网格划分设计知识点汇总.doc
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1、一、网格设计而非划分在进行数值模拟计算(包括FEA、CFD等)中,网格的质量对分析计算的结果有至关重要的影响。高质量的网格是高精度分析结果的保证,而质量不好或者差的网格,则可能会导致计算的无法完成或者得到无意义的结果。划分网格是需要认真考虑的,它内部的计算方程需要设计出好的网格,计算才能更准确。在一个完整的分析计算过程中,与网格设计和修改相关的前处理工作占到了CAE工程师工作量的7080,CAE工程师往往要花费大量的时间来进行网格处理,真正用于分析计算的时间很少,所以主要的瓶颈在于如何快速准备好高质量的满足分析计算要求的网格。该项工作对技术人员的技术经验和背景有相当高的要求。具体的说,就是要求
2、前处理工程师能够根据CAE工程师提出的分析要求“设计”出能满足CAE工程师分析要求的合适的网格,然后提交给CAE工程师进行分析计算。之所以是网格“设计”而不是网格“划分”,说明了要设计出能够满足分析计算要求的高质量的网格,并不是一件容易的事情,要完成这项工作需要很多方面的知识和技术要求。针对一个具体的分析计算要求,要获得一个满足该分析计算的高质量网格,需要从以下几个方面进行综合考虑:1.分析计算的目的(定性还是定量?)。 2.分析计算的类型,如强度分析、刚度分析、耐久性分析、NVH分析、碰撞分析、CFD分析、热流分析、动力学响应分析等。(不同的分析类型对网格的质量和形状有不同的要求。)3.分析
3、计算的时间要求。(要求时间的紧迫与否也决定了采用何种网格形式) 4.分析计算所采用的求解器。(不同的求解器对不同的分析问题有特定的网格形式和要求) 5.分析计算可能应用的单元类型。(所应用的求解器可以采用的单元类型,也会决定网格的质量与形状要求) 6. 尽可能采用最好的网格类型。(对于面,尽可能采用四边形网格;对于体,尽可能采用六面体单元)由此可见,满足计算分析要求的高质量的网格是由前处理工程师精心“设计”出来的,而不是随随便便“划分”出来的。二、四面体和六面体单元比较本文只谈四面体和六面体选择的问题有限元工程师80%的工作可能都在于网格打交道,对于网格的划分及选择确实是,也必须是非常关心的问
4、题。网格划分的相关问题很多,比如薄壳的处理,一阶单元和二阶单元的选择,单元配合等等。目前,基本上大部分的有限元前处理软件都基本实现了对面单元的自动四边形划分,但是自动六面体单元还是一个难点,有些号称能够自动化六面体划分的,其实采用自欺欺人的办法(划分只有表面网格是六面体,但是扒开了看,里层多数还是采用四面体),能够自动划分出完美的六面体网格基本还是难题。相对于四面体,六面体的优势有:第一, 美。不要小看这一点,网格的美与否对结果的影响其实也是非常大的。划分网格就像打磨一件艺术品一样。“漂亮”的网格算出来正确结果的可能性绝对要比“糟糕的”网格大的多。第二, 理论上六面体的精度要比四面体高,这里只
5、谈一阶单元(二阶两者精度相当)。在有限元理论上也介绍的很明白,一阶四面体单元是属于常应变单元,所谓的常应变单元就是单元只存在一个应力和应变,没有应力梯度。而六面体单元则是梯度单元,只要不是缩减积分单元,单元内部是可以存在多个应力和应变积分点的,这样可以准确的描述梯度变化区域。也就意味着,如果是同等精度的话,六面体在应变梯度变化大的地方变形的更加合适。第三,同等模型尺寸下,六面体的节点数量要比四面体少得多。例如,50*75*50的立方体,5mm 的网格大小,如果在四面体下,节点数14658个,单元数9759,而在同等大小的尺寸的六面体下,节点数1936,单元数 1500。也就是说网格数量大幅度减
6、少。四面体的优点:四面体虽然在算法上好像优势不大,但是瑕不掩瑜。四面体本身可填充任何几何形状,这个特性是六面体无法比拟的。1、 网格划分快捷。这是四面体网格最大的特点,不管是什么类型的几何体,通常都可以一键操作,再复杂的结构,分分钟就能得到一个网格出来。对于复杂几何体来说,这是非常重要的,以前发动机分析,六面体网格,没有半个月的功夫,怎能完成,现在也就半天功夫。2、 网格修改方面。网格的修改体现在两个方面,第一,网格可以很容易随着外界CAD的变化而变化,如果是六面体网格,那工作量就大的去了。第二,网格可随处任意加密,也是一键操作。四面体这些属性,可以帮助四面体网格实现Adaptive Mesh
7、(自适应网格划分),让系统在应力梯度高的地方自动实现网格加密,这也是六面体网格无法想象的。3、 局部网格质量保证。为保证结果计算的准确性,CAE工程师会对网格质量有一定的要求,希望六面体能够尽量往正方体靠拢,而四面体则尽量接近等边四面体。但是对于某些薄壳,形状怪异之处,六面体根本是不可能做到的,而四面体则可以使得网格总体质量保证在一个可以接受的范围之内。4、 通用,节省成本。大多数的CAE软件都具备了自动划分四面体网格的功能,而且质量都还是相当的不错。对于复杂结构,比如上文所展示的活塞,想要变成六面体,必须的借助专门网格划分工具了,对于工程师来说要花时间学习,对于公司来说要增加采购成本。所以说
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