ANSYS Workbench 模型导入与网格划分(吴淑芳)

1、主讲：吴淑芳 2014年11月,ANSYS Workbench 模型导入与网格划分,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,2,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,3,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,模型导入,1.Workbench文件管理,模型导入,1.Workbench文件管理,dp0,2.导入外部CAD文件 （1）非关联性导入文件,模型导入,非关联性导入文件,在,DesignModeler,中，选择菜单栏中的,File,（文件）,

2、Import External Geometry File,命,令（导入外部几何体文件）,，即可导入外部几何体。采用该方法导入的几何体与原先的外部,几何体不存在关联性。,DesignModeler,支持导入的第三方模型格式有：,ACIS (SAT),、,CADNexus/CAPRI CAE Gateway,CATIA,、,IGES,、,Parasolid,、,STEP,等格式。,既然,DesignModeler,能够从外部导入几何体，同时它也能向外输出几何体模型，其命令,为：,File,（文件）,Export,（导出）,。,（2）关联性导入文件,2.导入外部CAD文件,模型导入,2.导入外部C

3、AD文件,模型导入,2.导入外部CAD文件,模型导入,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,10,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,二、网格划分,网格划分是建立CAE模型的一个重要环节，建立网格模型所花费的时间往往是取得 CAE 解决方案所耗费时间中的一个重要部分。网格直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。 因此，一个越好的网格划分，越能得到好的解决方案。,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,12,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检

4、查 网格划分实例,网格的节点和单元参与有限元求解，Workbench 在求解开始时会自动生成默认的网格。 通过预览网格，可以检查有限元模型是否满足要求，细化网格可以使结果更精确，但是会增加 CPU 计算时间和需要更大的存储空间，因此需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。在理想情况下，我们所需要的网格密度是结果随着网格细化而收敛，但要注意：细化网格不能弥补不准确的假设和错误的输入条件。,网格划分基础,Workbench的网格技术通过 Mesh 组件实现 。Mesh中可以根据不同的物理场和求解器生成网格，物理场有流场、结构场和电磁场，流场求解可采用Fluent、CFX、POLYFLOW，结构场求解

5、可以采用显式动力算法和隐式算法。不同的物理场对网格的要求不一样，通常流场的网格比结构场要细密得多，因此选择不同的物理场，也会有不同的网格划分。,网格划分基础,1.网格类型及单元阶次,2020/6/28,15,一维网格,二维网格,三维网格,网格划分基础,一维网格,1.网格类型及单元阶次,网格划分基础,二维网格,二力杆：,平面梁：,空间梁：,三维网格,1.网格类型及单元阶次,网格划分基础,1.网格类型及单元阶次,网格划分基础,2.网格划分原则,网格划分基础,网格划分没有定式，只能根据经验划分网格，宽广的有限元知识和丰富的经验是保证划分良好网格的前提。,（1）网格数量 （2）网格疏密 （3）单元形状

6、及评价 （4）单元阶次 （5）网格质量 （6）网格分界面和分界点 （7）位移协调性 （8）细节处理,（1）网格数量,2.网格划分原则,网格划分基础,a.在静力分析时，假如仅仅是计算结构的变形，网格数目可以少一些。假如需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。 b.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。 c.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，假如计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。 d.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。,（1）网格数量,1.网格划分原则,网格划分基础,网格

7、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、几何形状、厚度变化位置)，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网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。,（2）网格疏密,2.网格划分原则,网格划分基础,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。这是由于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。同样，在结构温度场计算中也趋于采用均匀网格。,（2

8、）网格疏密,2.网格划分原则,网格划分基础,（2）网格疏密 对称结构尽量使用对称网格。对称结构若使用不对称的网格可能导致错误的模态分析。,2.网格划分原则,网格划分基础,（3）单元形状及评价,2.网格划分原则,网格划分基础,（3）单元形状及评价,2.网格划分原则,网格划分基础,很多单元都具有线性、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。 选用高阶单元可进步计算精度，由于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，所以当结构外形不规则、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，在网格数目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

9、用时应权衡考虑计算精度和时间。,（4）单元阶次,2.网格划分原则,网格划分基础,图中是一悬臂梁分别用线性和二次三角形单元离散时，其顶端位移随网格数目的收敛情况。可以看出，但网格数目较少时，两种单元的计算精度相差很大，这时采用低阶单元是不合适的。当网格数目较多时，两种单元的精度相差并不很大，这时采用高阶单元并不经济。例如在离散细节时，由于细节尺寸限制，要求细节四周的网格划分很密，这时采用线性单元更合适。,（4）单元阶次,2.网格划分原则,网格划分基础,增加网格数目和单元阶次都可以进步计算精度。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目，太多的网格并不能明显进步计算精度，反而

10、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。,（4）单元阶次,2.网格划分原则,网格划分基础,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四周的网格质量较好。 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。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。 在重点研究的结构关键部位

11、，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格(称为畸形网格)时，计算过程将无法进行。,（5）网格质量,2.网格划分原则,网格划分基础,图4是三种常见的畸形网格，其中a单元的节点交叉编号，b单元的内角大于180，c单元的两对节点重合，网格面积为零。,（5）网格质量,2.网格划分原则,网格划分基础,结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。 即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。 常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸突变面、

12、分布载荷分界线(点)、集中载荷作用点和位移约束作用点等。具有上述几种界面的结构及其网格划分形式。,（6）网格分界面和分界点,2.网格划分原则,网格划分基础,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。 图6是两种位移不协调的网格划分。,（7）位移协调性,2.网格划分原则,网格划分基础,（8）细节处理,2.网格划分原则,网格划分基础,对称性模型,对称性模型,对称性模型,对称性模型,3.ANSYS Workbench网格划分界面,网格划分基础,ANSYS 网格划分不能

13、单独启动，只能在 Workbench 中调用分析系统或【Mesh】组件启动，如图所示。,3.ANSYS Workbench网格划分界面,网格划分基础,选择几何模型后，进入网格划分环境，工作界面如图.,3.ANSYS Workbench网格划分界面,网格划分基础,整体控制,导航树,当前分析系统,网格划分工具,模型和网格显示区域,4.网格划分流程,网格划分基础,调整网格设置,确定物理场 Physics Preference,网格划分基础,网格划分方法,网格划分基础,自动网格划分（Automatic）,四面体网格划分（Tetrahedrons）,六面体网格划分（Hex Dominant）,扫掠网格划

14、分（Sweep）,多域网格划分（MultiZone）,对于三维几何体，共有六种不同的划分网格法：,网格划分方法,网格划分基础,对于二维几何体，首先设置分析类型,网格划分方法,网格划分基础,对于二维几何体，共有四种不同的划分网格法：,自动网格划分（Automatic）,三角形网格划分（ Triangles ）,四边形或三角形网格划分（ Uniform Quad /Triangles）,四边形网格划分（Uniform Quad）,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,47,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,全局网格控制,全局网格设置通常

15、用于整体网格划分的部署，包括网格尺寸函数、inflation、平滑度、模型简化、参数输入、激活等。,设置合适的全局网格参数可以减小后面具体网格参数的设置工作量，下面以结构分析为例对其展开描述。,全局网格控制,全局网格控制,全局网格控制,基本的网格控制可以在“Mesh” 分支下操作 “Relevance” 可以设置在 100 和 +100之间 网格划分倾向于高速度（-100）和高精度（+100）,全局网格控制,全局网格控制,全局网格控制,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,55,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,主要内容,一、模型导

16、入 二、网格划分,2020/6/28,56,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,局部网格控制,局部网格控制子菜单,自动网格划分（Automatic）,四面体网格划分（Tetrahedrons）,六面体网格划分（Hex Dominant）,扫掠网格划分（Sweep）,多域网格划分（MultiZone）,局部网格控制,方法控制,局部网格控制,自由划分,四面体划分,六面体划分,局部网格控制,扫掠法划分结果,多域划分结果,局部网格控制,尺寸控制,局部网格设置主要确定以下参数,常采用如下两类： 局部尺寸控制 element size：用来设置单元的平均边长 影响球

17、控制 sphere of influence:用球体来设定单元平均大小的范围，球体的中心坐标采用的是局部坐标系，所有包含在球体内的实体，其单元网格大小均按设定的尺寸划分。,局部网格控制,局部尺寸控制,自动网格划分,影响球控制,自动划分结果,局部网格控制,边界分段控制,曲面边界分段控制,尺寸控制,接触尺寸控制（Contact Sizing） 允许在接触面上产生大小一致的单元 接触面定义了零件间的相互作用，在接触面上采用相同的网格密度对分析有利 在接触区域可以设定“Element Size”或or “Relevance”,局部网格控制,接触尺寸控制 2mm,直接生成,网格细化（Refinement

18、） 对已经划分的网格进行单元细化 先进行整体和局部网格控制，然后对被选的边、面进行网格细化。,局部网格控制,接触尺寸控制,局部网格细化,refinement标准值范围是13之间，其中为1时，单元边界划分为初始单元边界的一半，这通常是在生成粗网格后，再细化网格的简易方法。,使用尺寸控制和细化控制的区别 尺寸控制在划分前先给出网格单元的平均单元长度。通常来说，在定义的几何体上可以产生一致的网格，网格过渡平滑。 细化是打破原来的网格划分。如有原来的网格不是一致的，细化后的网格也不是一致的。尽管对单元的过渡进行平滑处理，但是细化仍导致不平滑的过渡。 在同一个表面进行尺寸和细化定义。在网格初始划分时，首

19、先应有尺寸控制，然后在进行第二步的细化。,局部网格控制,面映射网格划分 Mapped face meshing 允许在面上生成结构网格,其特点是允许在面上生成结构网格，由于进行映射网格划分可以得到一致的网格，所以这对计算求解是有益的。,局部网格控制,六面体网格控制,映射网格,面映射网格划分,局部网格控制,映射面网格的顶点类型可以设置三种点类型，对映射方式进行定义。 【Specified Sides】指定夹角为 136224的相交边顶点为映射面顶点，和 1 条网格线相交； 【Specified Corners】指定夹角为 225314的相交边顶点为映射面顶点，和 2 条网格线相交； 【Speci

20、fied Ends】指定夹角为 0135的相交边顶点为映射面顶点，与网格线不相交，示例如图所示。,匹配控制是将选择的两个面对象进行匹配控制，网格划分完成后，两个面对象上的网格结构是一致的，相当于做了一个镜像操作。,匹配控制,放大图,局部网格控制,这用于定义三维实体的周期面或二维面体的周期边，从而在对称面或对称边上划分出一致的网格。Match control尤其适用于旋转机械的旋转对称分析,简化控制被应用于网格的收缩控制，在划分过程中系统会自动去除一些模型上的狭小特征，如边、狭窄区等，但是只针对点和边有效，对面和体无效，且不支持直角笛卡尔网格。,简化控制,局部网格控制,分层网格控制用于生成沿指定

21、边界法向的层状单元。当一些物理参数在边界层处的梯度变化恒定时，为了精确地描述这些参数，往往需要进行分层网格控制。,分层网格控制,局部网格控制,分层网格控制,局部网格控制,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,73,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,虚拟拓扑用于对导入到有限元分析界面中的几何体进行简化与分割操作。 一方面，可以简化或分割实体边界线和内部边线，从而在一定程度上减少内部节点数量，简化网格划分，提高网格划分质量； 另一方面，对几何体中的边界线进行一定的分割处理，能够很好地改善几何体网格划分结构，从而得到更加合理的网格结构，也

22、能在一定程度上提高网格划分的总体质量； 最后，还可以简化实体表面，从而提高选择内部几何对象的效率。,虚拟拓扑,虚拟拓扑,虚拟拓扑Virtual Topology,虚拟拓扑,主要内容,一、模型导入 二、网格划分,2020/6/28,76,网格划分基础 全局网格控制 局部网格控制 虚拟拓扑 网格检查 网格划分实例,网格检查,单元质量检查 纵横比 雅克比率 翘曲因子 平行偏差 最大转弯角 偏度 正交品质,网格划分结束后可以检查网格质量，通常来说，不同物理场和不同的求解器所要求的网格检查准则是不同的。,网格检查,网格检查,Element Quality是一种比较通用的网格检查准则，1表示完美的立方体或正方形，0表示0体积或负体积。 Aspect Ratio，即纵横比，值为1是说明划分的网格质量最好。 Jacobian Ratio，适应性较广，一半用于处理带有中间节点的单元，值为1是说明划分的网格质量好。 Warping Factor，用于评估或计算四边形壳单元、带有四边形面的块单元（楔形单元及金字塔单元）等，高扭曲系数表明单元控制方程不能较好控制单元，需重新划分；值为0时说明划分的网格质量最好。 Parallel Deviation，值为0最好，表示两对边平行。 Skewness为网