ANSYS Workbench结构分析网格划分的总体控制和局部控制解析

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作者：尚晓江

导读：网格划分是有限元分析前处理的重要环节。一般来说，需要首先设置网格控制选项，然后再进行网格划分。在ANSYS Mechanical界面中，网格划分的控制选项可分为总体控制和局部控制两大类。总体控制可通过Mesh分支来实现，局部控制通过Mesh分支上下文菜单或Mesh工具栏实现。本文将向读者朋友介绍ANSYS Workbench结构分析中的常用网格划分选项及其作用原理。更多相关内容，可以关注尚晓江博士等编著的《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》（中国水利水电出版社，2020年版）。

一、网格划分总体控制选项

网格划分总体控制选项通过Mesh分支的Details选项进行设置，如下图所示。

常用的总体控制包括Defaults、Sizing、Quality、Advanced等，Quality为网格质量评价信息，感兴趣的读者可以参考之前发布的文章：ANSYS Mechanical中的网格质量评价方法与应用。Inflation选项多用于CFD边界层的网格控制，在结构分析中较少使用。Statistics为网格统计信息，如节点总数、单元总数等。下面对Defaults、Sizing及Advanced等总体选项进行介绍。

1、Defaults总体控制选项

如下图所示，Defaults是网格划分的缺省选项。

其中Element Order用于控制单元的阶数（老版本中为Element Midside Nodes选项），可以选择Program Controlled、Linear或Quadratic。对于实体结构通常会自动选择二次的186和187单元。Element Size用于设置缺省的总体网格尺寸，直接定义一个数值即可。Mechanical旧版本中是通过Relevance选项设置总体网格相对尺寸的，新版本已经不再采用。

2、Sizing总体控制选项

Sizing包含网格划分总体尺寸控制，具体选项与Use Adaptive Sizing设置有关。当Use Adaptive Sizing设置为Yes（缺省）时的尺寸选项如下图所示。

当Use Adaptive Sizing设置为No时的尺寸选项如下图所示。

下面对Sizing总体控制选项作简单的说明。

①Use Adaptive Sizing选项。

此选项用于控制自适应尺寸选项，缺省为Yes。

②Resolution选项。

当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，在0~7范围内选择，由0至7网格越来越密。

③Growth Rate和Max Size选项。

当Use Adaptive Sizing选项设为No时出现。Growth Rate表示相邻两层单元的边长增长率。Max Size为最大单元尺寸，可使用缺省值或用户指定的值。

④Mesh Defeaturing和Defeature Size选项。

Mesh Defeaturing选项用于设置细节特征的消除，缺省为Yes且需要指定Defeature Size值。Defeature Size值为一个正数，用户可以指定具体的数值。几何小特征清除支持的网格划分方法包括：3D实体划分的Patch Conforming Tetrahedron、Patch Independent Tetrahedron、MultiZone、Thin Sweep、Hex Dominant以及表面网格划分的Quad Dominant、All Triangles、MultiZone Quad/Tri等。对于Patch Independent Tetrahedron、MultiZone和MultiZone Quad/Tri划分方法，在这里指定的Defeature Size将会填充到方法局部控制选项中，如果后续修改了局部控制，则局部控制将改写此处指定的总体Defeature Size。

⑤Transition选项

当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，用于影响临近单元的尺寸过渡速率，可选择Slow或Fast，设为Slow将形成光滑过渡的网格，而设为Fast 则尺寸过渡较为突然。

⑥Span Angle Center

Span Angle Center选项仅当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，用于设置使用Adaptive Size Function时基于曲率的细化目标。对于曲线区域，网格将沿曲率再分直到单个单元跨过这个角度。Coarse选项一个单元最大跨过角度90度，Medium选项一个单元最大跨过角度75度，Fine选项一个单元跨过最大角度为36度。这里单元跨越的角度是指法向角度的改变量，如下图所示的α。

⑦Initial Size Seed

仅当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，此选项用于控制各部件的初始网格尺寸播种，可选择Assembly或Part选项，其中缺省选项为Assembly。Assembly表示基于包含所有部件的对角线范围；Part选项基于单一部件范围，通常可能会导致更精细的网格。

⑧Capture Curvature选项

Capture Curvature选项为曲率捕捉选项，仅当Use Adaptive Sizing选项设为No时出现。当Capture Curvature选项设置为Yes时，可指定Curvature Min Size和Curvature Normal Angle参数。Curvature Min Size为曲率附近的最小尺寸，Curvature Normal Angle为单元法向的最大跨角，网格将细化有曲率的区域直至单个单元跨过此角度，其意义与Span Angle Center中的法向角度改变量相同。

⑨Capture Proximity选项

当Use Adaptive Sizing选项设为No时出现。设置此选项为Yes时，可指定Proximity Min Size和Num Cells Across Gap参数。Proximity Min Size为间隙附近的最小单元尺寸，Num Cells Across Gap指定在狭窄的间隙中的单元数。Proximity Size Function Sources则决定面和边之间的哪个区域是proximity Size Function起作用的区域，可指定边（Edges）、面（Faces）或面和边（Faces and Edges）。指定为Edges时，仅边之间的狭窄面区域的网格被细化，而指定为Faces时，仅距离相近的表面之间的体积被细化。

3、Advanced总体控制选项

Advanced部分提供了一些网格的高级总体控制选项，如下图所示。

①Number of CPUs for Parallel Part Meshing

此选项用于设置并行部件分网使用的处理器个数。可选择0到256之间的数值。

②Straight Sided Elements

Straight Sided Elements选项用于指定单元为直边，可选择Yes或No，此选项可影响二次单元（Element Order设为Quadratic时）中间节点的放置。如下图(a)所示，设置此选项为Yes，所形成的二次单元均具有直边。如下图(b)所示，设置此选项为No，则形成的单元均具有曲边。

③Rigid Body Behavior

此选项用于指定刚体的网格划分选项，如果Geometry分支下没有被设置为刚性的体，则此选项为不可编辑状态。一般结构分析中缺省为Dimensionally Reduced，仅形成表面接触网格。

④Triangle Surface Mesher

此选项控制patch conforming划分方法将使用哪一种三角形面网格划分策略。可选择的选项包括Program Controlled以及Advancing Front。一般来说，advancing front 算法可提供更平滑的尺寸变化和更好的skewness以及orthogonal quality指标。

⑤Topology Checking

此选项控制在patch independent划分方法后续是否执行拓扑检查。缺省选择No，patch independent方法试图捕捉到受保护的拓扑并进行印记，但当网格尺寸过粗或由于受到限制不能捕捉特征时，跳过拓扑检查。选择Yes时，网格划分后运行拓扑检查以确保网格与受保护拓扑的正确关联，如果网格不能与拓扑特征正确关联就会报错。支持拓扑检查的网格划分方法包括3D的Patch Independent Tetra、MultiZone以及2D的MultiZone Quad/Tri、Quadrilateral Dominant、Triangles。

⑥Pinch

此选项用于在网格中忽略小的几何特征，以便在这些特征周围生成质量更好的单元。指定了Pinch控制后，满足准则的小特征将被“挤”掉。Pinch Tolerance选项用于指定pinch操作的容差（小于此容差的小特征将被清除）。

二、网格划分的局部控制选项

作者简介：尚晓江，仿真秀金牌讲师，工学博士，力学和有限元分析理论功底扎实，长期从事ANSYS软件应用与技术咨询工作，累计为国内用户开展培训或讲座逾3000人次，编著有《ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用（第三版）》、研究生教材《工程结构优化设计方法与应用》、《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》等。

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ANSYS Workbench结构分析网格划分的总体控制和局部控制解析

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