散文網(wǎng) » 生活 »日常 » ANSYS Workbench 局部網(wǎng)格控制

ANSYS Workbench 局部網(wǎng)格控制

2022-11-17 11:48 作者:dung一下 0人讀過 | 我要投稿

本文以Ansys Workbench 2022R1為基礎介紹，2020版本往后基本沒啥變化，2020版本以前的會有些許不同。

上期我們學習了ANSYS Workbench 全局網(wǎng)格控制，全局控制可通過Mesh分支來實現(xiàn)。

本期我們學習ANSYS Workbench 局部網(wǎng)格控制，局部控制通過Mesh局部網(wǎng)格控件來實現(xiàn)。局部網(wǎng)格控制主要用于細化仿真中比較關注的部位，同時對于存在大曲率、多連接相貫等位置處的網(wǎng)格進行細化處理，保證獲得質量較高的網(wǎng)格單元。局部網(wǎng)格控制工具通過右擊Mesh—Insert調出。局部網(wǎng)格控制包含了以下多個工具。

其中比較重要的是Method（網(wǎng)格劃分方法）、Sizing（網(wǎng)格尺寸調整）、Contact Sizing（接觸網(wǎng)格尺寸）、Refinement （細化加密）、Face Meshing（映射面網(wǎng)格）、Match Control（匹配控制）、Pinch（收縮）、Inflation （膨脹）。

1. Method （網(wǎng)格劃分方法）

1.1 Automatic （自動網(wǎng)格劃分）

程序基于幾何的復雜性，自動檢測實體，對可以掃掠的實體采用掃掠方法劃分六面體網(wǎng)格，對不能掃掠劃分的實體采用協(xié)調分片算法劃分四面體網(wǎng)格。自動劃分法是軟件默認的網(wǎng)格劃分技術，通常簡單的分析模型可以直接使用自動劃分技術，復雜模型為了獲得較高質量的網(wǎng)格，不建議直接自動劃分。

Element Order （單元的階）用來設置是否采用高階單元來劃分網(wǎng)格。低階、高階單元詳情請見上期的ANSYS Workbench 全局網(wǎng)格控制一文。

1.2 Tetrahedrons （四面體）

四面體網(wǎng)格劃分適用于幾乎所有幾何體，尤其是幾何模型比較復雜，無法直接生成六面體網(wǎng)格的模型。

優(yōu)點：適用于任意體，適應性強。能快速生成。在關鍵區(qū)域容易使用曲率和近距細化網(wǎng)格。可使用膨脹細化實體邊界的網(wǎng)格。

缺點：在近似網(wǎng)格密度下，單元節(jié)點數(shù)高于六面體網(wǎng)格。不能使網(wǎng)格在一個方向排列。不適合于薄實體或環(huán)形體。

四面體網(wǎng)格生成提供兩種算法，分別為協(xié)調修補算法/補丁適形（Patch Conforming）和獨立修補算法/補丁獨立（Patch Independent ）。

協(xié)調修補/補丁適形算法（Patch Conforming）基于自下而上的網(wǎng)格劃分技術，在劃分過程中充分考慮幾何體的微小特征，對于包含倒角、圓孔等特征的幾何模型也能獲得較好的網(wǎng)格質量；（考慮幾何的線和面生成表面網(wǎng)格，然后由表面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格）

獨立修補/補丁獨立算法（Patch Independent ）采用自上而下的網(wǎng)格劃分技術，由內而外，由體至面，劃分網(wǎng)格時忽略對幾何特征的處理，適合對網(wǎng)格尺寸要求較為統(tǒng)一的幾何模型。（先生成體網(wǎng)格，再映射到面和線產生表面網(wǎng)格）

對于獨立修補算法，在其詳細設置窗口中還可以設置容差值，對是否清除幾何體特征進行操作；另外通過Growth Rate控制網(wǎng)格生成速率，利用Refinement選項細化網(wǎng)格。網(wǎng)格細化可以通過基于特征位置處的曲率以及鄰近程度來控制，在曲率較大或者存在縫隙的地方采用較小的網(wǎng)格，最小單元通過Min Size Limit設置；網(wǎng)格生長率則用來控制內部網(wǎng)格形成的大小。

此處設置具體含義請見上期的ANSYS Workbench 全局網(wǎng)格控制一文。

1.3?Hex Dominant （六面體主導）

六面體主體法主要用于控制幾何體表面生成六面體網(wǎng)格，幾何內部如果無法劃分六面體網(wǎng)格，則采用四面體或者錐形網(wǎng)格代替，相比掃掠法，該方法可以用于略微復雜的無法進行掃掠劃分的幾何模型。如果幾何內部充滿四面體及椎體等網(wǎng)格，不能生成高質量的網(wǎng)格，則在模型無法直接掃掠的情況下才使用該方法。

六面體主導網(wǎng)格法先生成四邊形主導的面網(wǎng)格，然后再得到六面體，再按需要填充棱錐、棱柱和四面體單元。此方法對于不可掃掠的體，要得到六面體網(wǎng)格時被推薦；對內部容積大的體有用；對體積和表面積比小的薄復雜體無用；對于CFD無邊界層識別。

1.4?Sweep （掃掠網(wǎng)格）

對可以掃掠的實體在指定方向掃掠面網(wǎng)格，生成六面體單元或棱柱單元，掃掠劃分要求實體在某一方向上具有相同的拓撲結構，實體只允許一個目標面和一個源面，但薄壁模型可以有多個源面和目標面。

-當創(chuàng)建六面體網(wǎng)格時，先劃分源面再延伸到目標面

-其它面叫做側面

-掃掠方向或路徑由側面定義源面和目標面間的單元層是由插值法而建立并投射到側面

如何知道幾何體哪些部位能被Sweep？

右鍵樹形窗中的 Mesh—Show—Sweepable Bodies（可被掃掠體）”滿足條件的部位會變成綠色。注意：通過 Show —Sweepable Bodies 可能顯示沒有部位可以被Sweep的體。但我們仍舊可以手動設置來找到源面和目標面，另外源面和目標面不必是平面或平行面，也不必是等截面的。

在設置窗口中，Source和Target分別表示源面和目標面，通過設置Src/Trg Selection來指定源面和目標面的選擇方式，包含Automatic、Manual Source、Manual Source and Target、Automatic Thin和Manual Thin 5種，默認選擇Automatic。其中的Automatic Thin（自動薄壁掃略）和Manual Thin（手工薄壁掃略）用于對薄壁實體進行掃掠劃分。

Free Face Mesh Type用來指定自由面的單元類型，可以指定全部為三角形、四邊形或者三角形與四邊形的混合。Type用于限定掃掠的形式，可以按照劃分數(shù)量，也可以按照單元大小來進行，如果選擇Number of Divisions，則設置Sweep Num Divs（掃掠的層數(shù)），一般默認即可；如果選擇Element size，則定義Sweep Element Size（掃掠網(wǎng)格單元的尺寸）。

選擇薄壁掃掠劃分選項時，需指定Element Option附加選項，如下圖所示，這個附加選項用于選擇生成體單元(Solid)還是實體殼單元(Solid?Shell)。實體殼單元可以用于模擬變厚度殼體，是一種很實用的單元。

1.5?Multizone （多區(qū)網(wǎng)格劃分）

多區(qū)域法網(wǎng)格劃分技術是軟件自動將幾何體進行切塊，將幾何體自動歸類為映射區(qū)域和自由區(qū)域，其中映射區(qū)域存在可映射的拓撲形狀，能夠直接進行掃掠劃分；自由區(qū)域則無法進行掃掠劃分，用四面體或者其他椎體網(wǎng)格填充。

多區(qū)域法對映射區(qū)域和自由區(qū)域分別存在多種網(wǎng)格設置，其中映射區(qū)域劃分網(wǎng)格類型（Mapped Mesh Type）包括六面體（Hexa）、棱柱（Prism）以及兩者混合（Hexa/Prism），自由區(qū)域劃分網(wǎng)格類型包括四面體（Tetra、四面體及椎體混合（Tetra/Pyramid），六面體主導（Hexa Dominant）等。

對比掃掠和多區(qū)方法：

多區(qū)方法：自由分解方法；多個源面對多個目標面。

掃掠方法：單個源面對單個目標面的掃掠；很好地處理掃掠方向多個側面；需要分解幾何以致每個掃掠路徑對應一個體。

1.6?Cartesian （笛卡兒法）

用于生成六面體及棱柱網(wǎng)格，主要針對CFD而開發(fā)設計，該方法將對幾何邊界進行自動修改，但無法與其他方法同時使用。

1.7?Layered Tetrahedrons （分層四面體）

分層四面體網(wǎng)格方法基于指定的層高度在層中創(chuàng)建非結構化四面體網(wǎng)格，并使其適合幾何體。該方法可用于模擬增材制造中的打印過程，因為構建零件必須符合在全局Z方向上具有固定步長的網(wǎng)格。

2. Sizing（局部網(wǎng)格尺寸調整）

局部網(wǎng)格控制主要用于細化仿真中比較關注的部位，同時對于存在大曲率、多連接相貫等位置處的網(wǎng)格進行細化處理，保證獲得質量較高的網(wǎng)格單元。

通過插入Sizing控制局部網(wǎng)格尺寸的方式有四種，分別如下：

① Element size（單元大?。褐苯舆x擇希望細化的邊、面、實體，然后在該項中設置單元大小，生成較為均勻一致的網(wǎng)格。

②?Number of Divisions（分段數(shù)量）：定義邊的單元份數(shù)。

③ Sphere of Influence（球體影響范圍）：通過建立虛擬球體，對幾何體中包含在所見球體域內的部分進行局部細化，如下圖所示，建立局部球體，將單元網(wǎng)格設置為1mm劃分，可以看到包含在紅色球體域內的幾何實體被細化。

在進行影響球的局部網(wǎng)格劃分操作中，可以選擇只影響某一單獨面（要插入局部坐標系，球心為局部坐標系原點）

下表列出了選擇不同作用對象時所對應的屬性窗格中的選項。

當選擇 Element size 或 Number of Divisions 時，會出現(xiàn) Advanced 選項，包含 Behavior 和 Bias Type 。

①?Behavior 包含 Soft 和 Hard 兩個選項。

Soft 表示軟件參與計算，為保證網(wǎng)格質量，最后邊上的網(wǎng)格數(shù)量可能不等于設置的分段數(shù)。
Hard 表示強制按定義規(guī)則劃網(wǎng)，不需要軟件自動參與，最后邊上的網(wǎng)格數(shù)量嚴格等于設置的分段數(shù)。

②?Bias Type 偏置類型，提供了5種偏置方式。

1.先疏后密

2.先密后疏

3.中間稀疏兩邊密集

4.中間密集兩邊稀疏

5.不偏置（等分）

3. Contact Sizing 接觸網(wǎng)格尺寸

Contact Sizing主要控制接觸區(qū)域的幾何面的網(wǎng)格細化，當模型中存在接觸面時，通過插入Contact Sizing可以保證接觸面上的網(wǎng)格大小統(tǒng)一，有利于接觸面之間的求解計算和收斂。Contact Sizing控制方式有兩種，分別是Element Size和Relevance.

4. Refinement 網(wǎng)格細化

Refinement 針對幾何體的線和面進行操作，達到細化網(wǎng)格的目的。Refinement可選參數(shù)為1、2、3三個數(shù)，數(shù)值越大，作用的對象網(wǎng)格劃分越細。

5.?Face Meshing 映射面網(wǎng)格劃分

Face Meshing?映射可得到方向一致，分布均勻的高質量網(wǎng)格。但如果因為某些原因不能進行映射面網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分仍將繼續(xù)，但可從樹狀略圖的圖標上看出。右鍵單擊Mesh，可以通過Show高亮顯示進行Face Meshing的可映射幾何面。如下圖所示，其中高亮面為可映射面，其網(wǎng)格劃分明顯比其他面生成的網(wǎng)格更加規(guī)則。

6.?Match Control 匹配控制

Match Control常用于對具有陣列性、周期性拓撲形狀的網(wǎng)格結構進行劃分控制，如旋轉機械、渦輪等結構。定義此類劃分應在High Geometry Selection和Low Geometry Selection中指定模型的周期性邊界，同時定義旋轉的圓柱坐標系。

旋轉周期需要指定兩個周期面，同時指定旋轉軸。通常需要創(chuàng)建圓柱坐標系。

（1）創(chuàng)建圓柱坐標系

（2）創(chuàng)建Match并生成網(wǎng)格

7.?Pinch 收縮控制

Pich在劃分網(wǎng)格時將自動去除模型上面的微小特征，如小孔、細縫等。該控制方法僅對點和線起作用，對面和體不起作用。指定了Pinch控制后，滿足準則的小特征將被“擠”掉，Pinch Tolerance選項用于指定pinch操作的容差（小于此容差的小特征將被清除）。需要注意，該方法不支持笛卡兒法網(wǎng)格劃分。

以下網(wǎng)格方法支持收縮特性：

（1）Patch Conforming 四面體

（2）薄實體掃掠

（3）六面體控制劃分

（4）四邊形控制表面網(wǎng)格劃分

（5）所有三角形表面劃分

8.?Inflation 膨脹

Inflation被稱為膨脹控制，當分析項目中關注邊界位置處的結果時，尤其是對于流體分析中模擬不同邊界層之間的作用關系時，需要在邊界位置進行網(wǎng)格的細化，保證在邊界位置生成細化的高質量網(wǎng)格，可以采用Inflation進行參數(shù)控制。

Inflation設置有三種選擇，分別為Total Thickness、First Layer Thickness以及Smooth Transition，通過設置邊界位置膨脹的層數(shù)、厚度或者過渡等級實現(xiàn)較高質量網(wǎng)格的劃分。

①Geometry：作用的幾何體，上圖中選擇了整個幾何體；

②Boundary：邊界層所在的面（CFD 中就是流體場中對應的管壁，即物理參量變化很大的界面），上圖中選擇了整個幾何體的內表面，如紅色部分所示；

③Inflation Option-膨脹選項：

（a）Smooth Transition：平滑過渡（默認），使用局部四面體單元尺寸計算每個局部的初始高度和總高度以達到平滑的體積變化比。每個膨脹的三角形都有一個關于面積計算的初始高度，在節(jié)點處平均。這意味著對一均勻網(wǎng)格，初始高度大致相同，而對變化網(wǎng)格初始高度也是不同的；

（b）總厚度，用Number of Layers 的值和Growth Rate 控制以獲得 Maximum Thickness 值控制的總厚度。不同于 Smooth Transition 選項的膨脹，Total Thickness 選項的膨脹其第一膨脹層和下列每一層的厚度是常量；

（c）第一層厚度，用 First Layer Height，Maximum Layers 和 Growth Rate 控制生成膨脹網(wǎng)格。不同于 Smooth Transition 選項的膨脹，F(xiàn)irst Layer Thickness 選項的膨脹其第一膨脹層和下列每一層的厚度是常量。

④Transition Ratio：過渡比，指膨脹層最后單元層和四面體區(qū)域第一單元層間的體尺寸改變。當求解器設置為 CFX 時，默認的 Transition Ratio 是 0.77。對其它物理選項，如設置為Fluent 的 CFD，默認值是 0.272。（因為 Fluent 求解器是單元為中心的，其網(wǎng)格單元等于求解器單元，而 CFX 求解器是頂點為中心的，求解器單元是雙重節(jié)點網(wǎng)格構造的，因此會發(fā)生不同的處理）

⑤Maximum Layers：邊界層的層數(shù)；

⑥Growth Rate：指后一層比前一層厚幾倍，如設置成 1 則每一層的厚度都是一樣的。

⑦Inflation Algorithm：膨脹算法：

Pre：前處理，采用 TGrid 算法，為默認設置。首先表面網(wǎng)格膨脹，然后生成體網(wǎng)格。不支持鄰近面設置不同的層數(shù)，可應用于掃掠和 2D 網(wǎng)格劃分。

Post：后處理，ICEM CFD 算法，使用一種在四面體網(wǎng)格生成后作用的后處理技術，只對 Patching Conforming 和 Patch Independent 四面體網(wǎng)格有效。

上面解釋在 ANSYS Workbench 全局網(wǎng)格控制一文中有詳細介紹。

9.Gasket 墊圈

墊片作為結構部件之間的密封部件，通常非常薄，墊片可以是鋼這樣的彈塑性材料，也可以是橡膠這樣的超彈性材料，也可以是其他復合材料，在軟件中，墊片被假設為率不相關的。從力學的角度來看，墊片的作用是在配合部件之間傳遞力。墊片材料通常處于壓縮狀態(tài)。受壓材料表現(xiàn)出高度非線性。墊片材料也表現(xiàn)出相當復雜的卸載行為。墊片的主要變形通常局限于一個方向，即厚度方向。膜（平面內）和橫向剪切的剛度要小得多，并且可以忽略不計。

墊片可以通過以下兩種方式之一定義：

① 通過將“剛度行為”設置為“墊片”。在這種情況下，將在模型樹中添加墊片網(wǎng)格控件作為墊片主體的子對象。需要在“墊片網(wǎng)格控制”中定義墊片的源面，以定義墊片材料方向。還必須在“工程數(shù)據(jù)”中指定具有有效墊圈模型的材料。

② 通過將“剛度行為”設置為“柔性”。在這種情況下，需要在網(wǎng)格文件夾中定義墊片網(wǎng)格控件。網(wǎng)格文件夾中的墊圈網(wǎng)格控件可以應用于多個實體，因此如果有多個墊圈實體，此選項可能是設置墊圈的更方便的方法。還必須在“工程數(shù)據(jù)”中指定具有有效墊圈模型的材料。

Gasket具體使用下面視頻：

10.Weld 焊接

焊接控制允許您在焊接面（帳篷面和延伸面）、帳篷面和擴展面之間以及沿著帳篷面和延長面共享的邊焊接在一起的面上生成四元元素層。當選擇“源為網(wǎng)格”（Source as Mesh）并使用“曲線”（Curves）、“曲線和實體”（Curve and Bodies）或“曲線和面”（Curies and Faces）等選項創(chuàng)建時，將使用定義的“焊接曲線”（Weld Curve）在網(wǎng)格期間創(chuàng)建帳篷面和延伸面。這些面與在嚙合期間創(chuàng)建的焊接體相關聯(lián)。焊接主體在“幾何體”樹對象下可用。焊接主體名稱與焊接控件的名稱相同。每個焊接曲線將創(chuàng)建一個焊接體。

Type：允許您選擇焊接控制的類型?？捎妙愋桶ǎ?/p>

Intermittent Seam：連續(xù)接縫
Intermittent Seam：間歇接縫，可以進行不連續(xù)焊接

接下來是網(wǎng)格編輯功能，這些功能對提高網(wǎng)格劃分質量及網(wǎng)格編輯提供了方便快捷的途徑，雖然相比ANSA、HyperMesh等專業(yè)的網(wǎng)格劃分工具，其功能稍遜色一些，但是完全能夠滿足使用者對劃分完的網(wǎng)格進行設置及調整，以達到提高網(wǎng)格質量的目的。