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ANSYS 部落格

April 28, 2021

用於結構分析的 FEA 網格劃分基礎

模擬是許多行業的關鍵工具。根據 Grand View Research,從 2021 年到 2028 年,全球模擬軟體市場預計將以 17.1% 的複合年均成長率 (CAGR) 成長。這是極為大幅的成長 — 主要是由於模擬軟體為業務提供了許多好處,包括減少產品開發成本、物理測試和有缺陷的原型。

在電腦輔助工程 (CAE) 應用程式 (例如模擬) 中,有多種軟體可以分析產品,例如有限元素分析 (FEA)、計算流體動力學 (CFD) 等。若要進行 CAE 模擬,分析需要三個重要步驟:前處理、求解和後處理。我們來討論 FEA 前處理步驟,特別是優質網格的重要性。

變速箱外殼零件上的網格範例。

FEA 中的網格劃分是什麼?

有限元素分析 (FEA) 是物理系統的數學表示,包括零件/組件、材料特性和邊界條件。在某些情況下,真實世界中的產品行為無法透過簡單的手動計算來推算。像 FEA 這樣的通用技術,是透過使用偏微分方程準確捕捉物理現象來表示複雜行為的便捷方法。FEA 已經成熟並已普及化,設計工程師和專家都可以使用。

網格劃分 (Meshing) 是使用 FEA 執行精確模擬的最重要步驟之一。網格由包含表示幾何形狀的節點 (空間中的座標位置可能因元素類型而異) 的元素組成。FEA 求解器無法輕鬆處理不規則形狀,而是更適合處理常見的形狀,例如立方體。網格劃分是將不規則形狀變成更容易辨識的體積 (稱為「元素」) 的過程。

在開始進行網格劃分之前,您必須先將幾何或 CAD 模型上傳到 Ansys Mechanical 之類的產品,以開始模擬過程。

如何為網格劃分準備您的 CAD/幾何模型

使用 FEA 模擬軟體 (例如 Mechanical) 時,確定 CAD 模型中的哪些特徵需要網格化以及哪些特徵不需要網格化非常重要。很多時候,為了利於製造,CAD 幾何圖形既複雜又詳細。但是對於模擬,不需要所有細節,因此可以對幾何的某些部分進行去除,這表示移除這些細節以節省時間。

例如,您的產品可能附有名牌標示。您不需要了解此名牌標示的物理效果,因此可以對該名牌標示進行去特徵化以避免其建立網格,這樣可節省網格劃分和求解時間。

使用 Ansys Spaceclaim,幾何體上的名牌標示很容易去特徵化,以避免對名牌標示進行潛在的不必要分析。

為模擬準備 CAD 模型的另一個重要層面,是描述幾何中兩個或多個零件之間的關係。例如,如果您的幾何圖形在通用面 (或邊) 之間共用節點,那麼確定它是保形網格還是非保形網格很重要。保形網格用於以膠水或焊縫連接的零件。非保形網格用於以觸點或接頭連接的零件。在 Ansys Mechanical 中,您可以混合使用這些方法來滿足需求。

閱讀「優化 FEA 模型的 3 個步驟」部落格以了解更多資訊。

網格劃分方法的類型:四面體與六面體

有兩種主要類型的網格劃分方法。基於以下目的,我們指的是 3D 模型:

     
  • 四面體單元網格 (或「tet」)
  • 六面體單元網格 (或「hex」)
 

與四面體元素相比,Hex 或「brick」元素通常可在元素計數較低的情況下產生更準確的結果。如果是複雜的幾何圖形,四面體元素可能是最佳選擇。這些預設或自動網格劃分方法可能足以讓您獲得所需結果,但是,還有其他方法可以為您提供更多的網格控制。

混合網格劃分

在 Mechanical 中,您可以使用多區域方法,它是六角和四角元素的混合體,可讓您使用不同的方法對幾何體的不同部分進行網格劃分。這使您可以執行更少的幾何準備並擁有更多的局部控制網格。

使用 Ansys Mechanical 混合網格劃分功能的管道連接幾何結構

 

掃描網格

使用掃描網格劃分,網格實際上是「掃描」網格穿過的體積和面,以協助建立具有一般尺寸的高效網格。

決定使用哪種網格方法,通常取決於您正在求解的分析 (顯式或隱式) 或物理類型,以及您想要達到的準確度。其他一些選項是用於特定分析 (如積層製造) 的笛卡爾網格劃分和分層四面體元素。

網格劃分控制

網格劃分可達成更精確的網格。Ansys Mechanical 可讓您控制局部網格,而非使用相同方法對整個 CAD 進行網格劃分而產生的總體網格。局部網格劃分控制的範例包括幾何的局部尺寸調整、細分和影響範圍去特徵化。

以摩托車車架為例。您可能希望在整個幾何圖形中套用一般網格方法,但在焊接和螺栓連接處使用不同的策略。使用局部網格劃分控制,可讓您在這些位置建立更精細的網格,而不是用較小的元素對整個零件進行網格劃分,這樣會需要更長的時間來求解。

摩托車車架幾何網格,焊接接頭顯示。

 

為什麼高品質的網格很重要?

簡而言之,高品質的網格等於更精確的結果。網格不佳會導致聚合困難,並導致錯誤的結果與結論。網格的品質取決於以下幾種情況:

     
  • 您正在進行什麼類型的分析。
  • 您想在網格上投入多少時間。
  • 您想投入多少時間來解決問題。
 

在某些情況下,您可能想尋求快速的解決方案 — 這將有助於釐清設計決策。在這種情況下,您可能不想花費大量時間來設定網格。其他時候,您可能需要非常精確的解決方案或結果,這需要花一些時間和精力,使用不同的方法和控制來設定網格。

好的網格必須有符合您需求的品質標準 (分析類型、準確度、時間),例如元素品質和長寬比。因此說到底,我們建議您了解您的幾何形狀並使用控制來盡可能取得最佳的網格 — 畢竟這可以帶來更好的產品設計。

在 Ansys 學習中心深入了解網格劃分課程簡介

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