Ansys有限元分析

网格划分在ANSYS Workbench 15.0 中是一个独立的工作平台，它可以为ANSYS 不同

的求解器提供对应的网格文件。有限元分析离不开网格的划分，网格划分的好坏将直接关

系到求解的准确度以及求解的速度。网格划分的目的是对CFD（流体）和FEA （结构）模型实现离散化，是把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元。

ANSYS 网格划分的应用程序采用的是Divide& Conquer （分解克服）方法。

几何体的各部件可以使用不同的网格划分方法，亦即不同部件的体网格可以不匹配

或不一致。

1. 3D 实体划分法

（1）自动划分法（ Automatic）

自动设置四面体或扫掠网格划分，如果体是可扫掠的，则体将被扫掠划分网格，否则将使

用Tetrahedrons（四面体）下的Patch Conforming（符合的补丁）网格划分器划分网格。同一部件的体具有一致的网格单元。

（2）四面体划分法（ Tetrahedrons）四面体划分法包括Patch Conforming 划分法（ Workbench 自带功能）及Patch Independent划分法。Patch Independent网格划分时可能会忽略面及其边界，若在面上施加了边界条件，便不能忽略。它有两种定义方法： Max Element Size 用于控制初始单元划分的大小； Approx number ofElements用于控制模型中期望的单元数目（可以被其他网格划分控制覆盖）。当Mesh Based Defeaturing 设为ON时，在DefeaturingTolerance 选项中设置某一数值时，程序会根据大小和角度过滤掉几何边。

（3）六面体主导法（ Hex Dominant）

首先生成四边形主导的面网格，然后得到六面体，最后根据需要填充棱锥和四面体单元。

该方法适用于不可扫掠的体或内部容积大的体，而对体积和表面积比较小的薄复杂体、CFD

无边界层的识别无用。

（4）扫掠划分法（ Sweep）

通过扫掠的方法进行网格划分，网格多是六面体单元，也可能是楔形体单元。

（5）多区划分法（ MultiZone ）

多区及扫掠划分网格是一种自动几何分解方法。使用扫掠方法时，元件要被切成3 个体来

得到纯六面体网格。

2．对于面体或壳二维几何

对于面体或壳二维（ 2D）几何， ANSYS Workbench 提供的网格划分方法有：

四边形单元主导（ Quad Dominant ）。

三角形单元（ Triangles）。

均匀四边形/三角形单元（ Uniform Quad/Tri ）。

均匀四边形单元（ Uniform Quad ）

3. 网格划分技巧

1．对于结构网格

可以通过细化网格来捕捉所关心部位的梯度（包括温度、应变能、应力能、位移等）。

结构网格大部分可划分为四面体网格，但首选网格是六面体单元。

有些显式有限元求解器需要六面体网格。

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．对于CFD 网格

可以通过细化网格来捕捉关心的梯度（包括速度、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（提高网格质量和平滑度会导致较大

的网格数量，通常以数百万单元计算）。

大部分可划分为四面体网格，但首选网格是六面体单元。

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）。

3．网格划分的注意事项

1. 网格划分时需要注意细节，几何细节是和物理分析息息相关的，不必要的细节会大

大增加分析需求。

2. 需要注意网格细化，复杂应力区域等需要较高密度的网格

3. 需要注意效率，大量的单元需要更多的计算资源（内存、运行时间），网格划分是

需要在分析精度和资源使用方面进行权衡。

4. 需要注意网格质量，在网格划分时，复杂几何区域的网格单元会变扭曲，由此导致

网格质量降低，劣质的单元会导致较差的结果，甚至在某些情况下得不到结果

4. 网格划分尺寸策略

1．力学分析网格尺寸策略

利用最小输入的有效方法来解决关键的特征。

定义或接受少数全局网格尺寸并设置默认值。

利用Relevance 和Relevance Center 进行全局网格调整。

根据需要可对体、面、边、影响球定义尺寸，可以对网格生成的尺寸施加更多的

控制。

2．CFD 网格尺寸策略

在必要的区域依靠AdvancedSize Functions （高级尺寸功能）细化网格，其中默认为

Curvature，根据需要可以选择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

格需要在最小尺寸下作用一个硬尺寸；可以使用收缩控制来去除小边和面，以确保

收缩容差小于局部最小尺寸。

根据需要可以对体、面、边或影响球定义软尺寸，可以对网格生成的尺寸设置更多

的控制。

5. 3D 几何网格划分

其中四面体为非结构化网格，六面体通常为结构化网格，棱锥为四面体和六面体之间的过渡网格，棱柱由四面体网格被拉伸时生成。四面体网格划分在三维网格划分中是最简单的（主要应用）

四面体网格具有鲜明的优缺点。

优点：四面体网格可以施加于任何几何体，可以快速、自动生成；在关键区域容易

使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格；可以使用膨胀细化实体边界附近的网格（即边界层识别），边界层有助于面法向网格的细化，但在2D （表面网格）中仍是等向

的；为捕捉一个方向的梯度，网格在所有的三个方向细化，即等向细化。

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；网格一般不可能在

一个方向排列；由于几何和单元性能的非均质性，故而不适合于薄实体或环形体；

在使用等向细化时网格数量急剧上升。

四面体网格划分时常用的参数如下。

最大、最小尺寸。

面、体尺寸。

高级尺寸（ Curvature and/or Proximity ）。

增长比（对CFD 逐步变化，避免突变）。

平滑（有助于获取更加均匀尺寸的网格）。

统计学。

Mesh Metrics 。

局部网格质量控制：

Sizing:可对面、线、体实行局部网格细化。可以设定网格尺寸和使用球控制。和mapped face meshing的区别是sizing不可改变单元类型。

Contact sizing：在接触区域进行网格控制。

Refinement：对原有网格进行1-3倍的细化。

mapped face meshing：在面上进行规格的网格控制，可改变网格单元类型。

网格质量检查：

1. Mesh Metric（单元质量）：其值越接近1，说明网格质量越好。

2. Aspect Radio（网格宽高比）：其值越接近1，说明网格质量越好。

3. Jacobian Ratio（雅克比比率）：其值越接近1，说明网格质量越好。

4. Orthogonal Quality（正交品质）：其值越接近1，说明网格质量越好。

5. Wraping Factor（扭转系数）：其值越接近0，说明网格质量越好。

6. Parallel Deviation（平行偏差）：其值越接近0，说明网格质量越好。

7. Skewness（偏斜）：其值越接近0，说明网格质量越好。

应力（stress）：

Equivalent (von Mises)：等效应力（第四强度理论）

Maximum, Middle, and Minimum Principal：第一，二，三主应力

Maximum Shear：最大切应力

Intensity：

Vector Principals：三个主应力的方向

Error (Structural)：用于检查应力集中的区域，需改善该区域的网格划分（更精致），以获得更精确的解。

连接（joint）;

Fixed Joint(固定连接)：约束所有自由度

Revolute Joint（旋转连接）：两构件只可以绕一个轴转动（约束5个自由度）

Cylindrical Joint（圆柱连接）：只可在圆柱上轴向移动和转动

Translational Joint（平移接头）：移动副

Slot Joint（槽接）

Universal Joint（万向接头）

Spherical Joint（球形接头）

Planar Joint（平面副）：只可在平面上运动

Bushing Joint（套管）