如何使用COSMOS有限元分析软件对CAD输入模型.doc

如何使用COSMOS有限元分析软件对CAD输入模型的局部几何加大网格密度焦明海 东北大学欧磊技术中心，110006所有有经验的分析工程师都知道，适当的网格密度选取才能在最短的计算时间之内，提供您正确的分析结果。本文之重点在于告诉所有的COSMOS/M以及GEOSTAR的使用者，如何去决定几何模型之中不同位置的最适当网格密度，以及如何建立一个网格由密而疏的产生方法与过程。 在J.N. Reddy博士所著的Finite Element Method这本书中提到以下三点选定有限单元网格产生方式的重要依据:1. 网格必需能够精确的表现出所计算范围内的几何模型，以及在此范围内的所有的载荷 条件。也就是说网格必需非常的接近您所想逼近的几何。2. 它必需在计算结果产生很大差异(Gradient)的部分，将此突变性精确的表现出来。这些结果包括了如应力，应变，变形量，温度 ，流速等。3. 必需避免如太大长宽比 (Aspect Ratio)，不正常的弯曲角度(Skew)等网格的产生。尤其是在会有大幅变化的几何区域，更需小心的去避免此种网格的出现。 在第一项规则之中提示了我们必需尽量地在小而且必须分析的几何区域部分，以小网格去逼近。因此，凡是有圆角，导角，键槽以及其它槽状几何区域必需加以特别密的网格处理。而相对于比较平滑或截面突变较少的几何区域，我们则可以采用较为稀疏的网格密度。而规则二与三都是代表了必需在产生较大突变的几何部分建立较密的网格。这些区域多半是在应力集中部位，比如圆角，导角与弯曲角度(Skew)等部分。整体而言，较精密(小)或是较高密度的网格必需设定在导角，圆角以及凹槽处，或是有较大梯度的计算结果值突变的区域。下面，我们将针对如何使用COSMOS/M去建立上面所描述的网格架构。这种在某一部分的几何模型上去做网格尺寸的调整功能，我们称之为网格细化（Mesh Refinement）。这是COSMOS前后处理器GeoSTAR中的标准功能。 让我们假设从一般的三维CAD软件之中取得了一个如图一所示的实体模型，并且转入GeoSTAR之中的.geo或.iges文档格式。假设此零件之厚度为100毫米，而圆角的半径也是100毫米，而其它的尺寸全大于600毫米时，固定其中一个区域，在另一个区域指定Y（向下）方向的压力作为其边界与载荷条件。按照以上的条件，我们可以发现此几何模型的关键区域为圆角位置，同时这也是应力最大的位置。而模型其它部分的应力变化量也不会超过圆角应力变化量。因此大部分区域网格可以粗划分，只需在圆角部分加密即可。 图一、零件几何以及边界条件首先我们对整个零件建立相同尺寸的网格(以10毫米为单元尺寸值)。而分析的结果则显示在下表之中。上述单元尺寸则使用PHDENSITY(MenuMeshMesh DensityPolyhedron)命令去加以定义。对此种相同尺寸网格所计算出来的结果，我们发现靠近圆角处的应力值是约180psi，并且根据误差估测分析，它是一个正确解，但是此种网格花了计算机390秒去解算出答案。 接下来我们用单元尺寸40毫米来对此模型进行网格划分和分析。所计算出来的最大应力值为164psi，明显的和上一个计算结果相比是不够精确的。这是由于接近圆角处的网格密度不够的缘故。首先我们可以使用SELWIN命令(MenuControlSelectBy Windowing)去选取接近圆角处的网格。接下来将所选到的网格使用EREFINE的命令(MenuMeshElementsRefine)， 并且使用INITSEL命令(ControlSelectInitialize)去设定到前面所选到的网格。因此我们就可以得到在圆角处网格密度较高而在其它区域网格密度较小的网格结构。使用此种网格所计算出来的最大应力值为186psi，而计算机所花的时间则大幅缩短成67秒。 图二、 使用SELWIN命令去选取圆角附近的网格，目前的网格是相同尺寸的图三、 使用EREFINE命令去对局部网格做增加密度的设定另一种可以正确设定网格尺寸以得到正确计算结果的方式，是对几何模型预先设定其各部分的单元尺寸。以此例而言，我们可以先用PHDENSITY命令去将整体网格尺寸设成40毫米，接着使用RGDENSITY (MenuMeshDensityRegions)命令将圆角处的网格尺寸设成10毫米。同时再一次使用RGDENSITY命令去设定接近圆角区域部位的网格尺寸到20毫米。所得到的是一个非常好的渐近变化的网格尺寸设定(图四)。此种网格设定仅花了42秒的时间便计算出最大应力值为174 psi。 单元尺寸节点数自由度最大应力值(psi)计算时间10毫米(均匀网格)8677187806180392秒40毫米(均匀网格)18133670516431秒40毫米（圆角网格细化）33697088118667秒40毫米和10毫米网格过渡（圆角网格细化）21274242517442秒图四、 使用渐进式网格(接近圆角部位的网格密度较高)所计算出来的结果我们针对以上四种网格的设定所做的分析结果与速度上的比较，得到以下结论。前两种并未做任何网格尺寸上的设定，仅以相同尺寸的网格去做设定时，则我们可以清楚的看到愈小网格计算愈准确的现象。第三种使用先设定较粗的网格再使用EREFINE命令去设定较细网格的方式则计算出正确的结果。弹性是此种网格建立方式的最大