结构分析有限元网格划分基础

有限元分析中的网格划分是什么?

有限元分析(FEA)是由零件/组件、材料特性和边界条件组成的物理系统的数学表示。在一些情况下，现实世界中的产品行为无法通过简单的手工计算来近似。像FEA这样的通用技术是一种使用偏微分方程精确捕捉物理现象来表示复杂行为的方便方法。FEA已经成熟并大众化，因此设计工程师和专家都可以使用它。

啮合是利用有限元法进行精确模拟的最重要步骤之一。网格由包含节点(空间中的坐标位置可以随元素类型而变化)的元素组成，这些节点表示几何形状。FEA求解器不容易处理不规则形状，但更适合处理常见形状，如立方体。网格划分是将不规则形状转换为更容易识别的称为“元素”的体积的过程。

在开始网格划分之前，您必须首先将几何图形或CAD模型上载到，例如，Ansys机械开始模拟过程。

如何准备您的CAD/几何网格

在使用FEA仿真软件(如Mechanical)时，确定CAD模型中的哪些特征需要进行网格划分，哪些特征不需要进行网格划分是很重要的。很多时候，CAD几何对于制造目的是非常复杂和详细的。但是对于一个模拟，你可能不需要每一个细节，所以你的部分几何图形可以去修饰，这意味着删除这些细节来节省时间。

例如，你的产品可能有一个名牌附加。您可能不需要学习此铭牌的物理效果，因此可以对铭牌进行减形，以避免创建网格，从而节省网格和解决时间。

使用Ansys SpaceClaim例如，几何图形上的铭牌很容易变形，以避免对铭牌进行潜在的不必要的分析。

准备CAD模型进行仿真的另一个重要方面是描述几何图形中两个或多个部件之间的关系。例如，如果你的几何图形在公共面(或边)之间共享节点，那么决定它是正形网格还是非正形网格就很重要。保形网格用于用胶水或焊接连接的部件。非保形网格用于由触点或关节连接的部件。在Ansys Mechanical中，您可以混合这些方法来满足您的需求。

阅读3个步骤来提高你的有限元模型博客了解更多。

网格划分方法:四面体与六面体

主要有两种类型的网格划分方法。出于这些目的，我们参考3D模型:

• 四面体单元网格或“tet”
• 六面体单元网格或“hex”

十六进制或“砖”元素通常比tet元素在更低的元素计数下得到更准确的结果。如果它是一个复杂的几何，tet元素可能是最好的选择。这些默认的或自动的网格划分方法可能足以让你到达你需要去的地方，然而，还有其他的方法可以给你更多的网格控制。

混合网格

在Mechanical中，你可以使用Multizone方法，这是十六进制和tet元素的混合，允许你用不同的方法网格不同的几何部分。这允许您执行更少的几何准备，并有更多的本地控制网格。

使用Ansys Mechanical的混合网格功能的管道连接几何

扫描啮合

通过扫描网格，网格实际上“扫描”网格通过体积和面，以帮助创建具有常规尺寸的高效网格。

决定使用哪种网格方法通常取决于你要解决的分析类型(显式或隐式)或物理问题，以及你想要达到的精度水平。其他一些选择是笛卡尔网格和分层tets，用于特定的分析，如增材制造。

网格控件

网格控制使一个更精确的网格。Ansys Mechanical使您能够控制局部网格，而不是使用相同的方法来控制整个CAD的全局网格。局部网格控制的一些例子包括局部大小调整、优化和几何形状的影响范围去化。

让我们以摩托车车架为例。您可能希望在整个几何结构上应用通用网格方法，但在焊接和螺栓连接处使用不同的策略。使用本地网格控制允许您在这些位置创建更精细的网格，而不是用更小的元素网格整个部分，这将需要更长的时间来解决。

一个摩托车框架几何网格显示焊接接头。

为什么高质量的网格很重要?

简单地说，高质量的网格等于更精确的结果。糟糕的网格会导致收敛困难，从而导致不正确的结果和错误的结论。网格的质量取决于以下几种情况:

• 你在进行什么类型的分析。
• 你想在网格上投入多少时间。
• 你想花多少时间来解题。

在某些情况下，你可能正在寻找一个快速的解决方案——这将有助于澄清设计决策。在这种情况下，你可能不想花很多时间设置你的网格。其他时候，你可能想要一个非常精确的解决方案或结果，这将需要一些时间和精力来使用不同的方法和控件来设置网格。

一个好的网格有一个符合你需求的质量标准(分析类型，精度水平，时间)，比如元素质量和纵横比。最后，我们建议您了解您的几何图形并使用控件来获得最好的网格-毕竟，这将导致更好的产品设计。

了解更多，请浏览我们的啮合课程介绍在Ansys学习中心，或查看网络研讨会Ansys多物理场模拟裂纹扩展分析．