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Ansys博客

April 28, 2021

用于结构分析的FEA网格划分基础

仿真是许多行业的关键工具。根据Grand View Research的报告显示,从2021年到2028年,全球仿真软件市场预计将以17.1%的复合年增长率(CAGR)增长。这是一个大幅度的增长,主要是因为仿真软件为业务带来了诸多优势,包括减少产品研发成本、物理测试和故障原型。

在仿真等计算机辅助工程(CAE)应用中,有多种软件可用于分析您的产品,例如有限元分析(FEA)、计算流体动力学(CFD)等。要开展CAE仿真,分析需要三个重要步骤:前处理、求解和后处理。我们来讨论一下FEA前处理步骤,特别是优质网格的重要性。

变速箱外壳部件上的示例网格。

FEA中的网格划分是什么?

有限元分析(FEA)是物理系统的数学表示,包括部件/组件、材料属性和边界条件。在某些情况下,现实世界中的产品行为无法通过简单的手动计算来近似。像FEA这样的通用技术是一种通过使用偏微分方程准确捕获物理现象来表示复杂行为的便捷方法。FEA已经成熟并且普及,因此设计工程师和专家都可以采用。

网格划分是利用FEA开展准确仿真的最重要步骤之一。网格由单元组成,这些单元包含表示几何结构形状的节点(空间中的坐标位置可能因单元类型而异)。FEA求解器无法轻松处理不规则的形状,但它更适合处理常见的形状,如立方体。网格划分是将不规则形状转变成更易识别的体积(称为“单元”)的过程。

在开始网格划分之前,您必须首先将几何结构或CAD模型上传到Ansys Mechanical等应用,以开始仿真流程。

如何为网格划分准备CAD/几何结构

在使用FEA仿真软件(例如 Mechanical)时,确定CAD模型中的哪些特性需要进行网格划分以及哪些特性不需要进行网格划分非常重要。很多时候,出于制造目的,CAD几何结构非常复杂且详细。但是对于仿真,您可能不需要每个细节,因此可以对几何结构的某些部分进行特征清除,这意味着删除这些细节以节省时间。

例如,您的产品可能附有铭牌。您可能不需要了解此铭牌的物理效果,因此可以对铭牌进行特征清除以避免创建网格,从而节省网格划分和求解时间。

使用Ansys Spaceclaim,几何结构上的铭牌能够轻松地进行特征清除,以避免对铭牌进行潜在的不必要分析。 

为仿真准备CAD模型的另一个重要方面是描述几何结构中两个或多个部件之间的关系。例如,如果您的几何结构在公共面(或边)之间共享节点,那么确定它是适形网格还是非适形网格很重要。适形网格用于通过胶水或焊接连接的部件。非适形网格用于通过接触或接头连接的部件。在Ansys Mechanical中,您可以结合使用这些方法来满足您的需求。

 阅读博客——改进FEA模型的3个步骤以了解更多信息。

网格划分方法的类型:四面体与六面体

有两种主要类型的网格划分方法。在这里,我们指的是3D模型:

  • 四面体单元网格划分(即“tet”)
  • 六面体单元网格划分(即“hex”)

与tet单元相比,hex或“实体”单元通常会在单元计数较低的情况下产生更准确的结果。如果是复杂的几何结构,tet单元可能是最佳选择。这些默认或自动网格划分方法足以让您到达您需要去的地方,但是,还有其他方法可以为您提供更多的网格控制。

混合网格划分

在Mechanical中,您可以使用Multizone方法,该方法是hex和tet单元的混合,允许您使用不同的方法对几何结构的不同部分进行网格划分。这使您可以执行更少的几何准备,并拥有更多的局部控制网格。

使用Ansys Mechanical混合网格划分功能的管接头几何结构 

 

扫掠网格划分

通过扫掠网格划分,实际上“扫掠”体积网格和面网格,以帮助创建具有标准尺寸的高效网格。

决定使用哪种网格方法通常取决于您求解的分析类型(显式或隐式)或物理场以及您希望达到的精度水平。其他一些选项是笛卡尔网格划分和分层tet,用于特定分析(如增材制造)。

网格划分控制

网格划分控制可实现更精确的网格。Ansys Mechanical使您能够控制局部网格,而不是使用相同的方法对整个CAD进行网格划分以获得全局网格。局部网格划分控制的一些例子包括对几何结构进行局部尺寸调整、细化和影响范围特征清除。

我们以摩托车车架为例。您可能希望在整个几何结构中应用通用网格方法,而在焊接和螺栓连接处使用不同的策略。使用局部网格划分控制允许您在这些位置创建更精细的网格,而不是使用较小的单元对整个部件进行网格划分,这将需要更长的时间来求解。

显示焊接接头的摩托车车架几何结构网格。

 

高质量网格为何如此重要?

简单来说,高质量的网格等于更精确的结果。低质量网格会导致收敛困难,从而得出不正确的结果和错误的结论。网格的质量取决于以下几种情况:

  • 您正在执行的分析类型
  • 您希望在网格上投入多少时间。
  • 您希望投入多少时间来求解问题。

在某些情况下,您可能正在寻找一种快速的解决方案,这将有助于确定设计决策。在这种情况下,您可能不想花费大量时间来设置网格。有时,您可能需要非常精确的解决方案或结果,这就需要花费一些时间和精力来使用不同的方法和控制设置网格。

优质网格有一个符合您需求的质量标准(分析类型、精度水平、时间),例如单元质量和纵横比。最后,我们建议您了解您的几何结构并使用控制,以获得尽可能高质量的网格。毕竟,这会带来更好的产品设计。

在Ansys学习中心的 “网格划分入门课程” 中了解更多信息。

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