ANSYS有限元网格介绍
2019/11/02 00:11:41
ANSYS软件是由美国ANSYS公司所开发的一款融合结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空、电子、汽车和重型机械等领域。有限元分析包括前处理、求解和后处理三个过程。前处理作为有限元分析的第一步，其目的在于为之后的求解建立有限元模型，高质量的有限元模型是有限元计算的基础，而网格的划分是建有限元模型中最为关键的一步。下面本文将从五个方面对网格的划分进行介绍。
1.网格划分的步骤
在划分网格之前首先要对单元的属性进行定义，在ANSYS Mechanical中单元属性包括单元类型、单元材料和单元实常数。
ANSYS中的单元类型会在后文中详细介绍，单元的材料属性可以通过MP命令进行设定，根据材料选择的不同，所需要设定的材料属性也会不同，如对于各向同性弹性材料需要设定材料的密度、弹性模量和泊松比，而对于非线性塑性材料模型还需要设定材料的屈服强度、切线模量等一些其他参数。
实常数是针对单元类型的一种单元属性，可以理解为是对所选单元的一种补充定义，不同类型的单元，实常数的定义也不同，如2D梁单元BEAM23，当梁截面形状为矩形截面时，实常数用来控制单元的截面面积、绕z轴惯性矩和截面高度。
定义好单元属性以后，需要对单元赋予单元属性，生成网格时，ANSYS会自动赋予单元当前激活的单元属性，最后设定网格划分的密度。与ANSYS Mechanical不同，在ANSYS Workbench平台中单元类型默认为实体单元Solid186，用户可以在几何模型下插入命令流完成对单元类型的更改，单元材料默认为结构钢，用户需要在材料库中添加其它材料并在几何模型下进行材料的更改。
2.单元类型的介绍与选择
ANSYS软件中为用户提供了丰富的单元类型，基本可以满足绝大多数工程应用上的要求。
结构分析中有结构点单元（如MASS21）、结构线单元（如LINK10、LINK180）、结构梁单元（如BEAM23、BEAM188）、结构实体单元（如PLANE25、SOLID45、SOLID185、SOLID186）、结构壳单元（如SHELL51、SHELL181）、结构管单元（如PIPE59）、接触单元（如CONTAC174、TARGE170）、显示动力单元（如LINK160、SOLID164、BEAM161）等。
热力学分析中有热点单元（如MASS71）、热线单元（如LINK31、LINK32）、热实体单元（如PLANE35、SOLID70、SOLID87）、热壳单元（如SHELL57、SHELL131、SHELL132）、热电单元（如PLANE67、SOLID69）等。
流体结构分析中还包括一些特有的单元，如FLUID29、FLUID30、FLUID116、FLUID129、FLUID136、FLUID141等。
电子分析中包括电磁单元（如PLANE53、PLANE230、SOLID96、SOLID123、INTER115、HF118、HF121）、电路单元（如SOURC36、CIRCU94、CIRCU124）、机电单元（如TRANS109、TRANS126）等。
除此以外ANSYS中还包括一些其他单元，如耦合场单元PLANE13、矩阵单元MATRIX27、无限单元INFIN9、网分单元MESH200、表面单元SURF151等等。
用户在选择单元时，首先要明确自己所分析的研究对象，其次根据研究对象，选取适当的单元类型进行模拟，选取时要特别注意该单元的特性以确定其所适用的范围，比如LINK10是一个轴向仅受拉或仅受压的杆单元，特别适用与模拟绳索这样仅能承受拉力的对象，同为杆单元的LINK180则在承受轴向拉力的同时也可以承受轴向的压力，则该单元适用于模拟桁架和弹簧等结构。
与此同时，结构单元还分为线性单元与二次单元，线性单元的节点只在端点处（如SOLID185实体单元），采用线性单元求解，精度差但求解速度快；二次单元除了端点外还具有中间节点（如SOLID186实体单元），采用二次单元求解，相对于线性单元求解精度要高，但求解速度要慢，用户要根据实际的情况进行选取。
3.单元形状与网格划分
单元的形状主要有四边形、三角形、六面体和角锥体四种，单元的形状往往与网格的划分方式密切相关。
对所指定的面或体进行网格划分时，主要分为两种方式，自由划分和映射网格划分，APDL中控制划分方式的命令为MSHKEY。ANSYS系统中网格的划分方式默认为自由划分， 自由划分中若不通过MSHAPE命令控制单元的形状，则将优先划分四边形和六面体网格，三角形和角锥体次之，若要指定划分为三角形和角锥体网格，则必须通过MSHAPE命令来控制。采用映射方式划分的网格形状较为规整，但要求所划分对象的几何形状必须为规则形状。
在对于体网格的划分中，我们还经常会用到扫掠的方式，扫掠的方式主要分为两种，两种方式都要事先对源面进行网格划分，第一种是基于源面对于已经建立的几何体采用VSWEEP命令进行扫掠，第二种是将源面进行拉伸或沿路径扫掠生成体网格。若源面的网格为四边形则体网格为六面体，若源面网格为三角形则体网格为三棱柱。需要注意的是，对于第一种扫掠的方式，若体的一个或多个侧面包含多于一个环，或者体包含多于一个壳，或者体的拓扑面与目标面不是相对的，则不能进行扫掠。
4.单元尺寸的控制
众所周知，单元的大小影响着计算的精度和速度，要想获得较高的计算精度和较快的计算速度就必须合理控制单元的大小。当自由划分网格时，单元的大小为系统默认的单元大小，系统默认值可以由用户进行更改。若要划分网格时对单元的大小进行控制，有以下几种方式。
全局控制网格生成
局部控制网格生成
首先最为常用的方式是直接通过ESIZE指定单元的边长。
其次还可以通过对线设置网格的大小或设置离关键点最近的单元大小来对局部网格的密度进行控制，ANSYS中划分网格时不会改变已有网格的大小，比如对某一六面体进行网格划分时，若该六面体上的某条线或某个面已经划分过网格，则在进行体网格划分时该线和面的网格大小不会改变。
当用扫掠的方式进行划分时，可以在ANSYS中设置扫掠方向生成的单元数。前面我们提到过，单元的大小会影响计算的精度，当用户想要提高模型局部的计算精度时，还可以对指定节点、单元、关键点、线或面周边的网格进行细化。
5.自适应网格的划分
有限元方式是一种离散方法，它的网格划分必将产生一定的误差，若能够根据第一次网格划分所带来的误差，在第二次划分时进行网格密度的自动调整，按照同样的方法再进行第三次或更多次的网格调整，直达到用户所希望的误差要求，这就是自适应网格划分技术。
在ANSYS中是通过宏文件来实现这一功能的，该功能只能应用于静力结构分析和线性稳态热分析中，且不能一次自适应分析中同时进行热和结构两种计算；同时整个模型尽量采用一种材料，在不同材料的过度区域往往不能进行处理，模型的单元必须使用支持误差计算单元，如SOLID45、SHELL63等。当对模型进行自适应网格划分时，对体采用映射网格划分比自由划分效果要好，采用带有中间节点的单元要比线性单元的效果要好。
对于初学者来讲，一次性建立出高质量的有限元网格是很有难度的，这不仅仅需要工程师具有深厚的理论功底，还需要拥有丰富的实践经验。初学者往往需要先将建立好的有限元模型进行求解，找出网格划分中不合理的地方，加以改进并进行再求解，不断的重复这一过程才可以建立出满足工程需要的高质量有限元模型。