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网格划分技术&算法-ABAQUS6.12有限元分析指南

时间:2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于二维或三维结构,这三种网格划分技术拥有各自的网格划分算法。下面对各种网格划分技术及其算法进行介绍。选用扫掠网格划分技术的区域显示为黄色。扫掠网格划分技术通常用于划分拉伸区域或旋转区域,当扫掠路径是直边或样条曲线时,得到的网格称为拉伸扫掠网格;当扫掠路径是圆弧时,得到的网格称为旋转扫掠网格。用户可以使用扫掠网格划分技术划分六面体、六面体优先和楔形单元。

网格划分技术&算法-ABAQUS6.12有限元分析指南

在“网格控制属性”(Mesh Controls)对话框中,可选择的基本网格划分技术有三种:结构(Structured)、扫掠(Sweep)和自由(Free)。对于二维或三维结构,这三种网格划分技术拥有各自的网格划分算法。另外两个选项“保持原状”(As is)和“重复”(Multiple)不是网格划分技术,而是对应于某些复杂结构的网格划分方案。只有当网格划分技术或方案对当前所选择区域可用时,它们才显示为可选择项。

如果ABAQUS/CAE无法使用选择的技术进行网格划分,则模型在视图区中显示为橙色。下面对各种网格划分技术及其算法进行介绍。

■结构网格划分技术(Structured)

将简单的、预先定义的规则形状的网格(例如正方形或立方体)转变到将要被划分网格的几何区域上。该技术适用于简单的二维区域及用六面体单元划分的简单的三维区域。一般情况下,该技术能够很好地控制ABAQUS/CAE产生的网格,但生成的网格往往会偏离种子。选用结构化网格划分技术的区域显示为绿色。

●二维结构的结构化网格划分

对于二维结构,只有当模型区域内没有孔洞、孤立的边、孤立的点,且该区域包含3~5条逻辑边(如果包含虚拟拓扑,必须仅包含4条边)时,该区域才能被划分为结构化网格。该技术可以对二维结构划分四边形、四边形优先和三角形三种形状的单元。

“网格划分技术”(Technique)栏右侧包含以下两个选项:

最小化网格过渡(Minimize the mesh transition):该选项用于减少从粗网格到细网格的过渡。默认为选择该项,在大多数情况下能够减少网格扭曲,提高网格质量,但生成的网格会更加偏离种子。该选项仅适用于四边形单元。

“重新定义区域角点”(Redefine Region Corners):该按钮用于重新定义该区域的角点,ABAQUS/CAE将为选择角点侧的边合并为逻辑边,可以改变结构化网格的模式。

首次单击该按钮,提示区出现“接受加亮显示的角点”(Accept Highlighted)和“重新选择角点”(Select New)两个按钮。若再次单击“重新定义区域角点”按钮,则提示区出现三个按钮,前两个按钮同上,第3个按钮“恢复到默认”(Revert to Defaults)表示恢复到默认设置的角点。

●三维结构的结构化网格划分

对于三维结构,只有模型区域满足以下条件,才能被划分为结构化网格:

978-7-111-48652-7-Chapter07-17.jpg没有孔洞、孤立的面、孤立的边及孤立的点;

978-7-111-48652-7-Chapter07-18.jpg面和边上的弧度值小于90°;

978-7-111-48652-7-Chapter07-19.jpg三维区域内的所有面均可以运用二维结构化网格划分方法;

978-7-111-48652-7-Chapter07-20.jpg区域内的每个顶点属于三条边;

978-7-111-48652-7-Chapter07-21.jpg至少有四个面(如果包含虚拟拓扑,必须仅包含六条边);

978-7-111-48652-7-Chapter07-22.jpg各面之间要尽可能地接近90°(如果面与面之间的角大于150°,就应该对它进行分割);

978-7-111-48652-7-Chapter07-23.jpg若三维区域不是立方体,每个面只能包含一个小面;若三维区域是立方体,每个面

可以包含一些小面,但每个小面仅有四条边,且面被划分为规则的网格形状。

结构化网格划分技术可以对三维结构划分六面体和六面体优先单元。当选择六面体优先的情况时,ABAQUS/CAE会提示将得到一个完全由六面体组成的网格。采用结构化网格划分技术时,可能出现网格的内部结点位于模型的几何区域之外的情况,特别是模型区域中包含凹入的边界时。如果生成这种网格,用户必须重新进行网格划分,方法有:

978-7-111-48652-7-Chapter07-24.jpg加密种子重新划分网格;

978-7-111-48652-7-Chapter07-25.jpg将模型分割成更小的且更规则的区域;

978-7-111-48652-7-Chapter07-26.jpg重新定义该区域的角点;

978-7-111-48652-7-Chapter07-27.jpg选择另外的网格划分技术。

978-7-111-48652-7-Chapter07-28.jpg扫掠网格划分技术(Sweep)

ABAQUS/CAE首先在起始边/面上生成网格,然后沿扫掠路径复制起始边/面网格内的结点,一次前进一个单元,直到目标边/面,从而得到该模型区域的网格。选用扫掠网格划分技术的区域显示为黄色。

为了确定一个区域是否可以使用扫掠网格划分技术,ABAQUS/CAE要检测该区域是否能沿着从起始边/面到目标边/面的扫掠路径进行复制。一般情况下,ABAQUS/CAE选择最复杂的边/面作为起始边/面,用户不可以自己选择起始边/面和目标边/面,但可以选择扫掠路径。

扫掠网格划分技术通常用于划分拉伸区域或旋转区域,当扫掠路径是直边或样条曲线时,得到的网格称为拉伸扫掠网格;当扫掠路径是圆弧时,得到的网格称为旋转扫掠网格。

●二维结构的扫掠网格划分

对于二维结构,可以使用该技术划分四边形和四边形优先两种形状的单元。当起始边/面与旋转轴有一个交点时,必须使用四边形优先,因为网格划分时在交点处会产生一层三角形单元。

“网格划分技术”栏右侧仅包含“重新定义扫掠路径”(Redefine Sweep Path)按钮。若该区域包含多个有效的扫掠路径,单击该按钮,提示区出现三个按钮。

“接受加亮显示的角点”:该按钮用于接受加亮显示的角点。

“反向”:单击该按钮,扫掠路径反向,提示区出现两个按钮,单击“反向”按钮改变扫掠路径的方向,单击“确定”按钮确定该扫掠路径并回到“网格控制属性”对话框。

“选择新路径”:该按钮用于选择新的扫掠路径。单击该按钮在视图区选取边作为扫掠路径。

若该区域仅包含一个有效的扫掠路径,单击“重新定义扫掠路径”按钮。

●三维结构的扫掠网格划分

对于三维结构,只有模型区域满足以下条件,才能被划分为扫掠网格:

978-7-111-48652-7-Chapter07-29.jpg连接起始面和目标面的每个面(称为连接面)只包含一个小面,且不含有孤立的边或点;

978-7-111-48652-7-Chapter07-30.jpg目标面仅包含一个小面,且没有孤立的边或点;

978-7-111-48652-7-Chapter07-31.jpg若起始面包含两个及两个以上的小面,则这些小面间的角度接近180°;

978-7-111-48652-7-Chapter07-32.jpg每个连接面由四条边组成,边之间的角度接近90°;(www.xing528.com)

978-7-111-48652-7-Chapter07-33.jpg每个连接面与起始面、目标面之间的角度接近90°。

此外,如果旋转体区域与旋转轴相交,则不能使用扫掠网格划分技术;如果被划分区域的一条或多条边位于旋转轴上,ABAQUS/CAE不能用六面体或楔形单元对该区域进行扫掠网格划分,而必须选择六面体优先形状的单元;当扫掠路径是一条封闭的样条曲线时,该样条曲线必须被分割为两段或更多。

用户可以使用扫掠网格划分技术划分六面体、六面体优先和楔形单元。

ABAQUS/CAE首先在起始面上采用自由网格划分技术分别划分四边形、四边形优先、三角形三种形状的单元,然后沿扫掠路径复制起始面内的结点,直到目标面,分别得到三种形状的网格。

对于三种形状的单元,“网格划分技术”栏右侧包含的内容不尽相同,下面分别进行介绍。

●六面体单元

978-7-111-48652-7-Chapter07-34.jpg算法(Algorithm):该栏用于选择网格划分算法。

978-7-111-48652-7-Chapter07-35.jpg中轴算法(Medial axis):此为默认算法。ABAQUS/CAE首先将要进行网格划分的区域分解为一系列简单的区域,然后使用结构化网格划分技术对这些区域进行划分。使用该算法,生成的网格往往会偏离种子,但单元形状较为规则。如果区域的形状较简单且包含较多的单元,则使用该算法划分网格比使用进阶算法(Advancing front)更快。

978-7-111-48652-7-Chapter07-36.jpg最少网格过渡(Minimize the mesh transition):该选项用于减少从粗网格到细网格的过渡。默认为选择该项。

978-7-111-48652-7-Chapter07-37.jpg进阶算法(Advancing front):先在区域边界上生成六面体单元,接着逐步在区域内部生成六面体单元,最终完成网格划分。使用该算法,生成的网格与种子吻合得较好,产生较为均匀的网格,但在狭窄的区域可能导致网格的歪斜。当模型包含多个相连的区域时,使用进阶算法可以减少由于各区域内结点分布的不同而导致的分界面网格的不规则。若模型区域包含虚拟拓扑或不精确的部分,则只能使用进阶算法进行网格划分。

978-7-111-48652-7-Chapter07-38.jpg如果可能则使用映射网格(Use mapped meshing where appropriate):映射网格划分是结构化网格划分的子集,是结构化网格应用于二维四边形区域的特殊情况。选择该选项,ABAQUS/CAE首先判断映射网格划分能否提高该四边形区域的网格质量;若能,则ABAQUS/CAE略微调整种子,使该区域中对边具有相同数量的种子,进而运用映射网格划分(Mapped meshing)。当复杂的结构包含简单几何形状的面时,特别是狭长的四边形面时,选择该选项通常能提高网格质量。

978-7-111-48652-7-Chapter07-39.jpg重新定义扫掠路径(Redefine sweep path):该按钮用于重新定义扫掠路径,其用法与二维结构的扫掠网格划分相同,在此不再赘述。

●六面体优先单元

978-7-111-48652-7-Chapter07-40.jpg算法:该栏用于选择网格划分算法。

978-7-111-48652-7-Chapter07-41.jpg中轴算法:如前所述,采用中轴算法进行网格划分,但不包含“最少网格过度”项。

978-7-111-48652-7-Chapter07-42.jpg进阶算法:此为默认算法,设置与六面体单元相同,仍包含如果可能则“使用映射网格”项,在此不再赘述。

978-7-111-48652-7-Chapter07-43.jpg重新定义扫掠路径:该按钮用于重新定义扫掠路径,其用法与二维结构的扫掠网格划分相同,在此不再赘述。

●楔形单元

仅包含“重新定义扫掠路径”按钮。

■自由网格划分技术(Free)

自由网格划分技术具有很强的灵活性,适用于划分形态非常复杂的模型区域。在网格生成之前,不能对所划分的网格模式进行预测。选用自由网格划分技术的区域显示为粉红色。

●二维结构的自由网格划分

对于二维结构,可以使用该技术对平面或曲面划分四边形、四边形优先和三角形三种形状的单元。对于三种形状的单元,其“算法”栏包含的内容不尽相同,下面分别进行介绍。

■四边形单元

◆中轴算法:同六面体扫掠网格划分,此为默认算法。

◆最少网格过渡:同六面体扫掠网格划分,默认选择该项。

◆进阶算法:同六面体,该栏用于选择进阶算法划分网格,包含“如果可能则使用映射网格”。

978-7-111-48652-7-Chapter07-44.jpg四边形优先单元

◆中轴算法:同六面体优先扫掠网格划分,该栏用于选择中轴算法划分网格。

◆进阶算法:同六面体优先扫掠网格划分,此为默认算法,仍包含“如果可能则使用映射网格”项。

◆三角形单元:仅包含“如果可能则使用映射网格”项。

●三维结构的自由网格划分

对于三维结构,仅能使用该技术划分四面体单元。ABAQUS/CAE首先在模型区域的外部表面划分三角形网格,再用这些三角形网格生成内部的四面体单元。“网格控制属性”对话框中的算法设置不同于二维结构的自由网格划分。

978-7-111-48652-7-Chapter07-45.jpg使用默认算法(Use default algorithm):该栏用于选择默认的网格划分算法。此默认算法适用于绝大多数模型,特别是具有复杂形状或狭窄的区域。若不选择该项,ABAQUS/CAE使用前一步设置中的算法进行网格划分。

978-7-111-48652-7-Chapter07-46.jpg增加内部单元尺寸(Increase size of interior elements):如果模型的网格密度足够且重点分析区域位于边界,用户可以选择该选项来增加内部单元的尺寸,提高计算效率

978-7-111-48652-7-Chapter07-47.jpg适当增加尺寸(Moderate growth):该选项用于适当增加内部单元的尺寸。

978-7-111-48652-7-Chapter07-48.jpg最大增加尺寸(Maximum growth):该选项用于最大程度地增加内部单元的尺寸。

978-7-111-48652-7-Chapter07-49.jpg如果可能则使用四面体向边界面映射(Use mapped tri meshing on bounding faces where appropriate):类似于之前介绍的“如果可能则使用映射网格”项。选择该选项,ABAQUS/CAE首先判断映射网格划分能否提高边界面的网格质量;若能,对

这些边界面运用映射网格划分代替自由网格划分,进而得到四面体单元。

■重复(Multiple)和保持原状(As is)

用户单击工具区中的“分配网格控制”(Assign Mesh Controls)工具,选择模型的几个区域,并在“网格控制属性”对话框中改变单元形状(Element Shape)。

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