第4章有限元网格划分与模型

1、第第4 4章章 有限元网格划分与模型建立有限元网格划分与模型建立已经建立的几何模型，需要对其划分网格，生成包含结已经建立的几何模型，需要对其划分网格，生成包含结点和单元的有限元模型。有限元网格划分过程包括以下三个点和单元的有限元模型。有限元网格划分过程包括以下三个步骤：步骤：（1）设定单元属性。包括单元类型、分配实常数或者截）设定单元属性。包括单元类型、分配实常数或者截面属性（对有些单元类型）、分配材料属性等。面属性（对有些单元类型）、分配材料属性等。（2）设置网格控制（可选择的）。）设置网格控制（可选择的）。（3）生成网格。）生成网格。在在ANSYS里提供了自由网格和映射网格两种网格。里提供

2、了自由网格和映射网格两种网格。4.1 4.1 网格类型和应用场合网格类型和应用场合在对模型划分网格之前，确定是采用自由网格还是采用映在对模型划分网格之前，确定是采用自由网格还是采用映射网格进行有限元分析。自由网格对于单元形状没有限制，并射网格进行有限元分析。自由网格对于单元形状没有限制，并且对几何模型没有特定的要求；映射网格对其包含的单元形状且对几何模型没有特定的要求；映射网格对其包含的单元形状有限制，而且要求几何模型必须满足特定的规则，即必须有相有限制，而且要求几何模型必须满足特定的规则，即必须有相当规则的体或面，才能进行映射网格划分。映射面网格只能包当规则的体或面，才能进行映射网格划分。映

3、射面网格只能包含四边形和三角形单元，映射体网格也只能包含六面体单元。含四边形和三角形单元，映射体网格也只能包含六面体单元。一般情况下映射网格往往比自由网格得到的结果更加精确，而一般情况下映射网格往往比自由网格得到的结果更加精确，而且在求解时对且在求解时对CPU和内存的需求也相对低些。和内存的需求也相对低些。4.2 4.2 有限元网格划分的主要指导思想有限元网格划分的主要指导思想ANSYS网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的物理模型的构造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的内容。

4、在网格划分和初步求解时，要遵循先简单后复杂，先粗后内容。在网格划分和初步求解时，要遵循先简单后复杂，先粗后精，精，2D单元和单元和3D单元合理搭配使用的指导思想。为提高求解的效单元合理搭配使用的指导思想。为提高求解的效率，要充分利用重复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复率，要充分利用重复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提对称或轴对称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。高求解的效率和精度。4.3 4.3 有限元网格划分的基本方法有限元网格划分的基本方法由于分析问题的复杂性，所以有限元网格划分很少一由于分析

5、问题的复杂性，所以有限元网格划分很少一次性成功。最好在划分前先保存数据库。条件和时间允许的次性成功。最好在划分前先保存数据库。条件和时间允许的情况下应尽量多试一些划分网格划分方案，以求得到精度和情况下应尽量多试一些划分网格划分方案，以求得到精度和计算代价的均衡。有限元网格划分方法一般可为自由网格划计算代价的均衡。有限元网格划分方法一般可为自由网格划分、扫掠网格划分、映射网格划分和混合网格划分等方法。分、扫掠网格划分、映射网格划分和混合网格划分等方法。1自由网格划分自由网格划分2扫掠网格划分扫掠网格划分3映射网格划分映射网格划分4混合网格划分混合网格划分4.4 4.4 有限元单元属性的设定有限元

6、单元属性的设定有限元单元属性的设定主要包括选择单元类型、设置单有限元单元属性的设定主要包括选择单元类型、设置单元的实常数如面积（元的实常数如面积（AREA）、高度（）、高度（HEIGHT）、惯性矩（）、惯性矩（IZZ）、剪切变形常数（）、剪切变形常数（SHERZ）、初始应变（）、初始应变（ISTRAN）和）和单位长度质量（单位长度质量（ADDMAS）等。材料属性设定，如杨氏模量）等。材料属性设定，如杨氏模量、热传导率等，以及设定单元坐标系等任务。、热传导率等，以及设定单元坐标系等任务。4.4.1 4.4.1 选择单元类型选择单元类型ANSYS单元库中提供了超过单元库中提供了超过180种的不同单

7、元类型，每种单元种的不同单元类型，每种单元类型有一个特定的编号和一个标示单元类型的前缀，例如类型有一个特定的编号和一个标示单元类型的前缀，例如BEAM4表示表示4号梁单元，号梁单元，PLANE82表示表示82号板单元），号板单元），SOLID95表示表示95号号实体单元。单元类型决定了单元的结点数和自由度、单元位于二维实体单元。单元类型决定了单元的结点数和自由度、单元位于二维空间还是三维空间。在开始分析问题前，需要在通用处理器空间还是三维空间。在开始分析问题前，需要在通用处理器PREP7（预处理器）中定义单元类型。（预处理器）中定义单元类型。命令：命令：ETGUI：Main Menu|Prep

8、rocessor|Element Type|Add/Edit/Delete4.4.2 4.4.2 单元设置单元设置对应于特定单元类型，每组实常数有一个参考号，与每组对应于特定单元类型，每组实常数有一个参考号，与每组实常数对应的参考号组成的表称为实常数表。在创建单元时，实常数对应的参考号组成的表称为实常数表。在创建单元时，可以为要创建的单元分配实常数号。在分配实常数号时，要注可以为要创建的单元分配实常数号。在分配实常数号时，要注意实常数参考号和要创建单元的单元类型参考号的对应性，这意实常数参考号和要创建单元的单元类型参考号的对应性，这种对应性是由用户保证的，否则在划分网格时将会报错或出现种对应性

9、是由用户保证的，否则在划分网格时将会报错或出现不可预知的错误。单元设置可以采用如下命令：不可预知的错误。单元设置可以采用如下命令：命令：命令：RGUI：Main Menu|Preprocessor|Real Constants|Add/Edit/Delete4.4.3 4.4.3 材料属性设定材料属性设定绝大多数单元类型都需要定义材料属性。根据应用的绝大多数单元类型都需要定义材料属性。根据应用的不同，材料属性可以有以下几种：不同，材料属性可以有以下几种：线性或者非线性；线性或者非线性；弹性（各向同性、正交异性）或非弹性；弹性（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。不随温度变

10、化或者随温度变化。4.4.4 4.4.4 单元坐标系设定单元坐标系设定单元坐标系用来确定材料属性的方向。用户可以通过单元坐标系用来确定材料属性的方向。用户可以通过ANSYS帮助文档中的单元类型描述来查看该单元的坐标系帮助文档中的单元类型描述来查看该单元的坐标系方向。一般设置单元坐标系的方法如下：方向。一般设置单元坐标系的方法如下：命令：命令：LOCALGUI：Utility Menu|WorkPlane|Local Coordinate Systems|Create Local CS4.5 4.5 有限元网格划分的控制方法有限元网格划分的控制方法一般情况下，一般情况下，ANSYS使用默认的网格

11、控制，可以生成让使用默认的网格控制，可以生成让分析模型满足要求的网格。如果生成的网格不能满足要求，则分析模型满足要求的网格。如果生成的网格不能满足要求，则必须在对模型划分网格前设定网格划分控制，如单元形状、中必须在对模型划分网格前设定网格划分控制，如单元形状、中间结点位置、单元大小等。间结点位置、单元大小等。4.5.1 4.5.1 有限元网格划分工具有限元网格划分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。从主菜单中选择格划分操作。从主菜单中选择Preprocessor|Meshing|Mesh Tool菜单，打开网格划分工具，一

12、旦打开了它，它就保持打菜单，打开网格划分工具，一旦打开了它，它就保持打开状态直到单击关闭它或离开预处理器（开状态直到单击关闭它或离开预处理器（PREP7）为止。）为止。4.5.2 4.5.2 选择自由或映射网格划分选择自由或映射网格划分自由网格划分操作，对实体模型无任何特殊要求，即自由网格划分操作，对实体模型无任何特殊要求，即使是不规则的，也可以进行网格划分。使是不规则的，也可以进行网格划分。面的自由网格划分：自由网格可以是三角形或者是四面的自由网格划分：自由网格可以是三角形或者是四边形单元组成，也可由两者混合组成，当面边界上总的单元边形单元组成，也可由两者混合组成，当面边界上总的单元划分数目

13、为偶数时，面的自由网格将全部生成四边形网格，划分数目为偶数时，面的自由网格将全部生成四边形网格，当单元划分数目为奇数时将可能生成三角形单元。当单元划分数目为奇数时将可能生成三角形单元。体的自由网格：只能包含四面体单元（三棱锥）。体的自由网格：只能包含四面体单元（三棱锥）。4.5.3 4.5.3 单元属性分配设置单元属性分配设置1为实体模型图元分配单元属性为实体模型图元分配单元属性2修改单元属性修改单元属性4.5.4 4.5.4 单元尺寸控制单元尺寸控制针对网格单元的尺寸控制，可以通过指定所有线上的份数决定单针对网格单元的尺寸控制，可以通过指定所有线上的份数决定单元的尺寸，它可以考虑线的曲率，孔

14、洞的接近程度和其它特征，以及单元的尺寸，它可以考虑线的曲率，孔洞的接近程度和其它特征，以及单元阶次。单击元阶次。单击MeshTool菜单条（菜单条（Preprocessor | MeshTool），打开智能），打开智能网格划分，设置需要的尺寸级别，或使用网格划分，设置需要的尺寸级别，或使用SMRT，Level命令。尺寸级别命令。尺寸级别的范围从的范围从1（精细）到（精细）到10（粗糙），默认级别为（粗糙），默认级别为6。对所有体（或所有面。对所有体（或所有面）一次划分网格，将优越于逐个地划分网格。）一次划分网格，将优越于逐个地划分网格。4.5.5 4.5.5 局部网格划分控制局部网格划分控制1

15、总体单元尺寸总体单元尺寸2默认尺寸默认尺寸4.5.6 4.5.6 内部网格划分控制内部网格划分控制网格划分尺寸通常集中在实体模型边界的外部单元尺网格划分尺寸通常集中在实体模型边界的外部单元尺寸定义上。然而，也可以在内部没有可以引导网格划分的尺寸定义上。然而，也可以在内部没有可以引导网格划分的尺寸线处控制网格划分。可以用下列方法实现：寸线处控制网格划分。可以用下列方法实现：命令：命令：MOPT。GUI：Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|Manual Size|Area Cntrls。4.5.7 4.5.7 细化网格控制细化网格控制在在Refin

16、e at下拉列表框中选择网格细化的对象，可以再下拉列表框中选择网格细化的对象，可以再单元上细化，也可以在节点、关键点上细化，还可以在线、单元上细化，也可以在节点、关键点上细化，还可以在线、面上细化。对应的命令如下：面上细化。对应的命令如下：在某个面对象上进行细化：在某个面对象上进行细化：AREFINE。在某个线对象上进行细化：在某个线对象上进行细化：LREFINE。在某个关键点对象上进行细化：在某个关键点对象上进行细化：KREFINE。在某个单元对象上进行细化：在某个单元对象上进行细化：EREFINE。在某个点对象上进行细化：在某个点对象上进行细化：NREFINE。4.5.8 4.5.8 网格

17、质量控制网格质量控制网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影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。坏的网格会终止计算。一般情况下，网格面不响计算精度。坏的网格会终止计算。一般情况下，网格面不过分扭曲、各边或各内角相差不大、边节点位于边界等分点过分扭曲、各边或各内角相差不大、边节点位于边界等分点附近的网格质量较好。网格形状在大多数情况下应该与所选附近的网格质量较好。网格形状在大多数情况下应该与所选择的单元相一致。择的单元相一致。4.5.9 4.5.9 细小结构的网格划分细小结构的网格划分对一些几何体上面的细小结构，例如孔洞，如何进行对一些几何体上面的细小结构，例如孔洞，

18、如何进行网格划分取决于对该结构分析的目的，必须对结构的预期行网格划分取决于对该结构分析的目的，必须对结构的预期行为有足够的理解，从而可以以对模型应包含多少细节做出适为有足够的理解，从而可以以对模型应包含多少细节做出适当的决定。例如一些小的细节对分析来说不重要，就不必在当的决定。例如一些小的细节对分析来说不重要，就不必在模型中体现，使模型结构简化，如果小的细节会产生最大应模型中体现，使模型结构简化，如果小的细节会产生最大应力，则此处必须进行精细的网格划分。力，则此处必须进行精细的网格划分。4.6 4.6 实体模型的网格划分实体模型的网格划分本节讲述的实体模型网格划分的重点是映射网格划分本节讲述的

19、实体模型网格划分的重点是映射网格划分的操作和如何对实体模型进行网格划分。划分实体模型包括的操作和如何对实体模型进行网格划分。划分实体模型包括定义单元、属性定义网格生成控制和生成网格等过程，划分定义单元、属性定义网格生成控制和生成网格等过程，划分完有限元网格后，如果生成的有限元模型不能满足分析的要完有限元网格后，如果生成的有限元模型不能满足分析的要求，可以修改已经建立的有限元模型。求，可以修改已经建立的有限元模型。4.6.1 4.6.1 映射网格划分方法映射网格划分方法映射网格划分是对单元形状有限制，而且必须满足特映射网格划分是对单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射网格只包含四边形或三角

20、形单元，体单元只定的规则。映射网格只包含四边形或三角形单元，体单元只包含六面体单元。映射网格具有明显规则的形状，成排的单包含六面体单元。映射网格具有明显规则的形状，成排的单元。元。1划分面对像划分面对像2体对象体对象4.6.2 4.6.2 划分实体模型划分实体模型针对实体模型划分网格，生成节点和单元的网格划分针对实体模型划分网格，生成节点和单元的网格划分过程包括三个步骤：过程包括三个步骤：1定义单元属性定义单元属性2定义网格生成控制定义网格生成控制3生成网格生成网格4.6.3 4.6.3 有限元模型的修改有限元模型的修改划分完有限元网格后，检查建立的有限元模型是否能划分完有限元网格后，检查建立

21、的有限元模型是否能够满足分析的要求，如果不满足，则需要修改已经建立的有够满足分析的要求，如果不满足，则需要修改已经建立的有限元模型。常用的修改有限元模型的方法主要包括：限元模型。常用的修改有限元模型的方法主要包括：1局部细化网格局部细化网格2移动和复制节点和单元移动和复制节点和单元3控制面、线和单元的法向控制面、线和单元的法向4修改单元属性修改单元属性4.7 4.7 直接生成有限元模型直接生成有限元模型直接生成有限元模型的方法适合于，较简单的实体模直接生成有限元模型的方法适合于，较简单的实体模型的有限元分析问题。直接生成有限元模型实际上是直接定型的有限元分析问题。直接生成有限元模型实际上是直接

22、定义有限元模型中的节点和单元。对于一个简单模型，这是一义有限元模型中的节点和单元。对于一个简单模型，这是一种很直接方便的方法，但对于一个复杂的模型，采用这种方种很直接方便的方法，但对于一个复杂的模型，采用这种方法的数据量将非常大并且操作也非常繁琐。法的数据量将非常大并且操作也非常繁琐。4.7.1 4.7.1 节点节点采用直接生成有限元模型方法必须按照固定步骤来完采用直接生成有限元模型方法必须按照固定步骤来完成模型的创建。首先需要定义好节点，然后按照节点的顺序成模型的创建。首先需要定义好节点，然后按照节点的顺序构造单元。生成节点的方法：构造单元。生成节点的方法：1定义单个节点定义单个节点2从已定

23、义的节点派生另外的节点从已定义的节点派生另外的节点3查看和删除节点查看和删除节点4.7.2 4.7.2 单元单元本节介绍如何由节点生成单元的内容，具体包括以下本节介绍如何由节点生成单元的内容，具体包括以下内容：内容：1定义单元的前提条件定义单元的前提条件2设置单元属性设置单元属性3分配单元属性给单元的方法分配单元属性给单元的方法4定义单元的方法定义单元的方法5查看和删除单元查看和删除单元6从已有单元生成另外的单元从已有单元生成另外的单元7通过改变节点修改单元通过改变节点修改单元8通过改变单元属性修改单元通过改变单元属性修改单元4.7.3 4.7.3 通过节点和单元生成有限元模型通过节点和单元生成有限元模型本节以梁为例，说明如何通过节点和单元生成梁的有本节以梁为例，说