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导读：网格划分是有限元分析前处理的重要环节。通常来讲，需要首要设置网格掌控选项，而后再进行网格划分。在ANSYS Mechanical界面中，网格划分的掌控选项可分为总体掌控和局部掌控两大类。总体掌控可经过Mesh分支来实现，局部掌控经过Mesh分支上下文菜单或Mesh工具栏实现。本文将向读者伴侣介绍ANSYS Workbench结构分析中的常用网格划分选项及其功效原理。更加多关联内容，能够关注尚晓江博士等编著的《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》（中国水利水电出版社，2020年版）。
1、网格划分总体掌控选项
网格划分总体掌控选项经过Mesh分支的Details选项进行设置，如下图所示。
常用的总体掌控包含Defaults、Sizing、Quality、Advanced等，Quality为网格质量评估信息，感兴趣的读者能够参考之前发布的文案：ANSYS Mechanical中的网格质量评估办法与应用。Inflation选项多用于CFD边界层的网格掌控，在结构分析中较少使用。Statistics为网格统计信息，如节点总数、单元总数等。下面对Defaults、Sizing及Advanced等总体选项进行介绍。
1、Defaults总体掌控选项
如下图所示，Defaults是网格划分的缺省选项。
其中Element Order用于掌控单元的阶数（老版本中为Element Midside Nodes选项），能够选取Program Controlled、Linear或Quadratic。针对实体结构一般会自动选取二次的186和187单元。Element Size用于设置缺省的总体网格尺寸，直接定义一个数值就可。Mechanical旧版本中是经过Relevance选项设置总体网格相对尺寸的，新版本已然再也不采用。
2、Sizing总体掌控选项
Sizing包括网格划分总体尺寸掌控，详细选项与Use Adaptive Sizing设置相关。当Use Adaptive Sizing设置为Yes（缺省）时的尺寸选项如下图所示。
当Use Adaptive Sizing设置为No时的尺寸选项如下图所示。
下面对Sizing总体掌控选项作简单的说明。
①Use Adaptive Sizing选项。
此选项用于掌控自适应尺寸选项，缺省为Yes。
②Resolution选项。
当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时显现，在0~7范围内选取，由0至7网格越来越密。
③Growth Rate和Max Size选项。
当Use Adaptive Sizing选项设为No时显现。Growth Rate暗示相邻两层单元的边长增长率。Max Size为最大单元尺寸，可运用缺省值或用户指定的值。
④Mesh Defeaturing和Defeature Size选项。
Mesh Defeaturing选项用于设置细节特征的消除，缺省为Yes且需要指定Defeature Size值。Defeature Size值为一个正数，用户能够指定详细的数值。几何小特征清除支持的网格划分办法包含：3D实体划分的Patch Conforming Tetrahedron、Patch Independent Tetrahedron、MultiZone、Thin Sweep、Hex Dominant以及表面网格划分的Quad Dominant、All Triangles、MultiZone Quad/Tri等。针对Patch Independent Tetrahedron、MultiZone和MultiZone Quad/Tri划分办法，在这儿指定的Defeature Size将会填充到办法局部掌控选项中，倘若后续修改了局部掌控，则局部掌控将改写此处指定的总体Defeature Size。
⑤Transition选项
当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时显现，用于影响临近单元的尺寸过渡速率，可选取Slow或Fast，设为Slow将形成光滑过渡的网格，而设为Fast 则尺寸过渡较为忽然。
⑥Span Angle Center
Span Angle Center选项仅当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时显现，用于设置运用Adaptive Size Function时基于曲率的细化目的。针对曲线区域，网格将沿曲率再分直到单个单元跨过这个方向。Coarse选项一个单元最大跨过方向90度，Medium选项一个单元最大跨过方向75度，Fine选项一个单元跨过最大方向为36度。这儿单元跨越的方向指的是法向方向的改变量，如下图所示的α。
⑦Initial Size Seed
仅当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时显现，此选项用于掌控各部件的初始网格尺寸播种，可选取Assembly或Part选项，其中缺省选项为Assembly。Assembly暗示基于包括所有部件的对角线范围；Part选项基于单一部件范围，一般可能会引起更精细的网格。
⑧Capture Curvature选项
Capture Curvature选项为曲率捉捕选项，仅当Use Adaptive Sizing选项设为No时显现。当Capture Curvature选项设置为Yes时，可指定Curvature Min Size和Curvature Normal Angle参数。Curvature Min Size为曲率周边的最小尺寸，Curvature Normal Angle为单元法向的最大跨角，网格将细化有曲率的区域直至单个单元跨过此方向，其道理与Span Angle Center中的法向方向改变量相同。
⑨Capture Proximity选项
当Use Adaptive Sizing选项设为No时显现。设置此选项为Yes时，可指定Proximity Min Size和Num Cells Across Gap参数。Proximity Min Size为间隙周边的最小单元尺寸，Num Cells Across Gap指定在狭窄的间隙中的单元数。Proximity Size Function Sources则决定面和边之间的哪个区域是proximity Size Function起功效的区域，可指定边（Edges）、面（Faces）或面和边（Faces and Edges）。指定为Edges时，仅边之间的狭窄面区域的网格被细化，而指定为Faces时，仅距离相近的表面之间的体积被细化。
3、Advanced总体掌控选项
Advanced部分供给了有些网格的高级总体掌控选项，如下图所示。
①Number of CPUs for Parallel Part Meshing
此选项用于设置并行部件分网运用的处理器个数。可选取0到256之间的数值。
②Straight Sided Elements
Straight Sided Elements选项用于指定单元为直边，可选取Yes或No，此选项可影响二次单元（Element Order设为Quadratic时）中间节点的安置。如下图(a)所示，设置此选项为Yes，所形成的二次单元均拥有直边。如下图(b)所示，设置此选项为No，则形成的单元均拥有曲边。
③Rigid Body Behavior
此选项用于指定刚体的网格划分选项，倘若Geometry分支下无被设置为刚性的体，则此选项为不可编辑状态。通常结构分析中缺省为Dimensionally Reduced，仅形成表面接触网格。
④Triangle Surface Mesher
此选项控制patch conforming划分办法将运用哪一种三角形面网格划分策略。可选取的选项包含Program Controlled以及Advancing Front。通常来讲，advancing front 算法可供给更平滑的尺寸变化和更好的skewness以及orthogonal quality指标。
⑤Topology Checking
此选项掌控在patch independent划分办法后续是不是执行拓扑检测。缺省选取No，patch independent办法试图捉捕到受守护的拓扑并进行印记，但当网格尺寸过粗或因为受到限制不可捉捕特征时，跳过拓扑检测。选取Yes时，网格划分后运行拓扑检测以确保网格与受守护拓扑的正确相关，倘若网格不可与拓扑特征正确相关就会报错。支持拓扑检测的网格划分办法包含3D的Patch Independent Tetra、MultiZone以及2D的MultiZone Quad/Tri、Quadrilateral Dominant、Triangles。
⑥Pinch
此选项用于在网格中忽略小的几何特征，以便在这些特征周边生成质量更好的单元。指定了Pinch掌控后，满足准则的小特征将被“挤”掉。Pinch Tolerance选项用于指定pinch操作的容差（少于此容差的小特征将被清除）。
2、网格划分的局部掌控选项
网格局部掌控重点包含网格划分办法掌控以及局部尺寸掌控，亦包括有些其他的局部掌控，这些掌控能够经过Mesh分支的鼠标右键菜单Insert来添加，如下图所示。本文将着重介绍其中在结构分析中较为常用的局部掌控选项。
1、网格划分办法掌控选项
网格划分办法（Method）是最常用的局部掌控选项，在Mesh分支的右键菜单中选取Insert>Method，可在Mesh分支下添加网格划分办法掌控分支，此分支的缺省名叫作为“Automatic Method”，即：自动网格划分，此时Mechanical缺省采用Automatic办法划分网格，此办法试图对可扫略划分的体进行扫略（Sweep）划分，而对不可扫略的体采用四面体划分（Patch Conforming办法）。在Automatic Method网格划分办法的Details中，首要选取几何对象并在Geometry选项中单击Apply，在Method选项的下拉列表中选取网格划分办法，如下图所示。倘若选取了其他网格划分办法，Method分支的名叫作随之改变。
Mechanical中供给了五种适合于结构分析的网格划分办法，每一种划分办法（Method）及其技术简介列于表1中。
以上各样划分办法的详细选项均比较直观，这儿再也不逐一讲解，仅针对Sweep划分办法作简单的说明。Sweep办法的Src/Trg Selection选项用于选取源面以及目的面，可经过下拉列表选取，如下图所示，有5种可供选取的选项，其中的Automatic Thin（自动薄壁扫略）和Manual Thin（手工薄壁扫略）用于对薄壁实体进行扫掠划分。
选取薄壁扫掠划分选项时，需指定Element Option附加选项，如下图所示，这个附加选项用于选取生成体单元（SOLID）还是实体壳单元（SOLID SHELL）。实体壳单元能够用于模拟变厚度壳体，是一种很实用的单元。
2、局部尺寸掌控选项
局部的尺寸掌控选项包含针对几何对象的尺寸掌控、接触区域的网格尺寸掌控以及局部加密掌控。
①几何对象尺寸
在Mesh分支的鼠标右键菜单中选取Insert>Sizing，在Mesh分支下添加Sizing分支。Sizing分支用于对几何对象的网格划分尺寸进行掌控。在Sizing分支的Details中选取区别的几何对象类型，Sizing分支会按照所选取的对象类型自动改变名叫作，例如：Vertex Sizing、Edge Sizing、Face Sizing、Body Sizing。
对各样Sizing掌控，按照其Type选项的区别，有两种区别的设置方式。如下图所示，选取Type为Element Size时，可直接指定单元尺寸Element Size。Behavior选项选取Hard将比Soft采用更加严格的尺寸掌控。
如下图所示，选取Type为Sphere of Influence（影响球），经过定义影响球的球心（指定坐标系，其原点做为球心）及其半径，再指定影响球内的Element Size，此时尺寸掌控仅功效于影响球的半径范围内。
利用影响球能够仅在关注的区域内细分单元，而不消在全域上细分，如下图所示。
②接触区域网格尺寸ContactSizing
在Mesh分支的鼠标右键菜单中选取Insert> Contact Sizing，或拖拉一个Contact Region分支到Mesh分支上，都将在Mesh分支下形成一个Contact Sizing分支，此分支用于在接触区域两侧表面形成相对一致尺寸的单元。ContactSizing能够经过ElementSize方式或Relevance方式掌控接触区域的网格尺寸。选取Element Size方式时需要指定一个详细的单元尺寸数值，而选取Relevance方式时则经过指定Relevance值设置一个接触区域的相对单元尺寸, Relevance数值在-100到100之间变化，越接近-100网格越粗，反之越接近100则网格越细。
③Refinement
在Mesh分支的右键菜单中选取Insert>Refinement，在Mesh分支添加Refinement分支，能够用于网格加密设置。Refinement 的Details如下图所示，Scope部分的Geometry选项用于选取需要加密的局部几何对象，Definition部分的Refinement选项用于指定最大加密次数，可选取1到3之间。
3、其他的局部掌控选项
经过Mesh分支的鼠标右键菜单，还能够添加其他的局部掌控选项，下面对这些掌控选项作简单的介绍。
①Face Meshing Control
选取Mesh分支的右键菜单Insert>FaceMeshing，能够在Mesh分支下加入Face Meshing分支，此分支用于生成面上的映射网格，改善表面网格的质量。Face Meshing支持的网格划分办法包含3D的Sweep、Patch ConformingTetrahedron、Hex Dominant、MultiZone以及2D的QuadrilateralDominant、Triangles和MultiZone Quad/Tri。下图为表面映射网格和自由网格的对比，显然，添加了FaceMeshing Control的网格质量更好。
②Match Control
MatchControl选项用于匹配两个或多个面上的网格，支持运用MatchControl的网格划分办法包含3D的Sweep、PatchConforming、MultiZone以及2D的QuadDominant和AllTriangles。运用MatchControl时，选取Mesh分支，在其右键菜单中选取Insert>Match Control，在Mesh分支下添加一个MatchControl分支，而后在其Details中进行关联选项设置。按照Details中Transformation选项的区别，有cyclic和arbitrary两种类型的匹配掌控选项。
（1）cyclic类型的选项设置
针对ScopingMethod为GeometrySelection需指定High和Low的几何对象，针对ScopingMethod为NamedSelection需指定HighBoundary和LowBoundary。Transformation选项选取为Cyclic，在Axisof Rotation选取一个坐标系，其z轴与几何旋转轴一致。
（2）arbitrary类型的选项设置
针对ScopingMethod为GeometrySelection需指定High和Low的几何对象，针对ScopingMethod为NamedSelection需指定HighBoundary和LowBoundary。Transformation选项选取为Arbitrary，High Coordinate System和Low Coordinate System分别选取对应于High和Low边界的局部坐标系。
③Pinch Control
除总体掌控中的自动pinch掌控外，还可经过Mesh分支的鼠标右键菜单中Insert> inch添加Pinch分支，进行局部pinch掌控，其Details如下图所示。在Pinch分支的Details需要定义Master Geometry（保存的几何）和Slave Geometry（被简化的特征），被选取的Master Geometry和Slave Geometry分别表示为红色和蓝色，倘若需要可改变Tolerance（缺省值为总体的Pinch Tolerance）。
综上所述，以上就ANSYS Workbench结构分析网格划分的总体和局部掌控选项进行认识析。更加多Workbench 高级结构分析理论与应用技术细节，举荐小伙伴们参考尚晓江博士等编著的《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》（中国水利水电出版社，2020年版）。
（完）
作者简介：尚晓江，仿真秀金牌讲师，工学博士，力学和有限元分析理论功底扎实，长时间从事ANSYS软件应用与技术咨询工作，累计为国内用户开展培训或讲座逾3000人次，编著有《ANSYS结构有限元高级分析办法与范例应用（第三版）》、科研生教材《工程结构优化设计办法与应用》、《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》等。
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发表于 2024-10-2 19:35:24