第4章有限元網(wǎng)格劃分與模型

1、第第4 4章章 有限元網(wǎng)格劃分與模型建立有限元網(wǎng)格劃分與模型建立已經(jīng)建立的幾何模型，需要對其劃分網(wǎng)格，生成包含結(jié)已經(jīng)建立的幾何模型，需要對其劃分網(wǎng)格，生成包含結(jié)點和單元的有限元模型。有限元網(wǎng)格劃分過程包括以下三個點和單元的有限元模型。有限元網(wǎng)格劃分過程包括以下三個步驟：步驟：（1）設(shè)定單元屬性。包括單元類型、分配實常數(shù)或者截）設(shè)定單元屬性。包括單元類型、分配實常數(shù)或者截面屬性（對有些單元類型）、分配材料屬性等。面屬性（對有些單元類型）、分配材料屬性等。（2）設(shè)置網(wǎng)格控制（可選擇的）。）設(shè)置網(wǎng)格控制（可選擇的）。（3）生成網(wǎng)格。）生成網(wǎng)格。在在ANSYS里提供了自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格兩種網(wǎng)格。里提供

2、了自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格兩種網(wǎng)格。4.1 4.1 網(wǎng)格類型和應(yīng)用場合網(wǎng)格類型和應(yīng)用場合在對模型劃分網(wǎng)格之前，確定是采用自由網(wǎng)格還是采用映在對模型劃分網(wǎng)格之前，確定是采用自由網(wǎng)格還是采用映射網(wǎng)格進行有限元分析。自由網(wǎng)格對于單元形狀沒有限制，并射網(wǎng)格進行有限元分析。自由網(wǎng)格對于單元形狀沒有限制，并且對幾何模型沒有特定的要求；映射網(wǎng)格對其包含的單元形狀且對幾何模型沒有特定的要求；映射網(wǎng)格對其包含的單元形狀有限制，而且要求幾何模型必須滿足特定的規(guī)則，即必須有相有限制，而且要求幾何模型必須滿足特定的規(guī)則，即必須有相當規(guī)則的體或面，才能進行映射網(wǎng)格劃分。映射面網(wǎng)格只能包當規(guī)則的體或面，才能進行映射網(wǎng)格劃分。映

3、射面網(wǎng)格只能包含四邊形和三角形單元，映射體網(wǎng)格也只能包含六面體單元。含四邊形和三角形單元，映射體網(wǎng)格也只能包含六面體單元。一般情況下映射網(wǎng)格往往比自由網(wǎng)格得到的結(jié)果更加精確，而一般情況下映射網(wǎng)格往往比自由網(wǎng)格得到的結(jié)果更加精確，而且在求解時對且在求解時對CPU和內(nèi)存的需求也相對低些。和內(nèi)存的需求也相對低些。4.2 4.2 有限元網(wǎng)格劃分的主要指導(dǎo)思想有限元網(wǎng)格劃分的主要指導(dǎo)思想ANSYS網(wǎng)格劃分的指導(dǎo)思想是首先進行總體模型規(guī)劃，包括網(wǎng)格劃分的指導(dǎo)思想是首先進行總體模型規(guī)劃，包括物理模型的構(gòu)造、單元類型的選擇、網(wǎng)格密度的確定等多方面的物理模型的構(gòu)造、單元類型的選擇、網(wǎng)格密度的確定等多方面的內(nèi)容。

4、在網(wǎng)格劃分和初步求解時，要遵循先簡單后復(fù)雜，先粗后內(nèi)容。在網(wǎng)格劃分和初步求解時，要遵循先簡單后復(fù)雜，先粗后精，精，2D單元和單元和3D單元合理搭配使用的指導(dǎo)思想。為提高求解的效單元合理搭配使用的指導(dǎo)思想。為提高求解的效率，要充分利用重復(fù)與對稱等特征，由于工程結(jié)構(gòu)一般具有重復(fù)率，要充分利用重復(fù)與對稱等特征，由于工程結(jié)構(gòu)一般具有重復(fù)對稱或軸對稱、鏡象對稱等特點，采用子結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ模型可以提對稱或軸對稱、鏡象對稱等特點，采用子結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ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 有限元網(wǎng)格劃分的基本方法有限元網(wǎng)格劃分的基本方法由于分析問題的復(fù)雜性，所以有限元網(wǎng)格劃分很少一由于分析

5、問題的復(fù)雜性，所以有限元網(wǎng)格劃分很少一次性成功。最好在劃分前先保存數(shù)據(jù)庫。條件和時間允許的次性成功。最好在劃分前先保存數(shù)據(jù)庫。條件和時間允許的情況下應(yīng)盡量多試一些劃分網(wǎng)格劃分方案，以求得到精度和情況下應(yīng)盡量多試一些劃分網(wǎng)格劃分方案，以求得到精度和計算代價的均衡。有限元網(wǎng)格劃分方法一般可為自由網(wǎng)格劃計算代價的均衡。有限元網(wǎng)格劃分方法一般可為自由網(wǎng)格劃分、掃掠網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和混合網(wǎng)格劃分等方法。分、掃掠網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和混合網(wǎng)格劃分等方法。1自由網(wǎng)格劃分自由網(wǎng)格劃分2掃掠網(wǎng)格劃分掃掠網(wǎng)格劃分3映射網(wǎng)格劃分映射網(wǎng)格劃分4混合網(wǎng)格劃分混合網(wǎng)格劃分4.4 4.4 有限元單元屬性的設(shè)定有限元

6、單元屬性的設(shè)定有限元單元屬性的設(shè)定主要包括選擇單元類型、設(shè)置單有限元單元屬性的設(shè)定主要包括選擇單元類型、設(shè)置單元的實常數(shù)如面積（元的實常數(shù)如面積（AREA）、高度（）、高度（HEIGHT）、慣性矩（）、慣性矩（IZZ）、剪切變形常數(shù)（）、剪切變形常數(shù)（SHERZ）、初始應(yīng)變（）、初始應(yīng)變（ISTRAN）和）和單位長度質(zhì)量（單位長度質(zhì)量（ADDMAS）等。材料屬性設(shè)定，如楊氏模量）等。材料屬性設(shè)定，如楊氏模量、熱傳導(dǎo)率等，以及設(shè)定單元坐標系等任務(wù)。、熱傳導(dǎo)率等，以及設(shè)定單元坐標系等任務(wù)。4.4.1 4.4.1 選擇單元類型選擇單元類型ANSYS單元庫中提供了超過單元庫中提供了超過180種的不同單

7、元類型，每種單元種的不同單元類型，每種單元類型有一個特定的編號和一個標示單元類型的前綴，例如類型有一個特定的編號和一個標示單元類型的前綴，例如BEAM4表示表示4號梁單元，號梁單元，PLANE82表示表示82號板單元），號板單元），SOLID95表示表示95號號實體單元。單元類型決定了單元的結(jié)點數(shù)和自由度、單元位于二維實體單元。單元類型決定了單元的結(jié)點數(shù)和自由度、單元位于二維空間還是三維空間。在開始分析問題前，需要在通用處理器空間還是三維空間。在開始分析問題前，需要在通用處理器PREP7（預(yù)處理器）中定義單元類型。（預(yù)處理器）中定義單元類型。命令：命令：ETGUI：Main Menu|Prep

8、rocessor|Element Type|Add/Edit/Delete4.4.2 4.4.2 單元設(shè)置單元設(shè)置對應(yīng)于特定單元類型，每組實常數(shù)有一個參考號，與每組對應(yīng)于特定單元類型，每組實常數(shù)有一個參考號，與每組實常數(shù)對應(yīng)的參考號組成的表稱為實常數(shù)表。在創(chuàng)建單元時，實常數(shù)對應(yīng)的參考號組成的表稱為實常數(shù)表。在創(chuàng)建單元時，可以為要創(chuàng)建的單元分配實常數(shù)號。在分配實常數(shù)號時，要注可以為要創(chuàng)建的單元分配實常數(shù)號。在分配實常數(shù)號時，要注意實常數(shù)參考號和要創(chuàng)建單元的單元類型參考號的對應(yīng)性，這意實常數(shù)參考號和要創(chuàng)建單元的單元類型參考號的對應(yīng)性，這種對應(yīng)性是由用戶保證的，否則在劃分網(wǎng)格時將會報錯或出現(xiàn)種對應(yīng)性

9、是由用戶保證的，否則在劃分網(wǎng)格時將會報錯或出現(xiàn)不可預(yù)知的錯誤。單元設(shè)置可以采用如下命令：不可預(yù)知的錯誤。單元設(shè)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 材料屬性設(shè)定材料屬性設(shè)定絕大多數(shù)單元類型都需要定義材料屬性。根據(jù)應(yīng)用的絕大多數(shù)單元類型都需要定義材料屬性。根據(jù)應(yīng)用的不同，材料屬性可以有以下幾種：不同，材料屬性可以有以下幾種：線性或者非線性；線性或者非線性；彈性（各向同性、正交異性）或非彈性；彈性（各向同性、正交異性）或非彈性；不隨溫度變化或者隨溫度變化。不隨溫度變

10、化或者隨溫度變化。4.4.4 4.4.4 單元坐標系設(shè)定單元坐標系設(shè)定單元坐標系用來確定材料屬性的方向。用戶可以通過單元坐標系用來確定材料屬性的方向。用戶可以通過ANSYS幫助文檔中的單元類型描述來查看該單元的坐標系幫助文檔中的單元類型描述來查看該單元的坐標系方向。一般設(shè)置單元坐標系的方法如下：方向。一般設(shè)置單元坐標系的方法如下：命令：命令：LOCALGUI：Utility Menu|WorkPlane|Local Coordinate Systems|Create Local CS4.5 4.5 有限元網(wǎng)格劃分的控制方法有限元網(wǎng)格劃分的控制方法一般情況下，一般情況下，ANSYS使用默認的網(wǎng)格

11、控制，可以生成讓使用默認的網(wǎng)格控制，可以生成讓分析模型滿足要求的網(wǎng)格。如果生成的網(wǎng)格不能滿足要求，則分析模型滿足要求的網(wǎng)格。如果生成的網(wǎng)格不能滿足要求，則必須在對模型劃分網(wǎng)格前設(shè)定網(wǎng)格劃分控制，如單元形狀、中必須在對模型劃分網(wǎng)格前設(shè)定網(wǎng)格劃分控制，如單元形狀、中間結(jié)點位置、單元大小等。間結(jié)點位置、單元大小等。4.5.1 4.5.1 有限元網(wǎng)格劃分工具有限元網(wǎng)格劃分工具網(wǎng)格工具提供了最常用的網(wǎng)格劃分控制和最常用的網(wǎng)網(wǎng)格工具提供了最常用的網(wǎng)格劃分控制和最常用的網(wǎng)格劃分操作。從主菜單中選擇格劃分操作。從主菜單中選擇Preprocessor|Meshing|Mesh Tool菜單，打開網(wǎng)格劃分工具，一

12、旦打開了它，它就保持打菜單，打開網(wǎng)格劃分工具，一旦打開了它，它就保持打開狀態(tài)直到單擊關(guān)閉它或離開預(yù)處理器（開狀態(tài)直到單擊關(guān)閉它或離開預(yù)處理器（PREP7）為止。）為止。4.5.2 4.5.2 選擇自由或映射網(wǎng)格劃分選擇自由或映射網(wǎng)格劃分自由網(wǎng)格劃分操作，對實體模型無任何特殊要求，即自由網(wǎng)格劃分操作，對實體模型無任何特殊要求，即使是不規(guī)則的，也可以進行網(wǎng)格劃分。使是不規(guī)則的，也可以進行網(wǎng)格劃分。面的自由網(wǎng)格劃分：自由網(wǎng)格可以是三角形或者是四面的自由網(wǎng)格劃分：自由網(wǎng)格可以是三角形或者是四邊形單元組成，也可由兩者混合組成，當面邊界上總的單元邊形單元組成，也可由兩者混合組成，當面邊界上總的單元劃分數(shù)目

13、為偶數(shù)時，面的自由網(wǎng)格將全部生成四邊形網(wǎng)格，劃分數(shù)目為偶數(shù)時，面的自由網(wǎng)格將全部生成四邊形網(wǎng)格，當單元劃分數(shù)目為奇數(shù)時將可能生成三角形單元。當單元劃分數(shù)目為奇數(shù)時將可能生成三角形單元。體的自由網(wǎng)格：只能包含四面體單元（三棱錐）。體的自由網(wǎng)格：只能包含四面體單元（三棱錐）。4.5.3 4.5.3 單元屬性分配設(shè)置單元屬性分配設(shè)置1為實體模型圖元分配單元屬性為實體模型圖元分配單元屬性2修改單元屬性修改單元屬性4.5.4 4.5.4 單元尺寸控制單元尺寸控制針對網(wǎng)格單元的尺寸控制，可以通過指定所有線上的份數(shù)決定單針對網(wǎng)格單元的尺寸控制，可以通過指定所有線上的份數(shù)決定單元的尺寸，它可以考慮線的曲率，孔

14、洞的接近程度和其它特征，以及單元的尺寸，它可以考慮線的曲率，孔洞的接近程度和其它特征，以及單元階次。單擊元階次。單擊MeshTool菜單條（菜單條（Preprocessor | MeshTool），打開智能），打開智能網(wǎng)格劃分，設(shè)置需要的尺寸級別，或使用網(wǎng)格劃分，設(shè)置需要的尺寸級別，或使用SMRT，Level命令。尺寸級別命令。尺寸級別的范圍從的范圍從1（精細）到（精細）到10（粗糙），默認級別為（粗糙），默認級別為6。對所有體（或所有面。對所有體（或所有面）一次劃分網(wǎng)格，將優(yōu)越于逐個地劃分網(wǎng)格。）一次劃分網(wǎng)格，將優(yōu)越于逐個地劃分網(wǎng)格。4.5.5 4.5.5 局部網(wǎng)格劃分控制局部網(wǎng)格劃分控制1

15、總體單元尺寸總體單元尺寸2默認尺寸默認尺寸4.5.6 4.5.6 內(nèi)部網(wǎng)格劃分控制內(nèi)部網(wǎng)格劃分控制網(wǎng)格劃分尺寸通常集中在實體模型邊界的外部單元尺網(wǎng)格劃分尺寸通常集中在實體模型邊界的外部單元尺寸定義上。然而，也可以在內(nèi)部沒有可以引導(dǎo)網(wǎng)格劃分的尺寸定義上。然而，也可以在內(nèi)部沒有可以引導(dǎo)網(wǎng)格劃分的尺寸線處控制網(wǎng)格劃分。可以用下列方法實現(xiàn)：寸線處控制網(wǎng)格劃分。可以用下列方法實現(xiàn)：命令：命令：MOPT。GUI：Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|Manual Size|Area Cntrls。4.5.7 4.5.7 細化網(wǎng)格控制細化網(wǎng)格控制在在Refin

16、e at下拉列表框中選擇網(wǎng)格細化的對象，可以再下拉列表框中選擇網(wǎng)格細化的對象，可以再單元上細化，也可以在節(jié)點、關(guān)鍵點上細化，還可以在線、單元上細化，也可以在節(jié)點、關(guān)鍵點上細化，還可以在線、面上細化。對應(yīng)的命令如下：面上細化。對應(yīng)的命令如下：在某個面對象上進行細化：在某個面對象上進行細化：AREFINE。在某個線對象上進行細化：在某個線對象上進行細化：LREFINE。在某個關(guān)鍵點對象上進行細化：在某個關(guān)鍵點對象上進行細化：KREFINE。在某個單元對象上進行細化：在某個單元對象上進行細化：EREFINE。在某個點對象上進行細化：在某個點對象上進行細化：NREFINE。4.5.8 4.5.8 網(wǎng)格

17、質(zhì)量控制網(wǎng)格質(zhì)量控制網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響計算精度。壞的網(wǎng)格會終止計算。一般情況下，網(wǎng)格面不響計算精度。壞的網(wǎng)格會終止計算。一般情況下，網(wǎng)格面不過分扭曲、各邊或各內(nèi)角相差不大、邊節(jié)點位于邊界等分點過分扭曲、各邊或各內(nèi)角相差不大、邊節(jié)點位于邊界等分點附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格形狀在大多數(shù)情況下應(yīng)該與所選附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格形狀在大多數(shù)情況下應(yīng)該與所選擇的單元相一致。擇的單元相一致。4.5.9 4.5.9 細小結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分細小結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分對一些幾何體上面的細小結(jié)構(gòu)，例如孔洞，如何進行對一些幾何體上面的細小結(jié)構(gòu)，例如孔洞，

18、如何進行網(wǎng)格劃分取決于對該結(jié)構(gòu)分析的目的，必須對結(jié)構(gòu)的預(yù)期行網(wǎng)格劃分取決于對該結(jié)構(gòu)分析的目的，必須對結(jié)構(gòu)的預(yù)期行為有足夠的理解，從而可以以對模型應(yīng)包含多少細節(jié)做出適為有足夠的理解，從而可以以對模型應(yīng)包含多少細節(jié)做出適當?shù)臎Q定。例如一些小的細節(jié)對分析來說不重要，就不必在當?shù)臎Q定。例如一些小的細節(jié)對分析來說不重要，就不必在模型中體現(xiàn)，使模型結(jié)構(gòu)簡化，如果小的細節(jié)會產(chǎn)生最大應(yīng)模型中體現(xiàn)，使模型結(jié)構(gòu)簡化，如果小的細節(jié)會產(chǎn)生最大應(yīng)力，則此處必須進行精細的網(wǎng)格劃分。力，則此處必須進行精細的網(wǎng)格劃分。4.6 4.6 實體模型的網(wǎng)格劃分實體模型的網(wǎng)格劃分本節(jié)講述的實體模型網(wǎng)格劃分的重點是映射網(wǎng)格劃分本節(jié)講述的

19、實體模型網(wǎng)格劃分的重點是映射網(wǎng)格劃分的操作和如何對實體模型進行網(wǎng)格劃分。劃分實體模型包括的操作和如何對實體模型進行網(wǎng)格劃分。劃分實體模型包括定義單元、屬性定義網(wǎng)格生成控制和生成網(wǎng)格等過程，劃分定義單元、屬性定義網(wǎng)格生成控制和生成網(wǎng)格等過程，劃分完有限元網(wǎng)格后，如果生成的有限元模型不能滿足分析的要完有限元網(wǎng)格后，如果生成的有限元模型不能滿足分析的要求，可以修改已經(jīng)建立的有限元模型。求，可以修改已經(jīng)建立的有限元模型。4.6.1 4.6.1 映射網(wǎng)格劃分方法映射網(wǎng)格劃分方法映射網(wǎng)格劃分是對單元形狀有限制，而且必須滿足特映射網(wǎng)格劃分是對單元形狀有限制，而且必須滿足特定的規(guī)則。映射網(wǎng)格只包含四邊形或三角

20、形單元，體單元只定的規(guī)則。映射網(wǎng)格只包含四邊形或三角形單元，體單元只包含六面體單元。映射網(wǎng)格具有明顯規(guī)則的形狀，成排的單包含六面體單元。映射網(wǎng)格具有明顯規(guī)則的形狀，成排的單元。元。1劃分面對像劃分面對像2體對象體對象4.6.2 4.6.2 劃分實體模型劃分實體模型針對實體模型劃分網(wǎng)格，生成節(jié)點和單元的網(wǎng)格劃分針對實體模型劃分網(wǎng)格，生成節(jié)點和單元的網(wǎng)格劃分過程包括三個步驟：過程包括三個步驟：1定義單元屬性定義單元屬性2定義網(wǎng)格生成控制定義網(wǎng)格生成控制3生成網(wǎng)格生成網(wǎng)格4.6.3 4.6.3 有限元模型的修改有限元模型的修改劃分完有限元網(wǎng)格后，檢查建立的有限元模型是否能劃分完有限元網(wǎng)格后，檢查建立

21、的有限元模型是否能夠滿足分析的要求，如果不滿足，則需要修改已經(jīng)建立的有夠滿足分析的要求，如果不滿足，則需要修改已經(jīng)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局部細化網(wǎng)格局部細化網(wǎng)格2移動和復(fù)制節(jié)點和單元移動和復(fù)制節(jié)點和單元3控制面、線和單元的法向控制面、線和單元的法向4修改單元屬性修改單元屬性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適合于，較簡單的實體模直接生成有限元模型的方法適合于，較簡單的實體模型的有限元分析問題。直接生成有限元模型實際上是直接定型的有限元分析問題。直接生成有限元模型實際上是直接

22、定義有限元模型中的節(jié)點和單元。對于一個簡單模型，這是一義有限元模型中的節(jié)點和單元。對于一個簡單模型，這是一種很直接方便的方法，但對于一個復(fù)雜的模型，采用這種方種很直接方便的方法，但對于一個復(fù)雜的模型，采用這種方法的數(shù)據(jù)量將非常大并且操作也非常繁瑣。法的數(shù)據(jù)量將非常大并且操作也非常繁瑣。4.7.1 4.7.1 節(jié)點節(jié)點采用直接生成有限元模型方法必須按照固定步驟來完采用直接生成有限元模型方法必須按照固定步驟來完成模型的創(chuàng)建。首先需要定義好節(jié)點，然后按照節(jié)點的順序成模型的創(chuàng)建。首先需要定義好節(jié)點，然后按照節(jié)點的順序構(gòu)造單元。生成節(jié)點的方法：構(gòu)造單元。生成節(jié)點的方法：1定義單個節(jié)點定義單個節(jié)點2從已定

23、義的節(jié)點派生另外的節(jié)點從已定義的節(jié)點派生另外的節(jié)點3查看和刪除節(jié)點查看和刪除節(jié)點4.7.2 4.7.2 單元單元本節(jié)介紹如何由節(jié)點生成單元的內(nèi)容，具體包括以下本節(jié)介紹如何由節(jié)點生成單元的內(nèi)容，具體包括以下內(nèi)容：內(nèi)容：1定義單元的前提條件定義單元的前提條件2設(shè)置單元屬性設(shè)置單元屬性3分配單元屬性給單元的方法分配單元屬性給單元的方法4定義單元的方法定義單元的方法5查看和刪除單元查看和刪除單元6從已有單元生成另外的單元從已有單元生成另外的單元7通過改變節(jié)點修改單元通過改變節(jié)點修改單元8通過改變單元屬性修改單元通過改變單元屬性修改單元4.7.3 4.7.3 通過節(jié)點和單元生成有限元模型通過節(jié)點和單元生成有限元模型本節(jié)以梁為例，說明如何通過節(jié)點和單元生成梁的有本節(jié)以梁為例，說