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否
六面体
2.划分网格的过程
在ANSYS程序当中,有限元的网格是由程序自己来完成的,用户所要做的就是通过给出一些参数和命令来对程序实行“宏观调控”。
网格划分过程的3个步骤如下:
1定义单元属性。
定义单元属性的操作主要包括定义单元类型、定义实常数和定义材料参数等。
2定义网格划分控制。
ANSYS程序提供了大量的网格生成控制,用户可以根据模型的形状和单元特点选用。
3生成网格。
其中第②步的设置有时是不需要的,因为默认网格控制对许多模型都是适用的。
可定义单元属性对于网格划分来说是必不可少的,它不仅影响到网格划分,而且对求解的精度也有很大影响。
二、定义单元属性
在生成节点和单元网格之前,必须定义合适的单元属性。
1.定义单元类型
在有限元分析过程中,对于不同的问题,需要应用不同特性的单元,单元选择不当,直接影响到计算能否进行和结果的精度。
ANSYS的单元库中提供了200多种单元类型,每个单元都有唯一的编号,如LINK1、PLANE2、BEAM3和SOLID45等,几乎能解决大部分常见问题。
下面用GUI的方式介绍定义单元类型的常用操作步骤。
(1)选择MainMenu>
Preprocessor>
ElementType>
Add/Edit/Delete命令,弹出如图5-2所示的ElementType对话框。
(初次定义时,列表框中显示“NONEDEFINED”,表示没有任何单元被定义。
)
图5-2定义单元类型路径、添加单元类型对话框
(2)单击Add...按钮,弹出LibraryofElementTypes对话框,如图5-3所示。
可以看到,列表框中列出了单元库中的所有单元类型。
左侧列表框中显示的是单元的分类,右侧列表框为单元的特性和编号,选择单元时应该先明确自己要定义的单元类型,如LINK、PLANE、BEAM和SOLID等,然后从右边列表框中选择合适的单元。
(3)在左侧列表框中选择Solid,则右侧列表框中将显示所有的Solid单元,如Brick8node45即为Solid45单元。
选中此单元,并在Elementtypereferencenumber文本框中输入参考号,默认为“1”,单击OK按钮即可,如图5-3所示。
(4)此时,单击Apply按钮,可继续添加别的单元类型,同时Elementtypereferencenumber文本框中的数值将自动变为“2”。
用户可以模仿前面介绍的方法,定义一个BEAM3单元,单击OK按钮后,返回单元类型对话框,如图5-4所示。
图5-3单元类型库对话框
(5)如想删除单元类型,在图5-4所示的对话框中选中单元,单击Delete按钮即可。
对于不同的单元有不同的选项设置。
例如前面定义的BEAM3单元,在图5-4所示的对话框中,选中BEAM3,单击Options...按钮,将弹出如图5-5所示的BEAM3elementtypeOptions对话框。
BEAM3单元只有三个选项,分别为K6、K9和K10,选项设置不再详述。
图5-4已定义的单元类型图5-5确定单元参数
可以选择UtilityMenu>
List>
Properties>
ElementTypes命令,列表显示所有定义的单元设置,如图5-6所示。
图5-6单元选项
2.定义实常数
详见第四章。
3.定义材料属性
三、网格划分控制
网格划分控制能建立对实体模型划分网格所需要的各种参数,如单元形状、中间节
点位置、单元大小等。
此步骤是整个分析中最重要的因素之一,因为此阶段的设置将决
定生成的模型在分析时是否能够满足准确性和经济性的要求。
本节结合网格工具介绍网格控制。
1.ANSYS网格划分工具(MeshTool)
ANSYS网格划分工具如图5-7所示,
(GUI路径:
MainMenu>
Preprocessor>
Meshing>
MeshTool)提供了最常用的网
格划分控制和网格划分操作的便捷途径。
其功能主要包括:
①设置单元属性,为单元属性分配选项。
②SmartSizing控制,SmartSize网格划分
控制;
③单元尺寸控制;
④指定单元形状;
⑤指定网格划分类型,自由或映射。
⑥局部细化网格控制。
2.设置单元属性
在ElementAttributes下拉列表框中可
以选择Global、Volumes、Areas、Lines或
Keypoint选项进行属性设置。
比如选择
Global,单击Set按钮,将弹出如图5-8所
示的MeshingAttributes对话框,可在该对
话框中设置对应的单元类型、材料属性、
实常数、坐标系及单元截面(如果定义了
BEAM单元或SHELL单元,才会有单元
截面项)。
图5-8设置单元属性对话框
3.SmartSize网格划分控制
SmartSizing——智能网格划分功能,是ANSYS提供的强大的自动网格划分工具,使用SmartSize在很多情况下更有利于在网格生成过程中生成形状合理的单元。
ANSYS中有两种SmartSizing控制:
基本控制和高级控制。
4.单元尺寸控制
图5-9所示为网格划分工具提供的单元尺寸控制选项,可以对面、线、层和关键点的单元大小进行设置,还可以对全局单元尺寸进行设置。
5.指定单元形状
同一个网格区域的面单元可以是三角形或四边形,体单元可以是六面体或四面体形状。
因此在进行网格划分之前,应确定是使用ANSYS默认设置的单元形状,还是指定单元形状。
用网格划分工具指定单元形状的操作如下:
(1)选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool命令,打开如图5-7所示的MeshTool对话框。
(2)在Mesh下拉列表框中选择需要划分的对象类型。
当选择面网格划分时,在Shape选项组中选择Quad(四边形)或Tri(三角形)选项;
当选择体网格划分时,可选择Tet(四面体)或Hex(六面体)选项,如图5-10所示。
图5-9单元尺寸控制选项图5-10单元形状控制选项
单元形状设置操作也以在MesherOptions(网格划分器选项)对话框中进行,操作如下:
(1)选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MesherOpts命令,打开MesherOptions对话框。
(2)在MesherOptions对话框中有TriangleMesher(三角形网格划分器)、QuadMesher(四边形网格划分器)和TriMesher(四面体网格划分器)等。
6.指定网格划分类型
在进行一般的网格控制之前,应该考虑好使用自由网格划分(Free)还是映射网格划分(Mapped)。
自由网格划分操作,对实体模型无任何特殊要求,即使是不规则,也可以进行网格划分。
对面进行网格划分,自由网格可以由三角形或者四边形单元组成,也可由两者混合组成,当面边界上总的单元划分数目为偶数时,面的自由网格划分将全部生成四边形网格,当单元划分数目为奇数时将可能生成三角形网格。
而体的自由网格通常只能包含四面体单元。
映射网格划分要求面或者体有规则的形状,即必须满足一定的准则。
同时SmartSizing不支持映射网格划分。
面映射网格包括全部是四边形单元或者全部是三角形单元。
面接受映射网格划分,必须满足以下条件:
①该面必须是三条边或四条边。
②如果是四条边,对边必须划分为相同数目的单元,或者是划分一过渡型网格。
③如果是三条边,则各边设置的单元划分数必须为偶数且相等,否则ANSYS软件会
自动决定单元划分数。
④网格划分必须设置为映射网格。
如果一个面多余四条边,则不能直接用映射网格划分,但可以使某些线相连接,使总线数减小到4条之后再用映射网格划分。
具体方法将在后面介绍。
体映射网格全部为六面体单元,体接受映射网格划分,必须满足以下条件:
①体的外形应为块状(有6个面)、楔形或三棱柱(5个面)、四面体(4个面)。
②对边上必须划分相同的单元数,或分割符合过渡网格形式适合六面体网格划分。
③如果是棱柱或四面体,三角形面边界上的单元划分数必须是偶数。
即体要满足体的面数不多于6,同时体的各个边界面要满足对面进行映射网格划分的条
件。
图5-11所示为体映射网格划分示例。
a)六面体b)五面体c)四面体
图5-11体映射网格划分示例
7.局部细化网格控制
细化局部网格的过程实际上是将原有的单元进行了剖分。
网格细划是在网格划分工具MeshTool的局部细化网格控制Refineat下拉列表框中完成,如图5-12所示。
在Refineat下拉列表框中可以选择Nodes(节点)、Elements(单元)、Keypoints(关键点)、Lines(线)、Areas(面)和AllElems(所有单元),以确定局部细化网格的部位。
图5-12局部细化网格控制选项
第2节划分网格实例1——2D问题
ANSYS单元库中的PLANE单元和SHELL单元都可以用来对面进行网格划分。
图5-13六边形薄平板几何模型
一、自由网格划分
问题
如图5-13所示六边形薄平板,厚度为1mm,边长为10mm,试对平板进行网格划分。
解题过程
1.生成几何模型
运行MainMenu>
Preprocessor>
Modeling>
Create>
Areas>
Polygon>
Hexagon命令,弹出图5-14所示HexagonalArea拾取框,完成拾取框设置后,单击拾取框中的OK按钮,生成如图5-15所示的几何模型。
图5-14等边六角形拾取框图图5-15生成等边六角形
2.定义单元类型
选择MainMenu>
ElementType>
Add/Edit/Delete命令,出现ElementTypes对话框,单击Add按钮,出现如图5-3所示的LibraryofElementTypes对话框。
在LibraryofElementTypes复选框中选择StructuralSolid,Quad4node42,单击OK按钮,关闭该对话框。
在ElementTypes对话框文本中显示已定义的单元类型,如图5-16所示。
单击ElementTypes对话框上的Close按钮,关闭该对话框。
图5-16已定义的单元类型图5-17选择网格划分水平值图5-18单元形状选择
3.划分网格
MeshTool命令,出现MeshTool菜单,选择SmartSize选项,选择适合的网格划分水平值,如图5-17所示。
单元形状选择Quad选项,划分方式选择Free选项,如图5-18所示。
单击Mesh按钮,弹出MeshAreas拾取框,如图5-19所示。
选择面1,单击OK按钮完成网格划分,结果如图5-20a)所示。
图5-19MeshAreas拾取框图5-20自由网格方式划分结果
图5-20b)所示为单元类型选择StructuralSolid,Triangle6node2,即PLANE2单元,网格划分水平值为6,单元形状选择Tri选项,划分方式选择Free选项得到的网格划分结果。
以上操作也可通过GUI完成:
Mesh>
Free。
二、映射网格划分
对于2-D平面结构,映射网格要求必须为四边形和三角形结构,如果实体模型结构复杂,则必须将其拆分成若干个四边形或三角形的组合结构,分别对其进行网格划分,但必须注意拆分时线与线夹角不要太小或太大,如图5-21所示。
也可执行LCCAT(连接线)命令,将多条相邻的线(面)连接成一条线(面),满足四边形或三角形的要求如图5-22所示。
映射面网格也可以是四边形或三角形单元。
图5-212-D平面结构拆分举例
图5-22连接线进行网格划分
下面仍以六边形面为例,介绍映射网格的划分方法。
生成几何模型与定义单元类型的过程同自由网格划分。
不在详述。
下面介绍映射网格划分的不同方法。
1.结构拆分映射网格划分
运行主菜单MainMenu>
Lines>
StraightLine命令,出现CreateStraightLine拾取框,选择关键点1和4,如图5-23a)所示,单击OK按钮,生成分割线L7。
运行Modeling>
Operate>
Booleans>
Divide>
AreaByLine命令,出现DivideAreaByLine拾取框,如图5-23b)所示。
选择面1,单击OK按钮,再选择线7,单击OK按钮,完成对面的分割,结果如图5-23c)所示,拆分为两个四边形面。
a)选择关键点b)选择分割面c)图形实体拆分结果
图5-23面的分割示例
MeshTool命令,出现MeshTool菜单,单元形状选择Quad选项,划分方式选择Mapped选项,单击Mesh按钮,弹出MeshAreas拾取框,选择面2和面3(即两个四边形面),单击OK按钮,完成网格划分,结果如图5-24a)所示。
图5-24b)所示为采用PLANE2单元对面进行网格划分的结果。
a)PLANE42单元b)PLANE2单元
图5-24结构拆分映射网格划分结果
2.Bycorners映射网格划分
Bycorners命令用于根据指定的面积角点生成一个2-D映射网格。
-Areas>
-Mapped>
Bycorners命令,出现MapMeshAreabycorn…拾取框,如图5-25a)所示。
用鼠标选中需要产生映射网格的面,如图5-25b)所示。
单击OK按钮或Apply按钮,出现第二个拾取框,用鼠标在所选择面上选中3或4个角点,角点的选定不分先后,再单击OK按钮,则在所选中的面上将根据指定的角点产生映射网格。
选择不同的3或4个角点时,所得到的结果,如图5-25c)、d)、e)所示。
说明:
使用这个命令时,一次只能选择一个面进行操作。
b)将要划分网格的平面c)选择1、2、3、4角点划分
a)对话框d)选择1、3、4、5角点划分e)选择1、3、5角点划分
图5-25面通过角点进行映射网格的示例
3.3or4sided映射网格划分
3or4sided命令用于在面内生成具有3或4条边的单元和节点。
采用该命令之前,所选择的面必须满足映射网格划分的条件。
否则执行该命令后会出现警告信息,映射网格划分失败。
对于边数大于4的2-D结构,可执行Concatenate-line(连接线)命令,将多条相邻的线连接成一条线,总边数减少到四条,以满足划分映射网格的条件。
该命令所连接的线仅用于网格的划分,不能用于其他任何的目的。
下面用Concatenate对图5-15所示六边形面进行映射网格划分。
首先运行MainMenu>
Meshing>
-Concatenate>
line命令,弹出Concatenateline拾取框,用鼠标选取三条相邻的线,如将编号为“L1”、“L2”、“L3”的线段生成一条连接线段。
然后,运行MainMenu>
Mesh>
3or4sided,弹出MeshAreas拾取框,用鼠标选中要映射划分网格的面,单击OK按钮完成网格划分。
图5-26a)和b)所示为分别采用四边形单元和三角形单元进行网格划分的结果。
a)PLANE42的划分结果b)PLANE2的划分结果
图5-263or4sided映射网格方式划分结果
第3节划分网格实例2——3D问题
ANSYS单元库中的SOLID单元可以用来对体进行网格划分。
图5-27空心半圆柱体
如图5-27所示空心半圆柱体,其厚度为10mm,外径为R20mm,内径为R10mm,试对该圆柱体进行网格划分。
Volumes>
Cylinder>
PartialCylinder命令,弹出PartialCylinder拾取框,完成拾取框设置后单击拾取框中的OK按钮,生成如图5-28所示的几何模型。
图5-28空心半圆柱体建模示例
选择SOLID92单元(10节点四面体单元)。
SizeCntrls>
SmartSize>
Basic命令,在SizeLevel列表框中选择4,单击OK按钮。
在Meshing菜单下选择Mesh>
Free命令,弹出MeshVolumes拾取框,选择欲要划分的体,单击OK按钮完成网格划分,如图5-29所示。
图5-29半圆柱体自由网格划分结果
1.生成几何模型
同自由网格划分。
选择SOLID45单元(8节点六面体单元)。
图5-28为六面体,满足映射网格划分要求,可直接进行网格划分。
Mapped>
4to6sided命令,弹出MeshVolumes拾取框,选择欲要划分的体,单击OK按钮完成网格划分,结果如图5-30所示。
图5-30半圆柱体映射网格划分结果
对体进行映射网格划分,体的面数多于6时,需要对面进行连接(ACCAT)。
如图5-31所示为五棱拄,有7个面,需将两个面进行连接,以满足不多于6个面的要求。
连接生成的面也要满足进行映射网格划分所要求的条件,因此连接面的边界线(即参与连接操作的源面的所有边界线)也需要连接起来,必须采用先连接面,再连接线的顺序进行操作。
如果参与连接的两个面都是由4条线组成(此4条线都是原始线,无连接线),则连线操作会自动进行,如图5-31所示。
连接的面仅用于网格的划分,不能用于其他任何的目的。
连接面的方法如下:
命令:
ACCAT。
GUI:
Areas。
-Concatenate。
图5-31体映射网格划分面连接示例
三、对体扫掠生成网格
利用体扫掠,可将体的一个面网格(称为源面)扫掠贯穿整个体而生成体单元。
如果源网格由三角形网格组成,体将生成四面体单元;
如果面网格由四边形网格组成,体将生成六面体单元;
如果面由三角形和四边形单元共同组成,体将由四面体和六面体单元共同填充。
图5-32所示为扫掠网格划分示意图。
图5-32扫掠网格划分示意图
以图5-28所示模型为例,建模过程略。
选择SOLID45单元(8节点六面体单元)。
①运行主菜单MainMenu>
MeshAttributes>
PickedVolumes命令,弹出VolumeAttributes图形拾取框,选择欲要划分单元的体,单击OK按钮,弹出如图5-33所示对话框,对体进行属性设置。
图5-33对体进行属性设置对话框
②选择MainMenu>
VolumeSweep>
SweepOpts命令,弹出如图5-34所示对话框。
该对话框中的选项含义如下:
●Clearareaelementsaftersweeping项,选择是否在扫掠网格划分后将面单元清除。
●Tetmeshinnonsweepablevolumes项,选择是否在不可进行扫掠网格划分的体中以四
面体单元网格填充。
●Autoselectsourceandtargetareas项,选择是否让系统自动选择源面和目标面。
在默认
情况下复选框是选中的。
若选择,则系统允许一次选定多个体进行扫掠。
要进行源面的预网格划分,应取消此选项,但一次只能选定一个体进行扫掠。
取消后,下面两个文本框才可用。
其中,Numberofdivisionsinsweepdirection为设置扫掠方向上的单元划分数量。
Spacingratioinsweepdirection为设置扫掠方向上的步长比率。
图5-34扫掠网格划分设置对话框
选择Clearareaelementsaftersweeping,在Numberofdivisionsinsweepdirection文本框中输入扫掠方向上的单元划分数量“16”,并单击OK按钮。
③对源面(A6)进行预网格划分设置。
假定把源面划分为3×
6的四边形网格,即将源面的两条边上的单元划分
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