在左边模型树PartBody下面的3D几何图形。在本例题中，选择模型树中的【 Wlume Sweep.1,或者在几何图形区选择该元素，如图5- 30所示。图5-30在几何图形区选择的【Volum

30、e SweepM一旦选定几何体，【Bottom（底部）栏被激活，同时出现【TooS Pabttei （工具调色板）工具栏。（4）选择一个面作为底面。注意，选择的面可以是划分网格的，也可以在网格零件的附近。可以多重选择。多重选择时要依次选择多个网格零件，组成一个完成的曲面。在本例题中，选择的曲面网格如图5 31所示。（5） 激活【Top（顶部）选项。点击对话框内的【 Top（顶部）选项。（6）选择一个曲面作为顶部。注意，选择的面可以是划分网格的，也可以在网格零件的附近。可以多重选择。多重选择时要依次选择多个网格零件，组成一个完成的曲面。在本例题中，选择的曲面网格如图5 32所示。图5-31选择的

31、曲面网格图5 32选择的顶部曲面网格此时【Compute （计算）按钮处于激活状态。（7）在【Angle】（角度）数值栏内输入 45deg。（8） 点击【Compute （计算）按钮。显示出计算的扫描3D网格，如图5 33所示。计算出导向线，并以黄色亮显。红色的箭头显示导向线的方向。几何图形被自动隐藏起来。蓝色线代表几何图形上根据给定的角度忽略的线。图5 33计算的扫描3D网格示。Sweep 3D】（扫描3D）对话框更新，显示出计算的导向线数量为3，如图5 34所79图5 34显示计算的导向线数量（9） 选择【Mesh】（网格）选项卡，修改网格参数：在【Element Typ】（单元类型）栏选

32、择【Lineal （线性）; 不选中【Internal and top mesh】（内部和顶部网格）选项; 在【Distrbution】（分布选项）选择【Uniform】（均一）; 在【Layers numb】（层数）栏内输入7;在【TolerancB （公差）栏内输入 1mm。3D网格，如图 5 35（10）点击【Apply】（应用）按钮。根据设定的参数，创建出扫描所示。图5 35创建的扫描3D网格（11）修改下面的网格参数在【Distrbution】（分布选项）选择【Arithmetc】（算术）选项； 在【Layers number （层数）栏内输入12；在【Size rati（尺寸比例）

33、栏内输入4 ；勾选【Symmetry （对称）选项；（12）点击【Initialize （初始化）按钮。在【Toleranee（公差）数值栏内显示新的公差值。（13） 点击【Prevew（预览）按钮。捕捉到的用来创建3D网格的平面网格预览出来，如 图5 36所示。图5 36捕捉到的用来创建 3D网格的平面网格 在本例题中：顶部和底部的单元都是有效的，他们以绿色亮显出来。 侧面的单元在创建 3D网格时被忽略，他们以黄色显示出来。同时弹出【Capture Cheek（捕捉检查）对话框，如图5 37所示。匚 apture CheckNumber of faces:因-Valid 06 - Ignored 80.-Invalid 0图5 37【Capture Cheek （捕捉检查）对话框显示捕捉网格面的分析结果，如下：【Wlid（有效）：给出在扫描3D网格时有效捕捉面的数量。【lgnored （忽略）；给出在扫描3D网格时忽略的捕捉面的数量。【Invald（无效）：给出在扫描3D网格时无法考虑的捕捉面，但