ANSYS Workbench Mesh网格划分.docx

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ANSYSWorkbenchMesh网格划分

WorkbenchMesh网格划分分析步骤网格划分工具平台就是为ANSYS软件的不同物理场和求解器提供相应的网格文件，Workbench中集成了很多网格划分软件/应用程序，有ICEM CFD，TGrid，CFX，GAMBIT，ANSYSPrep/Post等。

网格文件有两类：

①有限元分析（FEM）的结构网格：

 结构动力学分析，电磁场仿真，显示动力学

分析（AUTODYN，ANSYSLSDYNA）；②计算流体力学（CFD分析）分析的网格：

用于ANSYSCFX，ANSYSFLUENT，Polyflow；这两类网格的具体要求如下：

（1）结构网格：

①细化网格来捕捉关心部位的梯度，例如温度、应变能、应力能、位移等；②大部分可划分为四面体网格，但六面体单元仍然是首选；③有些显示有限元求解器需要六面体网格；④结构网格的四面体单元通常是二阶的（单元边上包含中节点）；

（2）CFD网格：

①细化网格来捕捉关心的梯度，例如速度、压力、温度等；②由于是流体分析，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；③大部分可划分为四面体网格，但六面体单元仍然是首选，流体分析中，同样的求解精度，六面体节点数少于四面体网格的一半。

④CFD网格的四面体单元通常是一阶的（单元边上不包含中节点）一般而言，针对不同分析类型有不同的网格划分要求：

①结构分析：

使用高阶单元划分较为粗糙的网格；②CFD：

好的，平滑过渡的网格，边界层转化（不同CFD求解器也有不同的要求）；③显示动力学分析：

需要均匀尺寸的网格；

物理选项实体单元默认中结点关联中心缺省值CoarseCoarseMediumCoarse平滑度过渡MechanicalCFDElectromagneticExplicitKeptDroppedKeptDroppedMediumMediumMediumFineFastSlowFastSlow注：

上面的几项分别对应Advanced中的ElementMidsideNodes，以及Sizeing中的RelevanceCenter，Smoothing，Transition。

网格划分的目的是对CFD（流体）和FEM（结构）模型实现离散化，把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元。

用户需要权衡计算成本和网格划分份数之间的矛盾。

细密的网格可以使结果更精确，但是会增加CPU计算时间和需要更大的存储空间，特别是有些不必要的细节会大大增加分析需求。

而有些地方，如复杂应力梯度区域，这些区域需要高密度的网格，如下图所示。

一般而言，我们需要特别留意几何体中物理量变化特别大的区域，这些地方的网格需要划分得细密一些！

在理想情况下，用户需要的网格密度是结果不再随网格的加密而改变的密度（例如，当网格细化后解没有什么改变），收敛控制可以达到这样的目的。

注意：

细化网格不能弥补模型不准确的假设和输入引起的错误。

网格划分的好坏对后面的求解有十分重要的影响，上图例子列举了一个集流管固体铸件中不收敛的热场。

很明显劣质单元区域的分析不可能得到切合实际的数据场。

下面是几种典型网格的形状示意图，其中“四面体网格”和“六面体网格”是主要类型：

（1）四面体网格：

①可以快速地、自动地生成，并适合于复杂几何。

如选用网格划分方法中的Automatic，对于一般几何体外形不那么规整，难以被Sweep，因此很难生成六面体网格，这时选用Automatic方法能快速生成四面体网格；

②有等向细化特点，如为捕捉一个方向的梯度，网格将在所有的三个方向细化，这会导致网格数量迅速上升；③边界层有助于面法向网格的细化，但2-D中仍是等向的（表面网格）。

（2）六面体网格：

①大多CFD程序中，使用六面体网格可以使用较少的单元数量来进行求解求解。

如流体分析中，同样的求解精度，六面体节点数少于四面体网格的一半。

②对任意几何体，由于其外形通常不是很规整，难以被Sweep，因此要想得到高质高效的六面体网格，需要许多步骤。

如在ICEMCFD中划分六面体网格就比较费时，需要对几何体进行切割，如下图所示：

但对许多简单几何，用Sweep方法是生成六面体网格的一种简单方式，具体可以选用的划分方法是Sweep和Multizone。

注意点1：

多体部件“接触面”的网格匹配的问题：

在Ansys中，有时候往往需要分析比较复杂的装配体，在DesignModeler中可以将某些零件先组成一个多体部件（Multi-BodyPart，实体-Body，部件-Part），即一个Part下面含有多个Body，一旦形成多体部件后，之前相互独立的这些Bodies在后面的设计仿真中就能拓扑共享，在Mesh中就表现

为它们接触面上的网格是相互匹配的，不像它们相互独立时划分网格是相互间没有任何关联。

这个功能是DM的亮点，区别于其他CAD画图软件。

但我们一般画图是在其他CAD软件中完成，不再DM中。

那如果是在Solidworks中先画了一个单一几何体，如下图中的一个T型部件（命名为T台），然后将其用“分割”命令划分成两部分，之后导入Workbench中，在DesignModeler中我们看到其被组成了一个多体部件，1Parts，2Bodies：

在Mesh中我们知道，对于一个多体部件其划分网格时有如下特点：

①每一个实体-Body，都独立划分网格，但在实体间的关联仍旧被保留；②实体间结点能够共享，意味着两个实体间的接触区网格是连续的。

其网格效果就将这些不同的Bodies用布尔操作变成一个Body后划分网格一样，但实际上它们是无接触的，即没有成为单个Body，不同Bodies间仍旧相互独立；③一个多体部件体可以由不同的材料组成；但是我们实际上将上图所示的部件直接导入Mesh中划分网格之后的结果如下图所示：

发现两部分实体之间的网格并不连续，这也就是说实际上它们并没有形成一个多体部件，而是两个实体（Body）都各自单独地划分网格，它们在接触处的结点位置也不一样，不共享。

为什么？

我们需要在DM中将该几何体重新组成一次多体部件，如下图所示，在DM中先将几何体ExplodePart，每个Body都独立，变成2Parts，2Bodies：

然后再一次FromNewPart，重新变成一个多体部件，1Pat，2Bodies：

之后再在Mesh中划分网格，会发现两个Bodies间的网格匹配了：

造成这个的原因可能使Solidworks中的多体部件和DM中的多体部件不匹配，必须要在DM中重新进行一次多体部件的组成操作！

如果是在DM中直接画几何体，不会出现该问题。

那要是我在SW中画的是一个装配体，不像上面例子是先画一个单体，然后再“分割”，这会怎么样？

如下图所示，是将一个SW中画好的装配体直接导入DM中后的结果，我们能发现其10个Bodies之间都是相互独立的，并没组成多体部件（10Parts，10Bodies）：

我们将该装配体直接划分网格，由于每一个Bodies都是独立的，因此这些不同Bodies之间的网格也没有匹配：

现在在DM中将其组成一个多体部件（1Part，10Bodies）：

组成多体部件后我们选取了其中top-cover，down-base，bolt-1几三个零部件画网格，结果如下图所示：

发现它们之间的网格都匹配，不再是单独划分网格了。

注意点2：

多体部件采用不同的网格划分方法注意点1中讲了多体部件接触面之间的网格划分，上面是针对一个多体部件全局网格划分的情况，那要是我一个多体部件不同Bodies想采用不同的网格划分方法，该怎么处理？

WorkbenchMesh网格划分应用程序可运用“分割”的思想，即几何体的各个部件可以使用不同的网格划分方法（如Sweep，Multizone等）。

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一致。

那多体部件的网格该怎么操作才能使每一个Solid（在DM中对应Body）都有不同的网格划分方法？

看下面三通管的例子：

既然要选择不同的网格划分方法，Mesh-Insert-Method-选取某一小零件，如下图中我们选择的小零件为Solid3，其颜色已变成蓝色：

这时我们点击工具栏最上方的GenerateMesh：

但却发现虽然上面我们只是选择了Solid3这一小部件，但划出来的结果却是把其他的零件也一起划分了网格，即相当于整个装配体一起划分了，如下图所示：

这时候可以注意到一点，Solid1~Fluid这5个部件前面都变成了绿色小勾上加一横线，这说明这5个部件都已经完成了网格划分，其所用的方法就是之前为Solid3设定的AutomaticMethod。

那怎么样才能避免这种状况？

关键在于我们在选择了Solid3之后，不要去点击工具栏最上方的GenerateMesh，那个按钮是针对全局网格划分的，我们只需要在Solid3右键-GenerateMesh即可，这时划分的网格就是针对Solid3：

Solid3网格划分得到的结果：

这时我们发现，只有Solid3前面绿色勾加了一横，其余都正常，这说明只有Solid3被划分了网格。

注意，这时Mesh旁边有一个黄色闪电标记，此时如果点击工具栏上的GenerateMesh或者是在Mesh上右键-GenerateMesh，则剩余的4个部件都会以AutomaticMethod方法被生成网格：

其实不用管这个黄色标记，等我们给这5个部件分别划分好网格之后其自动回消失。

如下图是我们给Solid1~4按照上面的方法单独划分了网格，这时还剩下Fluid没有划分，此时黄色标记还存在：

等到Fluid也划分好之后，黄色标记自动消失，而且部件前面的绿色小勾也都加上了一横：

注意：

如果我们在划分网格时有时需要给几个部件一起划分，如下图中一次选中了Solid1~Solid3三个部件：

这时我们一定要在上面同时选中Solid1~3，再右键-GenerateMesh，如果只是选取了它们中的一个，则划分出来的网格只是对应那个部件的：

三个部件一齐划分网格：

除了上面讲的方法，特征抑制也可以用来单独划分网格：

对其他部件进行特征抑制Suppress。

如下图所示：

我们将其他暂时不用划分网格的部件进行抑制，在需要划分网格的部件上面右键-SuppressAllOthereBodies，然后右侧只剩余需要的零部件。

这时再Mesh-Insert-Method-选取零件，我们用Hex-Dominant划分网格。

划分完之后再解除抑制，可得到整个装配体只有刚才部件划分了网格：

需要对第二个部件进行单独网格划分时，找到对应的部件也一样执行，划分完之后解除抑制，然后得到如下所示结果。

可知只有选中的两个部件被划分了网格：

1、首先是输入几何体，然后点击树形窗口中的mesh之后，主要设置一下几大块内容：

2、Defaults设置确定物理场，一共对应四种，Mechanical-结构场，Electromagnetics-电磁场，CFD-流场，Explicit-显示动力学。

Relevance-指网格相关度，数值从100~+100，代表网格由疏到密，不同的值对应不同的网格数和节点数：

3、Sizing（网格尺寸函数）设置Sizing设置中，对于不同的物理场选择会稍有不同，但基本一致，下图以Mechanical为例。

（1）UseAdvancedSizeFunction-高级尺寸函数，主要用于控制曲线/曲面在曲率较大地方的网格，其有如下几种设置：

①off，先从边开始划分网格，在在曲率比较大的地方细化边网格，接下来再产生面网格，最后体网格。

②Curvature，由曲率法确定（细化）边和曲面处的网格大小。

在有曲率变化的地方，网格会做的比较漂亮，会自动地加密。

如下图所示：

③Proximity，这将对网格划分算法添加更好的处理临近部位的网格，即控制模型邻近区网格的生成，主要适用于窄/薄处的网格生成。

对于狭长/细长的几何体，网格会做的比较好，但是对于曲面则不好处理，会做的失败。

④ProximityandCurvature，②和③情况的综合，适用于比较复杂的几何体。

如下图所示：

⑤Fixed，只以设定的大小划分网格，不会根据曲率大小自动细化网格。

（2）RelevanceCenter，关联中心代表网格的“粗糙，中等，细化”三种模式。

其会和上面的Relevance-网格相关度（-100~+100）一起对网格产生影响，如下图所示：

（3）ElementSize，全局单元尺寸ElementSize设置用于整个模型使用的单元尺寸。

这个尺寸将应用到所有的边、面、体的划分。

当上面高级尺寸功能（UseAdvancedSizeFunction）使用的时候这个选项不会出现。

其缺省值（默认值）基于Relevance和InitialSizeSeed，也可以手动可输入想要的值。

（4）InitialSizeSeed，初始尺寸种子用于控制每一部件的初始网格种子，对于已定义单元尺寸则被忽略。

有如上所示三种模式：

①ActiveAssembly，基于这个设置，初始种子放入未抑制部件，网格可改变；

②FullAssembly，基于这个设置，初始种子放入所有装配部件，不管抑制部件的数量。

由于抑制部件网格不改变。

③Part，基于这个设置，初始种子在网格划分时放入个别特殊部件。

由于抑制部件网格不改变。

（5）Smoothing以及Transition，平滑和过渡Smoothing平滑网格，通过移动周围节点和单元的节点位置来改进网格质量，平滑有助于获得更加均匀尺寸的网格。

下列选项和“网格划分器开始平滑的门槛尺度”一起控制平滑迭代次数，设置判据如下：

中等（Mechanical，CFD，Electromagnetics），高（Explicit）。

Transition过渡，用于过渡控制邻近单元增长比，设置判据：

缓慢（CFD，Explicit），快速（Mechanical，Electromagnetics）。

（6）SpanAngelCenter，跨度中心角SpanAngleCenter设定基于边的细化的曲度目标，网格在弯曲区域细分，直到单独单元跨越这个角。

有以下几种选择：

粗糙：

91°60°；中等：

75°~24°；细化：

36°~12°。

4、Inflation（膨胀）设置一般而言，这里的Inflation我们不会去用它，因此UseAutomaticInflation设置为None，即初始网格无膨胀。

等到我们在确定局部网格设置时，如果对几何体边界处的物理条件感兴趣，可以利用Mesh-Insert-Inflation来设置具体的膨胀。

5、确定局部网格设置注意，上面介绍的Defaults，Sizing，Inflation三项设置是针对mesh全局的，对整个几何体都起作用。

对于简单的几何体，或者对于网格要求不高的情况，设置好前三项就可以了，后面的几项可以先不用管。

可以等网格划分完之后在进行局部网格设定。

但是实际上我们往往要对几何体进行局部优化，这时就需要进行“局部网络设置”。

也就是说，mesh的整体思路是“先进行整体和局部网格控制，然后对被选的边、面进行网格细化”。

如下图中左侧致密网格就是由后期局部优化得到的：

具体操作为：

Mesh-Insert，如下图所示：

而且在Mesh的基础上每插入一项，都会在树形窗口下面跳出对应的局部网格设置项，以及每一项对应的参数设置窗口，如下图所示：

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-Sizing、接触尺寸-ContactSizing、细化-Refinement、映射面划分-MappedFaceMeshing、匹配控制-MatchControl、收缩Pinch、膨胀-Inflation。

（1）Method，设置网格划分方法

①Automatic-自动划分法，是在四面体和扫掠型网格之间切换，取决于被划分的几何从整体上而言能否被扫掠，遇到不规则的地方（不能被扫掠）程序就自动生成四面体，反之生成六面体。

因为Automatic划六面体是根据对“整个几何体”而言能否被扫掠，要达到整个几何体都能被扫的几率是很低的，因为我们用来分析的几何体往往没有那么规整。

由此也就带来了一个问题，在用Automatic划分网格时，往往划出来的都是四面体，如下图所示：

②Tetrahedrons-四面体网格，在三维网格中，相对而言四面体网格划分是最简单的。

四面体网格的优缺点如下：

Workbench中四面体网格的生成主要基于两种算法：

TGRID算法和ICEMCFDTetra算法（Algorithm），这两种算法分别对应于下面的PathchConforming和PatchIndependent，两种四面体算法都可以用于CFD的边界层识别。

①PathConforming：

默认考虑几何面和体生成表面网格，会考虑小的边和面，基于TGRIDTetra算法由表面网格生成体网格（表面网格→体网格）。

此方法适用于多体部件，可混合使用PatchConforming四面体和扫掠方法共同生成网格，可联合PinchControl功能有助于移除短边，基于最小尺寸具有内在网格缺陷。

也正是由于PatchConforming方法会考虑到几何体中比较小的边和面，因此像下图中这种包含太多不同尺寸和形状的面的几何会使PatchConforming方法产生问题，这时可使用PatchIndependent方法的“虚拟拓扑选项”解决这个问题。

而且PatchIndependent方法本身也更适合于质量差的几何体。

②PatchIndependent：

基于ICEMCFDTetra算法，先生成体网格并映射到表面产生表面网格（体网格→表面网格）。

如果没有载荷或命名，就不考虑面和边界（顶点和边）。

此法更加容许质量差的CAD几何体，对CAD许多面

的修补有用，如碎面、短边、差的面参数等。

如果面上没有载荷或者命名，就不考虑面和边，直接将网格跟其它面作一体划。

如果有命名则要单独划分该区域网格③Sweep-扫掠型网格，这种方法主要是产生六面体网格，或者棱柱型网格，但要注意被划分体必须是可扫掠的，即是规则几何体：

几个重要的设置项目（源面，目标面）：

在Sweep设置中，上图中的几项表示扫掠“源面/目标面”的选择,以及网格类型。

如果选择ManualSource则下面的Source（源面）需要手动选择；如果设置成ManualSourceandTarget则源面和目标面都需要手动选择。

当创建六面体网格时，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。

当扫掠几何包含许多扭曲/弯曲时，扫掠划分器会产生扭曲单元导致网格划分失败。

如果想知道几何体哪些部位能被Sweep的话，可以在树形窗中的Mesh上点击右键，Show，可以看到几何体SweepableBodies和MappableFaces即“可被扫掠”和“可被映射”的部分（满足条件的部位会变成绿色，如果没有绿色则说明不可以），如下图所示：

一个可扫掠体需满足的条件是：

①包含不完全闭合空间；②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；③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；

虽然我们通过ShowSweepableBodies可能找不到可扫掠体的轴，即系统显示没有部位可以被Sweep。

但我们仍旧可以手动设置来找到源面和目标面，另外源面和目标面不必是平面或平行面，也不必是等截面的。

如果整个几何体在上面Show步骤之后显示没有部位可以被Sweep，则我们在用Sweep方法划分网格时用系统ProgramControlled去设定源面和目标面，则会出现错误：

④Multizone-多区域扫掠型，主要用来划分六面体网格。

其特点是有几何体自动分解功能（分割功能），从而尽量使每一部分都能被扫掠，多生成六面体网格。

如下图，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：

我们发现，扫掠Sweep和多区Multizone方法的目标均是生成六面体网格，对于有些几何体而言这两种方法都可以使用，但这两种方法之间也有很多不同。

“扫掠方法”是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。

“多区方法”是自由分解方法，多个源面对多个目标面。

一般满足下列条件时会使用多区：

①划分对于传统扫掠方法来说太复杂的单体部件；②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）；③关闭对源面和侧面的膨胀；注意，使用多区时一般把Sizing下的AdvancedSizeFunction关闭。

⑤HexDominant，六面体主导网格法。

先在几何体表面生成“四边形主导”的面网格，然后再得到六面体，再按需要填充棱锥和四面体单元。

最终往往是在模型的外面生成六面体单元，里面四面体单元。

如下面所示的是用Automatic方法和HexDominant方法得到的两种网格，可见Automatic方法得到的是四面体，而HexDominant以六面体为主：

Automatic方法HexDominant方法HexDominant方法对于不可扫掠的体，要得到六面体网格时被推荐，在FEM分析有用。

如下图所示的几何体，其属于不可以被Sweepable，（怎么看能否被扫掠，见上面“Sweep-扫掠型网格”部分内容），因此不能用Sweep方法划分网格，但是能用Hex-Dominant方法尽可能多得到六面体网格：

适用于：

①对内部容积大的体有用；②对体积和表面积比小的薄复杂体无用：

对于CFD无边界层识别。

（2）Sizing，用于设置局部单元的大小

Sizing中的Type通常采用如下两类：

①ElementSize：

用于设置所选中的具体某单元（体，面，边，或顶点）的平均边长。

②SphereofInfluence：

用球体来设置单元平均大小的范围，球体中心坐标采用的是局部坐标系，所有包含在球体内的实体，其单元网格大小均按照设定的尺寸划分。

为了描述球所在位置，还对其它需要定义一个坐标系。

如下图所示，球体部分的网格致密程度和其余地方很不一样：

（3）ContactSizing，用于接触区的网格设置提供一种在部件间接触面上产生“近似”尺寸单元的方式（网格的尺寸近似但不共形），在接触面上产生大小一致的网格有利于分析。

具体设置类型有ElementSize或Relevance：

（4）Refinement，用于网格局部单元细化要注意的是Refinement仅对“边，面，顶点有效”。

另外，Refinement的标准范围值是1~3，推荐使用1级别细化，这使单元边界划分为初始单元边界的一半，是生成粗网格后，网格细化的得到更加密的网格的简易方法。

要注意：

Refineme