了解 Ansys Mechanical 中的网格方法：综合指南
网格是每个有限元分析 （FEA） 仿真的支柱。它将几何图形划分为离散单元，使 Ansys Mechanical 能够近似模型在各种条件下的行为。结构良好的网格可确保准确、可靠和计算高效的结果，而结构不佳的网格可能会导致错误、收敛问题或不必要地延长求解时间。
让我们探讨一下网格为何重要、其关键考虑因素以及使用 Ansys Mechanical 中提供的不同网格方法的好处。
为什么网格很重要？
网格在有限元分析 （FEA） 中至关重要，因为它定义了如何将 CAD 模型的几何结构划分为更小的离散单元，每个单元代表模型物理域的一部分。这些元素具有不同的形状、大小和特性，这些特征会影响它们与模型的几何图形和物理行为的接近程度。仿真结果的准确性、效率和可靠性在很大程度上受网格类型和质量的影响。
了解 Ansys Mechanical 中的不同网格方法有助于您实现所需的单元形状、大小和质量，以确保您的仿真满足其目标。下面详细讨论了网格的工作原理、为什么它如此重要以及单元特性如何影响您的分析：
- 将 CAD 模型分解为元素
- 元素形状：
- 四面体 （Tet）：金字塔状元素，可很好地适应复杂的几何形状。
- 六面体 （Hex）：为结构化区域提供更高准确性和收敛性的立方体状元素。
- 楔形和金字塔：用于 hex 和 tet 区域之间的过渡区域。
- 壳体和横梁单元：专门用于薄型或细长型结构。
- 元件特性：
- 大小：较小的元素提供更多的细节，但会增加计算成本。
- 次序：线性单元的计算效率高，但精度较低，而二次单元通过包含中间侧节点提供更高的精度。
- 不同元件形状的优缺点
| 元素类型 | 优点 | 缺点 |
| 四面体 （Tet） | - 适用于复杂的几何形状。 | - 需要更多元素才能准确。 |
| - 易于自动生成。 | - 可能导致边缘应力集中。 | |
| 六面体 （Hex） | - 精度高，元件少。 | - 难以应用于不规则形状。 |
| - 更适合结构化几何形状。 | - 为复杂模型生成更具挑战性。 | |
| 楔形/棱锥体 | - 用于在 tet 区和 hex 区之间转换。 | - 单独使用时精度有限。 |
| 壳体/梁 | - 非常适合薄型或细长型结构。 | - 无法有效地表示 3D 应力。 |
单元形状的选择取决于几何结构、分析类型以及精度和计算成本之间的理想平衡。
- 几何图形的精确表示
网格确定离散单元与模型物理几何图形的接近程度。
- 复杂形状：精细网格对于准确捕获复杂细节、曲面或小特征至关重要。
- 应力集中：高质量的网格可确保准确解析圆角、孔或锐边等关键区域，这些区域可能会出现应力集中。
- 触点接口：在涉及接触的仿真（例如，螺栓连接）中，网格在确保准确计算接触压力和摩擦力方面起着至关重要的作用。
- 数值精度和收敛性
FEA 基于求解离散单元上的微分方程，网格决定了该近似的粒度。
- 元件大小和分布：在高应力梯度或复杂特征区域中的较小单元可以提高精度。较大的单元可用于不太关键的区域，以节省计算资源。
- 收敛研究：随着网格变得更细化，解会接近精确的结果（如果模型和物理场正确）。执行网格细化研究可确保您的结果独立于网格密度。
- 自由度 （DOF）
网格中的每个节点都引入了自由度 （DOF），这是分析中求解的变量（例如位移、温度）。
- 线性元件：可以是上面列出的任何形状，但仅在其各自的顶点（即角）处具有节点。提供较少的 DOF，但可能会过度简化结果，尤其是在弯曲或非线性场景中。
- 二次元：更复杂的单元，包括中间侧节点，增加了自由度的总数，但允许模型更准确地捕获变形和应力梯度等特征。
- 对 Solve Time 的影响：虽然更精细的网格会增加 DOF 的数量，并且通常会提高求解精度，但它也会增加计算需求。最佳网格可以平衡这些因素。
- 应力梯度和奇异性
- 捕获渐变：精细化的网格可以有效地解析应力梯度，这对于识别失效点至关重要，尤其是在疲劳或断裂分析中。
- Avoiding Singularities: Poor-quality meshes or overly coarse elements can lead to stress singularities, where stresses appear artificially high due to the mesh, not the actual physics.
- 元素质量指标
网格质量会影响数值稳定性和结果准确性。常见指标包括：
- 纵横比：理想元件几乎是等边或各向同性的。高度拉伸的元素可能会导致不准确。
- 偏度：测量元素形状的扭曲程度;偏度越低表示质量越好。
- 雅可比比：确保元素在映射到模型几何图形时保持一致的形状。
- 求解器性能和稳定性
- 高效计算：优化的网格在不影响精度的情况下减少了单元数量，从而节省了计算时间和内存。
- 避免收敛问题：质量差的网格会导致求解器不稳定，需要额外的迭代或无法完全收敛。
- 物理特定需求
不同的分析需要不同的网格考虑因素：
- 结构模拟：准确的应力和应变预测取决于单元类型（例如，实体使用十六进制，薄结构使用壳）。
- 热分析：捕获温度梯度需要在热源或边界附近进行精细网格划分。
- 流体模拟：CFD 需要在壁（边界层）附近使用精细网格，以准确捕获湍流和流动行为。
- 对多物理场仿真的影响
对于多物理场仿真（例如，流-固耦合、热-应力耦合），网格必须符合所有相关物理场的要求。
- 一个域（例如流体）中的不良网格会降低耦合域（例如结构）中的结果。
- 确保跨物理场域的网格兼容可以最大限度地减少插值误差并提高求解保真度。
网格方法及其优势
选择正确的网格方法对于在仿真精度、计算效率和易于设置之间取得平衡至关重要。Ansys Mechanical 中的每种网格方法都是针对特定的几何类型和分析要求量身定制的，根据模型的形状和复杂性提供独特的优势。通过了解这些方法及其优势，您可以选择最合适的方法来确保您的网格满足仿真需求。下面，我们将探讨可用的网格方法及其为您的分析带来的优势。
1. 自动网格
描述：
自动网格划分方法允许 Ansys 根据您的几何结构和仿真类型确定最佳网格划分方法。它是四面体法和扫描法的组合。它将自动识别可扫描的实体并在这些实体上创建扫描网格。或者，如果实体不可扫描，则将使用 Patch Conconforming tetrahedral 网格方法对其进行网格划分。
应用：
- 准确性不太重要的早期模拟。
- 具有简单几何的模型。
优势：
- 快速且易于使用。
- 需要最少的用户输入。
局限性：
- 可能无法为复杂几何体生成最佳网格。
- 对元素分布和类型的控制有限。
- 六面体 （Hex） 主导网格
描述：
该方法侧重于生成十六进制元素，这些元素呈立方体状，非常适合结构化几何图形。由于六角单元的形状规则，因此为结构和热分析提供了更高的精度和更快的收敛速度。
应用：
- 块状几何体，如立方体、棱柱体或圆柱体。
- 需要高精度的仿真，例如结构和热问题。
优势：
- 与 tets 相比，精度高，元素更少。
- 由于规律性，降低了计算成本。
局限性：
- 难以应用于不规则或复杂的几何形状。
- 需要为结构化网格划分准备充分的几何图形。
- 四面体 （Tet） 网格
描述：
Tet 网格使用适应不规则几何形状的金字塔状单元。由于它们的多功能性，它们是大多数模型的默认选择。
应用：
- 具有复杂细节的复杂几何形状。
- 通用仿真，包括静态和热分析。
优势：
- 有效处理不规则形状。
- 易于应用，只需最少的几何准备工作。
局限性：
- 可能需要更高的单元数才能达到与六边形网格相同的精度。
- 可能在单元边缘处表现出应力集中。
- 扫描方法
描述：
扫描方法通过沿路径拉伸或旋转 2D 面来创建结构化网格。它对于具有一致横截面的零件特别有效。
应用：
- 棱柱形或旋转几何体，如轴、管道和翅片。
- 需要在特定区域中使用结构化网格的模型。
优势：
- 生产高质量的六角形或楔形元件。
- 非常适合结构化网格提高精度的区域。
局限性：
- 仅限于支持拉伸或旋转的几何体。
- 需要干净、定义明确的几何图形进行扫描。
- 壳体和横梁网格划分
描述：
壳单元是用于薄结构的二维单元，而梁单元是用于细长结构的一维单元。这些方法简化了模型，同时在特定场景中保持了准确性。
应用：
- 薄壁结构，如板、墙或水箱。
- 桁架状结构和细长构件，例如梁和杆。
优势：
- 大大降低了薄型或细长型组件的计算成本。
- 有效捕获弯曲、屈曲和膜效应。
局限性：
- 需要适当的章节定义以确保准确性。
- 不太适用于厚结构或 3D 结构。
- 多区域方法
描述：
多区域方法结合了结构化 （hex） 和非结构化 （tet） 网格，将几何图形划分为多个区域，以提高单元质量。
应用：
- 具有规则几何和不规则几何的模型。
- 在某些区域需要结构化网格划分的复杂零件。
优势：
- 提供灵活性，并在六角形和四面形网眼优势之间取得平衡。
- 提高块状区域的单元质量，同时保持复杂区域的适应性。
局限性：
- 可能需要手动调整以有效定义区域。
- 与自动方法相比，设置时间略长。
- 笛卡尔网格
描述：
笛卡尔网格与全局坐标系对齐，生成长方体单元。此方法通常用于 CFD 或简化几何表示。
应用：
- 简化的热或结构分析。
- 具有正交几何图形的模型。
优势：
- 简化块状几何体的网格划分。
- 快速生成和求解。
局限性：
- 不适用于高度详细或弯曲的几何形状。
- 优化特定区域的灵活性有限。
最后的思考
稳健的网格是任何成功仿真的基石。通过了解不同网格方法的特性和应用，您可以优化模型的准确性、效率和可靠性。始终通过质量检查和收敛研究来验证网格，以确保您的结果真实地代表设计的物理行为。