[所有分类]第八章—创建节点单元模型与网格划分技术

第八章:创建节点单元模型与网格划分技术,网格划分的三部曲:定义单元属性(单元类型、实常数、材料属性).定义网格控制(控制网格密度). 网格划分以前保存数据库.产生网格.主要内容:A. 多种单元属性 E. 六面体到四面体的过渡B. 控制网格密度F. 网格拖拉C. 改变网格G. 网格的扫略D. 映射网格,8.1创建有限元模型的两种方法,方法一：直接发法，首先创建节点，然后利用节点创建单元, 单个和多个单元组成一个有限元模型。方法二：几何模型网格划分法，首先创建或者导入CAD几何 模型，然后利用网格划分工具将其划分成单元网格 模型。,8.2 单元库、单元类型与单元实常数,点单元 质量单元MASS21线单元梁 单元用于模拟螺栓、管件、C-sections、角钢或只需膜应力和弯曲应力的 任何 细长杆件。杆单元 用于模拟弹簧、螺栓、预应力螺栓及桁架。弹簧 单元用于模拟弹簧、螺栓、细长部件或通过等效刚度替代复杂部件.,壳单元用于模拟薄板或曲面。一般来讲，细的定义依赖于应用，主要方向的尺寸至少为其厚度的10倍,8.2.1单元库、单元类型,二维实体单元:用于模拟实体的横截面必须在总体笛卡尔坐标系的XY平面内建模所有载荷都在XY平面上，响应（位移）也在XY平面单元的可以有下列特性:平面应力平面应变轴对称轴对称简谐,平面应力 假定在Z方向的应力为零有效的组成为Z方向比X及Y方向的尺寸小得多Z向应变非零允许任意厚度(Z向)用于诸如承受面内载荷的平板 或承受压力或离心载荷的薄盘,平面应变 假定Z方向为零应变用于Z向尺寸远大于X及Y向尺寸的情况Z向应力非零用于长、诸如结构梁等截面形状不变的结构,轴对称 假定三维结构及其载荷可由2维截面通过沿Y轴旋转 360 得到：对称轴必须与总体Y轴重合负的X 坐标不允许Y 方向为轴，X方向为径向，Z方向为周向（环向）。环向位移为零；环向应变和应力通常十分显著。用于压力容器、直管、轴等。,三维实体单元:用于几何模型、材料、载荷或要求的结构细节不能用简化形式的单元模拟的情况。还用于几何模型由三维CAD系统输入的情况，如果转化为二维或壳单元形式需要大量时间和精力。,单元阶次单元阶次指单元形函数多项式的阶次何为形函数?给出单元结果形状的数学函数。因为有限元求解器只解出节点的自由度值，需要形函数将节点自由度值映射到单元内的点上。形函数代表给定单元的假定的表现每个假定的单元形函数与真实情况的匹配程度直接影响求解精度,线单元只支持线性变化的位移因此一个单元内为常应力对单元扭曲高度敏感如果仅对名义应力结果感兴趣则可接受对高应力梯度区需要大量单元,二次单元支持二次变化的位移及在一个单元内线性变化的应力能代表曲边边界及曲面，比线性单元更为准确。对单元的扭曲不太敏感对高精度应力感兴趣的情况建议采用比线性单元给出的结果更好，多数情况下用更少的单元及总的自由度即可达到,注意:对壳单元，线性单元及二次单元的差别不如实体单元显著，因此通常优先采用线性壳单元除了线性及二次单元，第三种单元为P单元。P单元支持单个单元内二到八阶变化的位移，包括自动求解收敛控制。,结构分析常用单元类型: 实体 SOLID45 SOLID92 SOLID95 SOLID185 壳 SHELL63 SHELL181 梁 BEAM4 BEAM188 BEAM189 质量 MASS21 杆 LINK10 LINK11 管 PIPE16 PIPE17 PIPE18 PIPE20 PIPE59 PIPE60 表面效应 SURF153 SURF154 弹簧 COMBIN14,注：单元实常数的定义及编辑可参考第六章的范例。,8.3 材料模型库与材料模型,绝大多数单元类型都需要材料属性。根据应用的不同，材料属性可以分为： * 线性或者非线性; * 各向同性、正交异性或非弹性; * 不随温度变化或者随温度变化; 像单元类型和单元实常数一样，每一组材料属性也有一个材料属性参考号，与材料属性组所对应的材料属性参考号表称为材料属性表。 在一个分析中可能有多个材料属性组（对应模型中有多种材料）。在创建单元时可以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分配其采用的材料属性组。,定义材料属性时应当注意以下几点：,一般情况下杨氏模量（EX）必须定义；若加惯性载荷，必须定义能求出质量的参数，如密度；若模型中存在热载荷，需定义膨胀系数（ALPX）。,可以通过以下方式定义材料属性： （1）单击菜单路径 Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，弹出 Define Material Model Behavior（定义材料模型）对话框，如图下所示。 材料模型定义对话框中，右边的列表框通过树形结构列出了可用的材料模型类别。 可以通过双击的方式展开一个材料模型类别而得到其所包含的子类，例如双击 Structural（结构）类，将展开适用于结构分析的可用的材料模型类别，如线性材料，非线性材料等等。,对于一般的线性结构分析，只需用到线弹性，各向同性的材料本构关系，本节即以此为例进行讲述。,（定义材料模型),（定义材料属性）,（2）在右边列表框中依次双击 Structural | Linear | Elastic | Isotropic 将会弹出一个线弹 性、各向同性材料模型属性定义对话框。如图 2.28 所示。在对应的文本框中分别输入所用 材料的弹性模量和泊松比后单击 OK 按钮。,（3）在涉及到惯性载荷的分析比如动力分析以及需要施加离心载荷的分析的时候，还 需 要定义材料的密度。在定义材料模型对话框中右边的列表框中依次双击 Structural | Density，弹出定义材料密度对话框，如下图所示。在 DENS（密度）文本框中输入 材料 的密度值，确认后单击 OK 按钮。,定义材料密度,（4）定义完毕后，单击定义材料模型对话框Material | Exit，退出材料模型定义对话框。,8.4直接法创建有限元网格模型过程,直接法创建有限元网格模型的思路是,首先创建节点，然后利用节点创建一序列单元，多个单元组成一个有限元模型。该方法适用于简单的规则并且单元数目较少的有限元模型，例如质量单元系统、弹簧/杆/梁等线单元系统、少量的壳体单元系统等。 直接创建节点单元模型过程的三个步骤： 1）创建节点（参考第七单元创建点方法）， 2）定义当前单元属性（单元类型、实常数、 材料、坐标系、单元截面号）， 3）创建单元。 对于复杂的空间结构系统，一般首先创建CAD模型，然后利用网格划分器将他们划分成单元网格模型，如空间壳体结构、实体结构或者空间复杂梁系等。,8.5 几何模型划分单元生成有限元网格模型,下面先来介绍一下前文已经出现过的网格工具。网格工具提供了最常用的网格划分控制和最常用的网格划分操作。单击 Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Tool，打开网格工具，如下图所示，一旦打开了它，它就保持打开状态直到单击 按钮关闭它或 离开前处理（PREP7）为止。 尽管网格划分工具提供的所有功能都可以通过另外的 ANSYS 命令和菜单得到，但利用网格划分工具是十分有效的快捷方式。比如通过网格划分工具也可以完成单元属性的分配。在 Element Attributes（单元属性）域（图中标识为（1)的区域）的下拉列表中可以选择定义Global（缺省)单元属性，或者对 Volumes（体）、Areas（面）、Lines（线）和Key Points（关键点）等各种实体图元类型分配单元属性。,Main Menu: Preprocessor Mesh Tool,单元属性控制智能网格划分控制尺寸控制指定单元形状自由网格划分或映射网格划分执行网格划分清除网格局部细划,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,分网要点 网格划分工具,网格划分工具是网格控制的一种快捷方式,(网格划分工具),(2) 智能网格划分控制 图中标识为（2）的区域提供了 Smart Sizing（智能单元尺寸）控制。Smart Sizing 控制在生成映射（Mapped）网格时无效。自由划分网格时建议使用 Smart Sizing。可以选取Smart Sizing前面的复框打开Smart Sizing 控制并同时激活滑动条 ，滑动条用来控制 Smart Sizing的级别（从 1 到 10，级别越低，单元越细密 ）。,注：打开了 Smart Sizing 控制后，ANSYS首先对待划分网格的面或者体的所有边界线估算单元边长。然后对几何体中的弯曲区域或者趋向相交区域的线进行细化。由于所有的线和 面在网格划分开始时已指定大小，生成的网格的质量与划分网格的面或体的顺序无关（同时对所有的面或者体划分网格的效果最好）。,(3)局部网格尺寸控制,ANSYS 用缺省单元尺寸生成的网格并不一定总能满足需要比如在模型的曲率较大的区域需要相对密的网格，在这时可以利用网格工具提供局部网格尺寸控制工具（图中(3)的区域）设置模型中局部的单元尺寸以满足特定的需要。ANSYS可以分别对线、面以及选定关键点附近区域进行网格尺寸的控制，还可以设置缺省的单元尺寸。下面分别对这部分的工具和选项进行介绍。,Global（缺省） 可通过设置每个单元的边长或者模型中每条边线的单元分划数来控制总体单元尺寸。单击 按钮会弹出 Global Element Sizes（总体单元尺寸）设置对话框，如下图所示，可以设置缺省的 Element edge length（单元边长）或者缺省 No. of elements division（边线的单元分划数）。需要注意的是只有单元边长文本框内容为空或者零时，对缺省边线的单元分划数的设置才会有效。单击 按钮将会清除缺省设置。缺省设置只对那些没有明确为其指定单元分划数的线有效。,2. Areas（面） 对Global和Lines 的单元尺寸控制是针对实体模型的边界上的单元尺寸的定义。本项的设定可以在面的内部没有可以引导网格划分的尺寸线的区域控制单元尺寸，推荐在自由分网时对此项进行设定，往往可以在整个模型上得到较好的网格。单击按钮会弹出一个选择对话框，要求选择欲设置的面，选择欲设置的面然后单击选择对话框上的 按钮或者 按钮确认，在弹出的设置对话框可以设定单元边长，输入合适的值即可。单击 按钮将会清除设置。,(总体单元尺寸设置),3. Lines（线） 设置选定的模型中的线(通常代表模型的边界)的单元分划数。 单击按钮弹出线选择对话框，要求选择欲进行设置的线，选择欲设置的线后单击选择 对话框上的 或者 按钮确认，在弹出 Element Sizes on Picked Lines（选定线上的单元尺寸）设置对话框（如下图所示）中填入单元边长或者每条线的单元分划数（单元边长项空或者为零时有效）即可。单击 按钮将会清除设置。,（线选择对话框）,（4）指定单元形状,网格划分工具图中标识为（4）的区域为网格生成控制选项区域，在此区域中可以控制单元形状、网格类型，生成以及清除网格等等。下面分别结合网格工具对单元形状的设置、网格类型的选取等进行概略的介绍。,（1）Mesh（分网）对象。确定将要进行的划分网格操作所要针对的图元对象类型， 可在 Mesh 下拉列表中选择体、面、线和关键点。Shape（单元形状）菜单项会随着此项的 不同选择而而出现不同的选项。（2）Shape（单元形状）。控制生成网格的单元形状，单元的形状可以为三角形（triangle）、 四边形（quadrilateral）、四面体（tetrahedral）或者六面体（hexahedral）。形状选项随着 Mesh 对象图元的类型和网格类型（自由网格或者映射网格）不同而不同。如果选择的 Mesh 对象是线或者关键点，则形状选项无效。,（5）自由网格划分或映射网格划分,划分网格类型可以选择是采用free（自由网格）还是mapped（映射网格）对模型进行划分网格生成有限元模型，对实体图元还可以选择是否采Sweep（扫掠）分网。当划分网格的对象是点或者线时，网格类型选项无效。此选项还有附加的选项。 附加选项：在下图中标识为 D 的区域下方的下拉列表中提供了网格生成的附加选项，附加选项的内容决定于前面的具体选择。下面分两种情况进行介绍。,分网对象是面，采用映射网格（mapped）生成有限元模型时，附加选项的内容为“3 or 4 sided”和“pick corners”。如 果所划分的面是三边或者四边面，可以选择“3 or 4 sided”，ANSYS 可以直接对其划 分网格生成有限元模型。,如果所划分的面的边数多于四条边，由于对面采用映射网格 要求面必须是三或者四条边，多于四条边的面可以先通过合并（concatenate）操作将几条线合为一条，使待划分网格的面符合面映射网格的要求，然后附加选项可以选择“3 or 4 sided”，进行网格划分。,然而，对于这种情况 ANSYS 提供了另外一种更加方便的选项：可以选择“pick corners”。附加选项选择“pick corners”后，单击 按钮确认要进行网格划分，先是出现一个面选择对话框要求选择欲划分网格的面，选择面并确认，出现点选择对话框，依次选择面的四个（或者三个）顶点并确认， ANSYS 会自动对选择的顶点之间的面的边界线进行合并（concatenate）操作使选择的面满足映射网格的要求（边数为四条或者三条),然后用选定的单元形状和属性对面划分网格。,(对面映射分网时的附加选项),当分网的对象为体: 单元形状选择为六面体（Hex），网格生成方式选择为 扫掠（Sweep） 时（如图 2.77 所示），附加选项为“Auto Src/Trg”和“Pick Src/Trg”（关于扫掠分网 参见下文）。通常情况下选择前者，ANSYS 可以自动判断扫掠操作的源面和目标面. 只有当ANSYS 采用此选项不能对所选体进行扫掠分网操作时，才需要选择“Pick Src/Trg”选项指定扫掠操作的源面和目标面以决定扫掠方向。 当选取后者时，单击 按钮确认要采用扫掠方式对体进行网格划分后，首先会弹出体选择对话框，要 求选择欲对其进行扫掠分网的体，选择欲扫掠分网的体并确认，弹出面选择对话框，按要求选择扫掠的源面和目标面，依次选择两个面并确认后，ANSYS 程序会用选定的六 面体单元对所选体进行扫掠分网。 当选择前者时，在确认扫掠并选择扫掠对象后 ANSYS 程序会自动的决定扫掠的方向而不用再 选择源面和目标面。,(对体进行扫掠分网时的附加选项),（6）执行网格划分,单击 按钮将会采用指定的选项对图元划分网格，单击 按钮将会清除指定的图元（体、面、线）上的网格，同时删除单元和节点。单击按钮后，将会弹出一个选 择对话框（清除对象图元的类型通过分网对象的下拉列表选择），选择欲清除网格的图元 并确认就会执行清除操作。,（7）局部细化网格,下拉列表提供了操作的选项，单击 按钮后就会进行相关操作，局部细化功 能只能对三角形、四边形以及四面体单元有效。,自由网格的划分 （附）,自由网格划分操作，对实体模型无任何特殊要求，尽管是不规则的，也可以进行网格划分。对面进行网格划分，自由网格可以由三角形单元或者四边形单元组成，也可由两者混合组成，当面边界上总的单元分划数为偶数时，面的自由网格划分将全部生成四边形网格，单元分划数为奇数时将可能生成三角形单元。而体的自由网格通常只能包含四面体单 元。自由分网也需要分配单元属性，同时也可以进行局部网格控制。 值得注意的是当指定六面体单元对体自由分网时，由于对体自由分网只能是四面体单元，当模型中只定义了六面体单元类型时，ANSYS 程序将会采用该六面体单元的退化形式。（四面体单元）对体进行网格划分，应该尽量避免这种情况而直接指定四面体单元对体进 行自由网格划分，这样可以节省大量的计算时间和计算所需的内存空间。,映射网格的划分（附）,映射网格划分要求面或者体有规则的形状，即必须满足一定的准则。同时 Smart Sizing不支持映射网格划分，映射网格的单元尺寸需要通过局部网格尺寸控制的相关选项设定。面映射网格划分面映射网格包括全部是四边形单元或者全部是三角形单元。面接受映射网格划分，必须满足以下条件：该面必须是三或四条边；该面的对边必须设置为相同数目的单元分划数；面如有三条边，则各边设置的单元分划数必须为偶数且相等，否则 ANSYS 程序会自 动决定单元分划数（一般为最接近指定分划的偶数）；网格划分必须设置为映射网格。右图所示 为面映射网格（全部是四边形单元划分和 全部是三角形单元划分）。,（面映射网格）,如果一个面多于四条边，不能用映射网格划分。但是可以用 LCCAT（连接）命令或者 LCOMB（合并）命令使总边线数减少到四条。LCOMB 命令可用于相切或不相切的线。用 LCOMB 合并的线，在两条线的交点出不一定会产生节点（LCCAT 生成得线在生成网格时必然会在交点出产生一个节点）。 连接线：Command：LCCATGUI：Main Menu | Preprocessor | Meshing | Concatenate | Lines合并线：Command：LCOMBGUI：Main Menu | Preprocessor | Modeling | Operate | Booleans | Add | Lines值得注意的是，划分网格时在依附于线、面或者体上的关键点处将生成节点。因此一 条线将至少有关键点数同样多的单元分划数。程序不允许对这样的的线用更少的分划数来 指定其单元分划数。而且单元尺寸的定义也是针对原始线的，而不是针对连接线（LCCAT） 的。也不能直接对连接线指定单元分划数（只能对形成连接线的原始线分别定义单元分划 数），不能对连接线（LCCAT）做除了划分网格之外的任何进一步的操作。但是合并线（LCOMB）可以被直接指定分划数而且可以对合并线进行进一步的操作，因此使用合并线 比连接线有一些优势，建议在能使用布尔运算合并的情况下尽量使用合并线，只有当布尔运算不能成功执行时才考虑使用连接线。,对边数多于 4 条边的面划分映射网格，除了将多余的边通过连接或者合并操作使面的 总边数为 4 或者 3 外，还可以使用 AMAP 命令（在网格划分工具中选择对面进行映射网格 划分，附加选项为“pick corners”，或者在关闭网格划分工具的情况下单击菜单路径“Main Menu Preprocessor | Meshing | Mesh | Areas | Mapped | By Corners”），AMAP 命令提供了对多边面划分映射网格的简捷途径。AMAP命令需要拾取面边界上的三或四个关键点为顶点进行面映射网格划分，这种方法内在地连接两顶点之间的所有线，然后对此面用四边形或者三角形单元划分网格。AMAP 操作不再需要连接或者合并线：内部做连接并在生成网格 之后删除连接线（原始线依然存在），面本身的线不作改变。如下图的面用 AMAP 命令划分映射网格，依次选择关键点 1、3、6、4 后，ANSYS 程序会自动连接线 L1 和 L2， L4 和 L5，然后生成网格，然后删去连接生成的线。在指定面边界线的单元分划数时，不比对所 有线指定单元分划数，只需要指定两条对边 的一条的分划数即可，ANSYS 程序会自动的 将分划数传递到对边（指定的分划数必须大 于线上关键点数）。,（使用 AMAP 命令映射网格划分）,体映射网格划分 （附）,要将体全部划分为六面体单元，体必须满足以下条件：体的外形应为块状（有六个面），楔形或三棱柱（五个面）或者四面体（四个面）；体的对边上必须划分相同的单元数；如果体是棱柱或四面体，三角形面边界上的单元分划数必须是偶数； 即体要满足体的面数不多于6，同时体的各个边界面要满足对面进行映射网格划分的条件。 当体有多余的面时，也需要减少围成体的面的个数以进行映射网格划分，可以对面进行AADD（加）或ACCAT（连接）操作进行合并。一般来说，AADD（要求面为共面和平面）的连接效果优于 ACCAT，但 AADD 的应用范围有限。,(8.6)对体扫掠生成网格,利用体扫掠，可将体的一个边界面网格（称为源面）扫掠贯穿整个体，同时在扫掠过程中根据源面网格对体划分网格，生成单元和节点。如果源网格由四边形网格组成，体将生成六面体单元。如果面由三角形网格组成，体将生成楔形单元。如果面由三角形和四边形单元共同组成，则体将由楔形和六面体单元共同填充。说明：体扫掠操作是针对已建立而尚未划分网格的体，特别是导入的在其他程序中建立的几何模型。扫掠之前的准备工作。在进行体扫掠之前需要确定下列步骤的全部或几步：（1）确定有体需要扫掠（VSWEEP）的体的个数。VSWEEP可对一个体、所有选择 的体或体的某一部分进行扫掠；（2）确定体的拓扑能否进行扫掠，如果下列情况之一或者多项成立，则体不能进行扫掠：,（3）确保已定义了合适的二维或三维单元类型。例如，如果对源面进行预网格划分，并想扫掠生成二次（有中节点）的六面体的单元，应当先用二次二维单元对源面划分网格，再对体扫掠生成二次六面体单元网格。这就要求分别定义二次二维单元和二次六面体单元类型。（4）确定在扫掠操作过程中生成单元层的数目，即沿扫掠方向的单元分划数。可用下列方法进行控制：用局部网格尺寸控制的方法定义扫掠器生成的单元尺寸。VSWEEP 用这 个值在内 部计算单元层的数目。这是默认的设置方法。2. 用 EXTOPT 命令（Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh | Sweep Opts 或 Main Menu| Preprocessor | Modeling | Operate | Extrude | Elem Ext Opts），单击菜单路径后在弹出的对话框中可以直接设定扫掠方向上的单元分划数，如下图所示（左图中 NO. Elem dives 文本框表示单元分划数，右图中为 Number of divisions in sweep direction）。 注意用 EXTOPT 设定的单元分划数会加在体的所有未划分网格的侧面（侧面一词，此处是相对于指定的源面和目标面而言）线上。如果侧面线已预划分了网格或通过局部网格尺寸控制工具定义了单元分划数或者单元尺寸，由 EXTOPT 定义的值将会被忽略。,（设定扫掠单元层数）,3. 在体的一个或多个侧线上，直接指定分割单元数（推荐用此方法），如下图所示。,（体扫掠）,（5 ）确定做为扫掠操作的源面和目标面（也可以让 ANSYS 自动决定而省略本步工作）。 源面和目标面的指定可以是自定义选择也可以让ANSYS自动选择。 ANSYS 将依据源面上的面单元模式（可以是四边形和三角形单元）用相应的单元类型（六面体和楔形单元）填充体（如果在扫掠之前未对面预划分网格，ANSYS 会自动生成“临时面单元”。不过在数据库中并不存储这些面单元；在确定了扫掠模式后会立即丢弃这些临时面单元）。 目标面仅是与源面相对的面以确定扫掠方向，如上图所示。若多于一个体被扫掠，任何自定义的源面和目标面将被忽略。如果没有指定源面和目标面，VSWEEP 将自动确定做为源面和目标面的边界面，如果不能自动的确定出这两个面，VSWEEP 命令将中止。（6）有选择的对源面、目标面和侧面划分网格。 体扫掠地结果会因在扫掠之前是否对模型中的任何面（源面、目标面和边界面）进行了网格划分而不同。典型的情况是在扫掠之前，已经对源面划分了网格。如果不对源面划分网格，ANSYS 会在扫掠操作时内在的为源面划分网格，此时生成的单元尺寸和形状有可能不能满足预期要求。如果分别对源面和目标面都划分了网格，则他们必须是匹配的，但并不要求源面或目标面网格是映射网格。 通常的做法是对源面划分映射网格