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1、ANSYS网格划分简介,ANSYS网格划分应用程序概述,Workbench中ANSYS Meshing应用程序的目标是提供通用的 网格划分格局。网格划分工具可以在任何分析类型中使用:FEA Simulations结构动力学分析显示动力学分析AUTODYNANSYS LS DYNA电磁分析CFD 分析ANSYS CFXANSYS FLUENT,网格详述,目的对 CFD(流体)和FEA(结构)模型实现离散化。划分网格的目的是把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元.3D网格的基本形状有:,集流管例子:热应力气流分析的外部铸件和内部流体的网格划分,四面体(非结构化网格),六面体(通常为结构化网格)
2、,棱柱(四面体网格被拉伸时形成),棱锥(四面体和六面体之间的过渡),网格详述,需考虑的事项,细节:多少几何细节是和物理分析有关的不必要的细节会大大增加分析需求细化哪些是复杂应力梯度区域？这些区域需要高密度的网格.,有必要划分这里的网格吗？,流体边界层的网格,在螺栓孔附近进行网格细化,网格详述,质量复杂几何区域的网格单元会变扭曲。劣质的单元会导致劣质的结果，或者在某些情况无结果!有很多方法来检查单元网格质量(mesh metrics*)。例如，一个重要的度量是单元畸变度（Skewness）。畸变度是单元相对其理想形状的相对扭曲的度量，是一个值在0(极好的)到1(无法接受的)之间的比例因子.,*更
3、多检查网格的信息在培训讲稿的附录文件中。,CFD网格划分问题,CFD网格细化网格来捕捉关心的梯度例如.速度,压力,温度,等.网格的质量和平滑度对结果的精确度至关重要这导致较大的网格数量,经常数百万的单元大部分可划分为四面体网格,但六面体单元仍然是首选的CFD网格的四面体单元通常是一阶的(单元边上不包含中节点),网格类型,四面体网格和四面体/棱柱混合网格,网格类型,六面体网格,网格划分程序,为方便使用创建命名选项设置目标物理环境(结构,CFD,等)。自动生成相关物理环境的网格(如 FLUENT,CFX,或 Mechanical)设定网格划分方法定义网格设置(尺寸,控制,膨胀,等.)预览网格并进行
4、必要调整生成网格检查网格质量准备分析的网格,ANSYS网格划分应用程序流程,ANSYS网格划分应用程序使用分割 的方法几何体的各个部件可以使用不同的网格划分方法不同部件的体的网格可以不匹配或不一致单个部件的体的网格匹配或一致所有网格将写入共同的中心数据库3D 和2D 几何存在很多不同的网格划分方法,网格划分方法,3D 几何网格划分方法,3D 几何有六种不同网格划分方法:自动划分四面体 Patch ConformingPatch Independent(ICEM CFD Tetra algorithm)扫掠划分 多区 六面体支配的 CFX-网格,2D几何网格划分方法,面体或壳2D几何有四种不同网
5、格划分方法:自动的(四边形支配)三角形 均匀四边形和三角形 均匀四边形,几何要求,所有的3D 网格划分方法要求组成的几何为实体如果输入一个由面体组成的几何，需要在ANSYS网格划分应用程序中生成3D网格，就需要额外的步骤将其转换为3D 实体(尽管表面体可以由表面网格划分法来划分),四面体网格,优点任意体总可以用四面体网格可以快速,自动生成,并适用于复杂几何在关键区域容易使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格可使用膨胀细化实体边界附近的网格(边界层识别)缺点在近似网格密度情况下，单元和节点数高于六面体网格一般不可能使网格在一个方向排列由于几何和单元性能的非均质性，不适合于薄实体或环形体,Patch
6、Conforming 四面体,Patch Conforming 算法的四面体方法考虑面和它们的边界(边和顶点)包含膨胀因子的设定,控制四面体边界尺寸的内部增长率包括CFD的膨胀层或边界层识别同一个组建中可和体扫掠方法混合使用 产生一致的网格,四面体网格,扫掠网格,单元形状,Patch Conforming 四面体实例,考虑面(和边),圆孔的识别,Patch Independent四面体,Patch Independent(ICEM CFD Tetra)算法的四面体方法如没有载荷,边界条件或其它作用，面和它们的边界(边和顶点)不必考虑适用于粗糙的网格或生成更均匀尺寸的网格ANSYS Meshin
7、g Application可以非常方便的生成四面体网格ANSYS Meshing Application 标准的网格尺寸控制Tetra 部分也有膨胀应用,粗糙网格，忽略表面模型细节处,CFD膨胀层应用,单元形状,Patch Independent 四面体,对 CAD 许多面的修补有用,碎面、短边、差的面参数等。用四面体方法,设置Algorithm为 Patch Independent如没有载荷或命名选项，面和边 不必要考虑这里除设置curvature 和 proximity外，对所关心的细节部位有额外的设置,邻近的面,小孔,四面体方法的膨胀,作用于体的膨胀，对面定义,扫掠方法,体必须是可扫掠的
8、膨胀可产生纯六面体或棱柱网格手动或自动设定 source/target通常是单个源面对单个目标面。薄壁模型自动网格划分会有多个面，且厚度方向可划分为多个单元右击 Mesh:选Show Sweepable Bodies显示可扫掠体,自动划分方法,自动进行四面体(Patch Conforming)或扫掠网格划分,取决于体是否可扫掠。同一部件的体有一致的网格.,无膨胀,程序化控制膨胀,四面体(Patch Conforming),扫掠,四面体(Patch Conforming),多区扫掠网格划分,基于 ICEM CFD 六面体模块自动几何分解用扫掠方法，这个元件要被切成3个体来得到纯六面体网格,用多区
9、划分，可立即对其网格划分!,一般网格控制,命名选项,命名选项允许用户对顶点,边,面,或体创建组命名选项可用来定义网格控制,施加载荷和结构分析中的边界等 命名选项将在网格输入到CFX-Pre 或Fluent时，以域的形式出现在定义接触区，边界条件等时可参考，提供了一种选择组的简单方法用来方便膨胀的程序化控制注意:一组命名选项中只能有一种类型的实体.例如，顶点和边不能在同一命名选项中存在.命名选项组可从 DesignModeler 和某些 CAD系统中输入,物理设置,Mechanical,CFD,CFD的缺省网格设置,作用于边和面,作用于体,作用于所有几何,无高级尺寸功能,作用于边,网格质量,Me
10、chanical 设置,CFD 设置,网格尺寸策略:CFD,在必要区域依靠Advanced Size Functions 细化网格Curvature(默认的)Proximity 识别模型的最小特征设置能有效识别特征的最小尺寸如果导致了过于细化的网格 在最小尺寸下作用一个硬尺寸使用收缩控制来去除小边和面确保收缩容差小于局部最小尺寸如有需要,可对体,面,边或影响体定义软尺寸，对网格生成的尺寸设置施加更多的控制,相关性和关联中心,粗糙,中等,细化,拖动滑块实现细化或粗糙的网格,相关性,全局单元 尺寸,Element Size设置整个模型使用的单元尺寸。这个尺寸将应用到所有的边,面,和体的划分。当高级
11、尺寸功能使用的时候这个选项不会出现缺省值基于 Relevance和Initial Size Seed可输入想要的值,高级尺寸功能,标准尺寸功能,高级尺寸功能,无高级尺寸功能时,根据已定义的单元 尺寸对边划分网格,对 curvature 和proximity,细化，对缺陷和收缩控制进行调整,然后通过面 和体网格划分器,下面列出了可用到的局部网格控制(可用性取决于使用的网格划分方法)尺寸接触尺寸细化映射面划分匹配控制收缩膨胀,局部网格控制,局部尺寸,局部尺寸:“Element Size”定义体,面,边,或顶点的平均单元边长“Number of Divisions”定义边的单元分数球体内的“Sphe
12、re of Influence”单元给定平均单元尺寸 以上可用选项取决于作用的实体如使用了高级尺寸功能选项会不同,面尺寸,局部尺寸:“Element Size”定义面的平均单元边长 球体内的“Sphere of Influence”单元给定平均单元尺寸除了顶点,影响球，对其它需要定义一个坐标系,边尺寸(偏置)可通过对一个端部，两个端部或中心的 偏置把边离散化考虑:如图所示的源面使用了扫掠网格源面的两对边定义了边尺寸.偏置边尺寸以在边附近得到更 细化的网格,边尺寸,映射面划分,映射面划分 在面上允许产生结构网格:下面例子中,映射面划分的内部圆柱面有更均匀的网格模式.如果面由于任何原因不能映射划分
13、,划分会继续，但可从树状略图中图标上看出,映射面划分,映射面划分如果选择的映射面划分的面是由两个回线定义的,就要激活径向的分割数。扫掠时指定穿过环形区域的分割数。这用来产生多层单元穿过薄环面,膨胀选项,使用自动膨胀程序化控制所有面无命名选项共享体间没有内部面膨胀选项 平滑过渡(对 2D 和四面体划分是默认的）第一层厚度总厚度(对其它是默认的)膨胀算法前处理(TGrid)对Tri/Patch conforming Tet/Sweep后处理(ICEM CFD)对Patch non-conforming Tetra冲突避免压缩(对 Fluent默认)Stair-Step(对 CFX默认)其它详细设置
14、见第 5章,四面体和多区的膨胀,膨胀当网格方法设置为四面体或多区，通过选择想要膨胀的面，膨胀层可作用于一个体或多个体,扫掠网格的膨胀,对扫掠网格,通过选择源面上要膨胀的边来施加膨胀,Src/Trg Selection 因此需要设置为Manual Source 或Manual Source and Target,生成网格,生成网格生成完整体网格预览表面网格对大多数方法(除 Tetrahedral Patch Independent 方法),这个选项更快.因此它通常首选用来预览表面网格.如果由于不能满足单元质量参数网格生成失败,预览表面网格是有用的它允许你看到表面网格,因此可看到需要改进的地方,截
15、面位面,在网格划分程序中,截面位面可显示内部的网格找到工具栏的“New section plane”按钮可显示位于截面任一边的单元切割或完整的单元位面上的单元可使用多个位面,四面体网格膨胀,四面体网格划分算法,Patch Conforming默认时考虑所有的面和边(尽管在收缩控制和虚拟拓扑时会改变且默认损伤外貌基于最小尺寸限制)适度简化CAD(如.native CAD,Parasolid,ACIS,等.)在多体部件中可能结合使用扫掠方法生成共形的混合四面体/棱柱和六面体网格有高级尺寸功能表面网格 体网格Patch Independent对 CAD 有长边的面,许多面的修补,短边等有用.内置 d
16、efeaturing/simplification 基于网格技术基于 ICEM CFD 四面体/棱柱 Octree 方法体网格 表面网格,Patch Conforming 四面体膨胀,基本设置包括膨胀选项，前处理和后处理膨胀算法,膨胀选项 平滑过渡,平滑过渡(默认)使用局部四面体单元尺寸计算每个局部的初始高度和总高度以达到平滑的体积变化比。每个膨胀的三角形都有一个关于面积计算的初始高度，在节点处平均。这意味着对一均匀网格，初始高度大致相同，而对变化网格初始高度也是不同的。过渡比膨胀层最后单元层和四面体区域第一单元层间的体尺寸改变当求解器设置为 CFX时,默认的 Transition Ratio
17、是 0.77.对其它物理选项,包括Solver Preference 设置为 Fluent的CFD,默认值是 0.272.因为Fluent 求解器是单元为中心的，其网格单元等于求解器单元,而CFX 求解器是顶点为中心的，求解器单元是双重节点网格构造的，因此会发生不同的处理,膨胀选项 厚度选项,总厚度创建常膨胀层，用Number of Layers 的值和Growth Rate 控制以获得Maximum Thickness值控制的总厚度。不同于Smooth Transition 选项的膨胀，Total Thickness选项的膨胀其第一膨胀层和下列每一层的厚度是常量.第一层厚度创建常膨胀层，用
18、First Layer Height,Maximum Layers,和 Growth Rate 控制生成膨胀网格。不同于Smooth Transition 选项的膨胀，First Layer Thickness 选项的膨胀其第一膨胀层和下列每一层的厚度是常量。,高级膨胀选项,Mesh 设置为 Yes，在Global Inflation Options下可看到Advanced Options 冲突避免Layer Compression(对 Fluent默认)Stair Stepping(对 CFX默认)增长比类型最大角倒圆角比使用后处理平滑平滑迭代,冲突避免,层压缩不同面的膨胀阵面扩展有可能冲突
19、,膨胀层就要受压制，以给四面体层留足够的空间如果层压缩不能解决冲突,层就会由于以下描述的stair stepping而去除.产生一警告信息并且FLUENT用户特别关心的网格质量会受到影响Stair Stepping剥离膨胀层阻止阵面扩展冲突，以给四面体层留足够的空间,膨胀:Compression 与.Stair-stepping,Layer Compression:Stair-stepping:,扫掠划分,六面体划分的扫掠方法,在Workbench ANSYS 网格划分中有3中六面体划分或扫掠方法:扫掠方法薄扫掠方法多区,扫掠术语,为评估哪种方法可用，有一些重要名词需要考虑/了解.当创建六面体
20、网格时,先划分源面再延伸到目标面 其它面叫做侧面扫掠方向或路径由侧面定义源面和目标面间的单元层是由插值法而建立并投射到侧面.,源面,目标面,侧面,扫掠路径,扫掠术语,为划分完整的固体/流体,需要几个扫掠操作几何分解(分裂):控制网格(在缝隙得到分层的网格)或创建可扫掠体.为使可扫掠体得到共形网 格，体应组装进多体 部件这里几何分裂成了几个体,每个体有一个源面和目标 面,扫掠挑战,扫掠只作用于可扫掠体.以下的一些限制形成了扫掠划分方法的挑战:多个源面或目标面 扫掠方向多个侧面(尽管多个侧面可能由于它们强加的额外约束引起质量问题)几何分解成可扫掠区域怎样构造几何,VTs,等.不清楚源面/目标面/侧
21、面的定义多体部件的操作:不清楚多体部件的扫掠方向共形网格(对所有/大多体扫掠的部件,和一些体由四面体自由划分的部件),扫掠挑战,引入薄扫掠和多区方法来帮助解决普通扫掠方法的一些困难.薄扫掠方法:善于处理薄部件的多个源面和目标面多区方法提供自由分解方法:尝试非手动分裂模型几何支持多个源面和多个目标面方法,比较 Workbench 扫掠方法,扫掠方法:单个源面对单个目标面的扫掠.很好地处理扫掠方向多个侧面 需要分解几何以致每个扫掠路径 对应一个体.,薄扫掠方法:多个源面对多个目标面的扫掠 很好地替代壳模型中面以得到纯六面体网格,多区方法:自由分解方法 多个源面对多个目标面,扫掠划分方法,使用此技术
22、，可扫掠体可由六面体和楔形单元有效划分扫掠划分方法体相对侧源面和目标面的拓扑可手动或自动选择.源面可划分为四边形和三角形面源面网格复制到目标面 随体的外部拓扑，生成六面体或楔形单元连接两个面 一个体单个源面/单个目标面可对一个部件中多个体应用单一扫掠方法,可扫掠体,一个可扫掠体需满足:包含不完全闭合空间至少有一个由边或闭合表面连接的从源面到目标面的路径没有硬性分割定义以致在源面和目标面相应边上有不同分割数可通过右击 Show Sweepable Bodies预览 找不到可扫掠体的轴，但总可以手动设置源面和目标面不必是平面或平行面不必是等截面的,扫掠网格膨胀,对扫掠网格,选择源面的边，源面则 得
23、到膨胀 网格方法中的Src/Trg Selection 应 设置为Manual Source或Manual Source and Target一旦定义了源面,然后就可以定义 膨胀扫掠网格的膨胀将使用Pre inflation 算法只能利用 First Layer 或Total Thickness 选项,扫掠方法网格控制,自由面网格类型四边形/三角形(默认)所有三角形所有四边形类型单元尺寸(软约束)分割数(硬约束)扫掠偏斜类型类似于边偏斜(从源面到目标面约束边界(多体部件)防止在扫掠划分区域边界分裂单元边界是无约束的不允许分裂(默认)防止在六面体/楔形划分中引入四面体和棱锥单元,薄模型扫掠,薄模
24、型不只一个源面，其面可自动或手动薄模型扫掠模型应是薄的，而且源面和目标面不能相互接触.模型必须有一个明显的“侧面”支持多体部件，但只允许一个单元穿过厚度扫掠方向没有膨胀和偏斜捕捉多个源面，忽略多个目标面,1,2,3,薄实体扫掠处理,Multiple source,Multiple target,Multiple sources captured,Multiple targets ignored,多区网格划分介绍,扫掠或多区?,使用扫掠方法当:一个多体部件中一些体应扫掠划分，一些应Patch Conforming四面体划分如果想要使用高级尺寸功能预览可扫掠体显示所有体是可扫掠的使用多区当:划分对
25、于传统扫掠方法来说太复杂的单体部件.需考虑多个源面和目标面(不能使用 VTs 集成一个源面/目标面)关闭对源面和侧面的膨胀,多区方法,多区的特征是自动分解几何，从而避免将一个体分裂成可扫掠体以用扫掠方法得到六面体网格例如,如右边所示的几何需要分裂成三个体以扫掠得到六面体网格.用多区方法，可直接生成六面体网格基于 ICEM CFD Hexa 程序块O-grids 可拉伸建立膨胀非结构化区域可由 六面体-支配,六面体-核心,或四面体网格填充,多区方法设置,多区不利用高级尺寸功能(只用Patch Conforming 四面体和扫掠方法)源面选择不是必须的，但是有用的 可拒绝或允许自由网格程序块,多区
26、方法设置,映射网格类型六面体六面体/棱柱自由网格类型不允许四面体六面体-支配六面体-核心源面/目标面选择自动的手动源面高级的损伤容差最小边长,多区方法膨胀,算法不同于其它膨胀方法(拉伸 o-grid)作用于体,对面定义只有 First Layer 或Total Thickness 选项,网格质量,概述,网格质量度量Skewness可接受比最差单元FLUENT 求解器的网格质量考虑一般考虑求解中网格质量的影响网格质量影响因子CAD 问题网格分解和分布划分方法膨胀改进网格质量策略CAD 清除虚拟拓扑收缩控制理性网格尺寸和膨胀设置一般推荐,ANSYS 网格划分的网格度量,Mesh选项中可得到Mesh
27、 Metric，可对其进行设置和查看来评估网格质量 不同物理环境和不同求解器对网格质量有不同的要求 ANSYS 网格划分中可得到的网格度量有:单元质量纵横比雅可比扭曲因子平行误差最大拐角偏斜,网格质量度量,纵横比一般三角形和四边形的形貌是最长比与最短边比的函数(详细见 User Guide)对等边三角形或正方形等于1(理想的),ANSYS 网格质量统计,对表面网格(在预览表面网格生成后)和体网格(在预览膨胀层或网格生成后)已选择的网格度量，将显示 min,max,averaged和standard deviation 在树状略图的Mesh对象下，使用Show Worst Elements 可突
28、出显示最坏单元,FLUENT网格质量考虑事项,FLUENT 需要高质量的网格来避免数值发散涉及几个网格质量度量,但skewness 是主要的度量纵横比和胞格尺寸也很重要最坏情况并取决使用的求解器(基于密度或基于压力)，FLUENT 可容忍差的网格质量，而一些程序可能需要更高的网格质量，分辨和好的网格分布差质量单元的位置有助于确定它们的影响Statistics 中将得到一些总体的网格质量度量其它网格质量度量FLUENT用户图形界面菜单中 Mesh/Info/Quality下得到,或使用 TUI命令mesh/quality,FLUENT网格质量要求,对Fluent最重要的网格质量度量是:Skewn
29、essAspect RatioCell Size Change(ANSYS 网格不能执行)对所有或大多数程序:Skewness:对六面体,三角形和四边形:应小于 0.8对四面体:应小于 0.9Aspect Ratio:应小于 40,但取决于流体特性膨胀层可容忍大于 50 Cell Size Change:应在1与2之间,差网格质量可能导致不精确求解和缓慢收敛 一些程序可能要求比建议值更低的偏斜值,Skewness 和 Fluent 求解器,不推荐高 skewness 值一般保持体网格最大 skewness 值 0.95。而这个值和物理分析类型和单元位置紧密相关如果体网格包含退化单元，FLUEN
30、T 会报告负的单元体积skewness网格质量度量等级:*一些情况下，基于求解器的压力可运用包含少量skewness为0.98单元的网格.,(max,avg)CSKEW=(0.912,0.291)(max,avg)CAR=(62.731,7.402),(max,avg)CSKEW=(0.801,0.287)(max,avg)CAR=(8.153,1.298),VzMIN-100ft/min VzMAX400ft/min,VzMIN-90ft/min VzMAX600ft/min,求解中网格质量的影响,Large cell size change,例子,网格 2,网格 1,网格质量影响要素,CA
31、D 问题小边,尖锐边和面边和面间小缝隙/通道 未连接几何体,需确定CAD问题并消除,网格质量影响要素,网格分解和分布急剧变化的几何，不连续或小缝隙可能需要更多分解适当的网格分布可预测物理条件不适当的分解和分布 可能导致大的单元尺寸变化，纵横比和(或)偏斜,网格质量影响要素,尺寸功能类型不适当的使用(或根本不使用)高级尺寸功能(ASF)可能导致差网格质量 对弯曲特征支配的几何使用Curvature ASF 对有缝隙或狭窄成份的几何使用 Proximity ASF 对综合这些特征的几何使用 Curvature and Proximity ASF,ASF 可用来消除!,网格质量影响要素,划分方法划分
32、方法不适当的使用(自动,四面体)会导致大的偏斜划分方法的选择取决于几何和应用程序使用Outline中Mesh 对象下Show the Sweepable Bodies 是一个好习惯许多程序利用 Patch Conforming 和扫掠划分方法,A relatively“good”mesh in terms of max skewness,however the average and standard deviation are large,网格质量影响要素,膨胀不适当的:表面网格质量 膨胀表面选择 膨胀选项膨胀算法(compression 或 stair-stepping层)膨胀参数高级膨胀
33、选项 可能导致差的网格质量!,受影响的膨胀,改进网格质量策略,CAD 清除使用 CAD 或 DM:简化几何合并小边合并边以减少面的数量 避免狭窄面只在重要地方保留体间隙分解几何 移除不必要几何 几何相加几何修补,DM中分裂边/项目边/合并面后,改进网格质量策略,虚拟拓扑 AM中使用VT 在简化几何细节 可在Outline中Model 下添加创建虚拟边/面可改进网格如果结果表面网格扭曲，则考虑修整 DM或CAD中几何问题,用宽面虚拟合并狭小面后,改进网格质量策略,收缩控制允许在网格水平移除小的特征(小边或狭小面)供 Patch-Conforming 四面体方法使用当收缩标准合适的时候，小的特征从
34、网格中消除,用Outline中Mesh下Pinch Controls自动探测收缩位置,改进网格质量策略,Sensible 网格尺寸和膨胀设置,最小尺寸减少 2X 以适应狭小几何。结果网格质量得到改进。局部面尺寸也可能使用。,一般建议如果体网格满足以下一个或更多条件，则认为不可接受:FLUENT网格非常高的偏斜(0.98)退化单元(偏斜 1)高纵横比单元负体积单元质量改进:改进表面网格质量移动网格节点CAD 修整几何问题如尖角,小边,合并面和/或分解几何DM 中Clean-up工具简化几何和它们的实体 ANSYS Meshing程序中不同方法，全局和局部尺寸和参数ANSYS Meshing 程序中收缩控制消除小特征 ANSYS Meshing 程序中虚拟拓扑以简化几何,改进网格质量策略,混杂的,如果模型包含多个部件或体，需在Outline 中Geometry对象下加亮它们来显示网格度量信息影响体(BOI)技术也可用来控制网格质量和适当局部分解包括直方图的更多高级网格度量可通过FEM中FE Modeler Mesh Metrics展示 也可在CFD 后处理中查看不同网格质量度量,
