第-3-章-ANSYS-13.0-Workbench-网格划分及操作案例

第3章ANSYS13.0Workbench网格划分及操作案例网格是计算机辅助工程（CAE）模拟过程中不可分割的一部分。网格直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。此外，建立网格模型所花费的时间往往是取得 CAE 解决方案所耗费时间中的一个重要部分。因此，一个越好的自动化网格工具，越能得到好的解决方案。3.1ANSYS13.0Workbench网格划分概述 ANSYS 13.0 提供了强大的自动化能力，通过实用智能的默认设置简化一个新几何体的网格初始化，从而使得网格在第一次使用时就能生成。此外，变化参数可以得到即时更新的网格。ANSYS 13.0 的网格技术提供了生成网格的灵活性，可以把正确的网格用于正确的地方，并确保在物理模型上进行精确有效的数值模拟。网格的节点和单元参与有限元求解，ANSYS 13.0在求解开始时会自动生成默认的网格。可以通过预览网格，检查有限元模型是否满足要求，细化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，因此需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。在理想情况下，我们所需要的网格密度是结果随着网格细化而收敛，但要注意：细化网格不能弥补不准确的假设和错误的输入条件。 ANSYS 13.0 的网格技术通过 ANSYS Workbench的【Mesh】组件实现。作为下一代网格划分平台， ANSYS 13.0 的网格技术集成 ANSYS 强大的前处理功能，集成 ICEM CFD、 TGRID、 CFX­MESH、GAMBIT网格划分功能，并计划在 ANSYS 15.0 中完全整合。【Mesh】中可以根据不同的物理场和求解器生成网格，物理场有流场、结构场和电磁场，流场求解可采用【Fluent】、【CFX】、【POLYFLOW】，结构场求解可以采用显式动力算法和隐式算法。不同的物理场对网格的要求不一样，通常流场的网格比结构场要细密得多，因此选择不同的物理场，也会有不同的网格划分。【Mesh】组件在项目流程图中直接与其他 Workbench分析系统集成。3.2ANSYS13.0Workbench网格划分 ANSYS 网格划分不能单独启动，只能在 Workbench 中调用分析系统或【Mesh】组件启动，如图 3­1 所示。图3­1 调入分析系统及网格划分组件ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术 92 选择几何模型后，进入网格划分环境，工作界面如图3­2 所示。图3­2 网格划分工作界面图 3­2 中，顶端标题栏显示当前分析系统；左侧导航树默认包括几何【Geometry】、坐标系统【Coordinate Systems】、连接关系【Connections】及网格划分【Mesh】，插入的网格划分操作会按照顺序显示在【Mesh】下面。【Mesh】的明细窗口位于导航树下方，显示默认的物理场及整体网格划分控制；选择【Mesh】时，导航树上方会出现相应的网格划分工具栏；图形区的网格显示为相关物理场的默认网格划分结果；右侧为网格划分选项设置【Meshing Options】。 3.2.1 网格划分过程 ANSYS 13.0 Workbench中网格划分过程如下：（1）设置物理场和网格划分方法，物理场包括结构场、流场和电磁场。（2）定义整体网格设置，包括定义单元大小、膨胀层及收缩设置等。（3）插入局部网格设置，包括定义单元大小、细化网格及收缩控制等。（4）预览或生成网格，包括预览表面网格、预览膨胀层网格。（5）检查网格质量，包括用不同的网格质量度量标准来评定网格及显示网格质量的图表。 3.2.2 设置物理场及网格划分方法 1．网格划分选项启动网格划分时，窗口右侧出现网格划分选项面板【Meshing Options】，参见图 3­2，该面板包含下列设置：（1）物理场【Physics Preference】：选择分析的物理场，每个物理场默认的网格划分参数不同。（2）网格划分方法【Mesh Method】，指定可用于任何物理场的网格划分方法。（3）设置物理场和创建网格的方法【Set Physics and Create Method】：在【Mesh】的明细ANSYS 13.0 Workbench 网格划分及操作案例第 3 章 93 窗口中选择物理场，对所有选择的实体插入网格控制方法并指定网格划分方法。（4）设置网格划分默认值【Set Meshing Defaults】，选项对话框中更新物理场。（5）提供是否在启动时显示网格划分选项面板。 2．3D 几何模型的网格划分方法程序提供 6种 3D 几何模型的网格划分方法，工具栏中选择【Mesh Control】→【Method】，对选中的实体可施加6 种网格划分方法，如图 3­3 所示。图3­3  3D实体网格划分方法（1）自动划分网格【Automatic】：程序基于几何的复杂性，自动检测实体，对可以扫掠的实体采用扫掠方法划分六面体网格，对不能扫掠划分的实体采用协调分片算法划分四面体网格。（2）四面体网格【Tetrahedrons】：生成四面体单元，采用基于 TGrid的协调分片算法【Patch Conforming】和基于 ICEM CFD 的独立分片算法【Patch Independent】。协调分片算法【Patch Conforming】采用自下而上的方法：网格划分先从边面划分，再到体，考虑所有的面及其边界，该算法适用于质量好的CAD 几何模型。独立分片算法【Patch Independent】采用自上而下的方法：先生成体网格，再映射到面和边生成面网格。除非指定了命名选择、加载、边界条件和其他作用，否则不必考虑指定公差范围内的面及其边界，该算法适用于需要清除小特征的质量差的几何模型。 ANSYS 13.0 中，两种四面体算法都可用于零件、体及多体零件，也可用于膨胀层网格。协调分片算法的分片面及边界考虑零件实体间的相互影响采用小公差，常用于考虑几何体的小特征，可以用虚拟拓扑工具把一些面或边组成组，构成虚拟单元，从而减少单元数目，简化小特征，简化载荷提取，因此如果采用虚拟拓扑工具可以放宽分片限制。独立分片算法的分片不是太严格，通常用于统一尺寸的网格。结构分析适用于协调分片算法划分，电磁分析和流体分析适合协调分片算法划分或独立分片算法划分，显式动力分析适用于独立分片算法划分或有虚拟拓扑的协调分片算法划分。在【Mesh】上右击鼠标，选择【Insert】→【Method】，选择要应用的实体，设置【Method】 =Tetrahedrons，【Algorithm】=Patch Conforming，如图 3­4 所示。不同的零件和体可用不同方法，注意图中考虑几何模型的倒圆面和边的网格划分结果。在【Mesh】上右击鼠标，选择【Insert】→【Method】，选择要应用的实体，设置【Method】 =Tetrahedrons，【Algorithm】=Patch Independent，【Min Size Limit】=2mm，如图 3­5 所示。注意图中不考虑几何模型的倒圆面和边，划分一致网格。明细窗口中有清除网格特征的附加设置【Mesh Based Defeaturing】，基于曲率和相邻的细化设置【Curvature and Proximity Refinement】，可以对不同体设置不同的曲率和相邻。ANSYSANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术 94 13.0 中增加了平滑过渡选项【Smooth Transition】，可以控制增长率和局部特征角，可以写出 ICEM CFD 文件【Write ICEM CFD Files】。该方法考虑指定命名选择的面和边。如果【Mesh Based Defeaturing】=ON，【Defeaturing Tolerance】中输入清除特征容差，则清除容差范围内的小特征，如图 3­5所示。图3­4 设置协调分片四面体网格划分方法图3­5 设置独立分片四面体网格划分方法具有膨胀层的四面体网格划分可以称为棱柱层，常用于解决 CFD 分析中的高梯度流量变化和近壁面复杂的物理特性；解决电磁分析的薄层气隙，解决结构分析的高应力集中区。膨胀层可以源自三角形和四边形面网格生成，可按照协调分片和独立分片四面体这两种网格划分方法增长，可使用整体网格设置和局部网格设置膨胀层，如图 3­6 所示。图3­6 膨胀层网格（3）六面体网格：六面体网格可以减少单元数量，加快求解收敛；单元和流体流动方向ANSYS 13.0 Workbench 网格划分及操作案例第 3 章 95 对齐，可提高分析精度，减少数值错误。可采用的方法有【Hex Dominant】、【Sweep】及【MultiZone】，对质量好的几何模型应首选六面体网格划分，各种六面体网格划分方法可协同工作。1）六面体域网格【Hex Dominant】：生成非结构化的六面体域网格，主要采用六面体单元，但是包含少量棱锥单元和四面体单元，用于那些不能扫掠的体，常用于结构分析。也用于不需要膨胀层及偏斜率和正交质量在可接受范围内的 CFD 网格划分。使用方法为：导航树中选择【Mesh】，右击鼠标，选择【Insert】→【Method】，图形区选择要划分的实体确认，明细窗口中设置【Method】=Hex Dominant，如图 3­7 所示。图3­7 六面体域网格 2）扫掠网格【Sweep】：对可以扫掠的实体在指定方向扫掠面网格，生成六面体单元或棱柱单元，扫掠划分要求实体在某一方向上具有相同的拓扑结构，实体只允许一个目标面和一个源面，但薄壁模型可以有多个源面和目标面。在【Mesh】分支上单击右键，选择【Show Sweepable Bodies】可以看到能够扫掠的体，此时该体被选中，如图 3­8所示。图3­8 显示可扫掠实体在【Mesh】上单击右键，选择【Insert】→【Method】，图形区中确认要扫掠的实体，明细窗口中设置【Method】=Sweep，如果对薄壁模型，补充设置薄层扫掠【Src/Trg Selection】=Automatic Thin，沿厚度的单元层数【Sweep Num Divs】=2，可以得到薄层扫掠网格，参见图3­9所示。图3­9 薄层扫掠网格ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术 96 3）多重区域网格【MultiZone】：基于 ANSYS ICEM CFD 六面体分块方法，自动对几何体进行分解成映射区域和自由区域，可以自动判断区域并对映射区生成结构化网格，即生成六面体/棱柱单元，对自由区域采用非结构化网格，即自由区域的网格类型【Free Mesh Type】可由四面体【Tetra】、六面体域【Hexa Dominant】或六面体核心【Hexa Core】来划分网格。可以具有多个源面和目标面。多重区域网格划分和扫掠网格划分相似，但更适合于用扫掠方法不能分解的几何体。在【Mesh】分支上单击右键，选择【Insert】→【Method】，图形区中确认要划分的实体，明细窗口中设置【Method】=MultiZone，选择自由区域的网格类型【Free Mesh Type】=Not Allowed/Tetra/Hexa Dominant/Hexa Core，设置源面/目标面的选择方式【Src/Trg Selection】 =Automatic/ManualSource，如果【Src/Trg Selection】=ManualSource，则需手工选择源面，在【Source】中确认，参见图 3­10。图3­10 多重区域网格（4）CutCell 网格【Cartesian】：这是 ANSYS 13.0 的新功能，生成笛卡尔 CutCell 网格。这是为 ANSYS FLUENT 设计的笛卡尔网格划分方法，采用自动修边的独立分片网格划分方法，用于对单体零件或多体零件的流体进行网格划分，不能划分装配体，也不能与其他网格方法混合使用，可以生成比四面体网格更好的网格，支持边界层，但不支持零厚度壁面。 1）【CutCell】网格划分的主要控