ANSYS有限元网格划分的基本原则.pdf

ANSYS 有限元网格划分的基本原则 1 引言 ANSYS 有限元网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响 着后续数值计算分析结果的精确性。 网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、 单 元类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号以及几何体素。从几何表 达上讲，梁和杆是相同的，从物理和数值求解上讲则是有区别的。同理，平面应 力和平面应变情况设计的单元求解方程也不相同。 在有限元数值求解中， 单元的 等效节点力、刚度矩阵、质量矩阵等均用数值积分生成， 连续体单元以及壳、 板、 梁单元的面内均采用高斯（ Gauss）积分，而壳、板、梁单元的厚度方向采用辛 普生 （Simpson）积分。辛普生积分点的间隔是一定的， 沿厚度分成奇数积分点。 由于不同单元的刚度矩阵不同， 采用数值积分的求解方式不同， 因此实际应用中， 一定要采用合理的单元来模拟求解。 2 ANSYS 网格划分的指导思想 ANSYS 网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构 造、单元类型的选择、 网格密度的确定等多方面的内容。 在网格划分和初步求解 时，做到先简单后复杂，先粗后精， 2D 单元和 3D 单元合理搭配使用。为提高 求解的效率要充分利用重复与对称等特征， 由于工程结构一般具有重复对称或轴 对称、镜象对称等特点， 采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。 利 用轴对称或子结构时要注意场合， 如在进行模态分析、 屈曲分析整体求解时， 则 应采用整体模型， 同时选择合理的起点并设置合理的坐标系， 可以提高求解的精 度和效率， 例如，轴对称场合多采用柱坐标系。 有限元分析的精度和效率与单元 的密度和几何形状有着密切的关系， 按照相应的误差准则和网格疏密程度， 避免 网格的畸形。 在网格重划分过程中常采用曲率控制、 单元尺寸与数量控制、 穿透 控制等控制准则。 在选用单元时要注意剪力自锁、 沙漏和网格扭曲、 不可压缩材 料的体积自锁等问题 ANSYS 软件平台提供了网格映射划分和自由适应划分的策略。映射划分用 于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体 和六面体， 通过指定单元边长、 网格数量等参数对网格进行严格控制， 映射划分 只用于规则的几何图素， 对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难以控 制。自由网格划分用于空间自由曲面和复杂实体，采用三角形、四边形、四面体 进行划分，采用网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。 3 ANSYS 网格划分基本原则 3.1 网格数量 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。 一般来讲， 网格 数量增加， 计算精度会有所提高， 但同时计算规模也会增加， 所以在确定网格数 量时应权衡两个因数综合考虑。 图 1 位移精度和计算时间随网格数量的变化 图 1 中的曲线 1 表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线， 曲线 2 代表 计算时间随网格数量的变化。 可以看出， 网格较少时增加网格数量可以使计算精 度明显提高， 而计算时间不会有大的增加。 当网格数量增加到一定程度后， 再继 续增加网格时精度提高甚微， 而计算时间