3D网格划分与质量优化

六面体网格和四面体网格是有限元中最常用的网格。对于同样的几何模型和网格尺寸,六面体网格质量高、数量少、计算时间短、计算精度好,但结构复杂的几何模型很难划分为六面体网格,并且也非常耗时。四面体网格数量要比六面体网格大得多,其计算效率低、计算精度差,但其适应性强,可以快速处理结构复杂的几何模型。因此,考虑到人体几何模型的复杂性,人体躯干有限元模型采用四面体网格。首先,将人体躯干几何模型导入到HyperMesh。为防止各组织器官之间的网格产生初始穿透,组织器官接触面以共节点方式连接。同时,对部分骨骼模型进行几何切割,将其切分为不同部分。然后,利用automesh模块将几何模型划分为2D三角形网格,并通过QualityIndex功能检查和优化网格质量。最后,在tetramesh模块中将2D网格划分为3D四面体网格,并利用Tetra Mesh Optimization对四面体网格进行质量检查和优化,肺脏网格模型如图5.12所示。通过网格的质量检查和优化以及初始穿透的检查后,扭曲度、翘曲度、雅可比和长宽比等指标满足计算要求,且网格无初始穿透。

图5.12　肺脏三维有限元模型

利用HyperMesh对人体躯干模型进行网格划分,得到如图5.13所示的人体躯干有限元模型。心脏、肺脏、肝脏和胸部骨骼等模型的结构特征接近于图5.3～图5.6所示的组织器官的真实结构。因此,本章节建立的人体躯干模型具有较高的结构逼真度。

图5.13　人体躯干有限元计算模型(www.xing528.com)

(a)皮肤/肌肉模型;(b)骨骼模型;(c)内脏器官模型

皮肤划分为Belytschko-Tsay壳单元,而其他人体组织器官划分为四面体单元,并采用Lagrange算法。基于*SECTION_SHELL关键字设置SHELL单元的厚度(即皮肤的厚度),并定义沿SHELL单元厚度方向的积分点数量(即皮肤层数,包括表皮层、真皮层和皮下组织)。基于*INTEGRATION_SHELL关键字设置表皮层、真皮层和皮下组织的Normalized坐标以及各皮肤层的厚度,并选取各皮肤层对应的材料模型。在冲击波损伤模型、防爆服和防弹衣后钝性损伤模型中,人体躯干模型网格尺寸较大;而在破片损伤模型及冲击波和破片联合损伤模型中,需要对人体躯干受破片命中区域的网格进行局部加密。各组织器官的单元数和节点数如表5.1所示。

表5.1　各组织器官的单元数和节点数

除皮肤外的组织器官之间的接触方式为自动面面接触*CONTACT_AUTOM-ATIC_SINGLE_SURFACE,皮肤和肌肉之间的接触方式为面面固连接触*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE。