第二章 ANSYS 11.0模型建立及实例详解

2.1.5 网格划分

除直接生成有限元模型外，所有实体模型在进行分析求解之前，必须对其划分网格，生成有限元模型。
网格划分过程可分为以下3个步骤：

• 定义单元类型
• 定义网格生成控制
• 生成网格

1．定义单元类型

在划分网格之前，通常需要指定分析对象的特征，即定义单元类型。主要包括3个基本类型的常数定义：单元类型和单元类型属性定义、实常数定义和材料属性定义。下面分别予以介绍。

（1）单元类型和单元类型属性定义
ANSYS 11.0提供了200余种单元用于工程分析，经常使用的单元有以下几类：

• 线单元：用于单个单元上应力为常数的情况
• 梁单元：用于螺栓、薄壁管件、角钢、型材或细长薄膜构件等模型
• 杆单元：用于弹簧、螺杆、预应力螺杆或桁架等模型
• 弹簧单元：用于弹簧、螺杆、细长结构或通过刚度等效替代复杂结构等模型
• 壳单元：用于薄板或曲面模型（面板厚度需小于其板面尺寸的1/10）
• 面单元：普遍用于各种2D模型或可简化为2D的模型
• 实体单元：用于各种3D实体模型

定义单元类型方法如下：
Command：ET
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Element Type︱Add/Edit/Delete

执行上述命令后，ANSYS会打开如图2-4所示的对话框，可在此对话框中选择相应的单元类型。

图2-4  单元类型列表对话框
 

选择单元的基本原则是在满足求解精度的前提下尽量采用低维数的单元，即选择单元优先级从高到低依次为点、线、面、壳、实体。同时还应注意以下两点：

①线单元的扭曲变形可能引起求解精度损失；
②在求解精度方面，线单元和二次单元之间的差别远没有平面单元和三维实体单元之间的差别大。

单元类型属性的定义方法如下：

• 给关键点分配属性

Command：KATT
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱All Keypoints
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱Picked KPs

• 给线段分配属性

Command：LATT
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱All Lines
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱Picked Lines

• 给面分配属性

Command：AATT
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱All Areas
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱Picked Areas

• 给体分配属性

Command：VATT
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱All Volumes
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱Picked Volumes

• 设置默认属性

Command：TYPE、REAL、MAT、ESYS、SECNUM
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱Default Attribs
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Create︱Elements︱Elem Attributes

（2）实常数定义

为了准确求解，有必要对所选择的单元的几何特征进行补充，这些补充以实常数的形式体现出来。单元实常数通常包括：壳单元的厚度、梁单元的横截面面积、惯性矩、平面单元的轴对称特性等。

实常数的定义方法如下：
Command：R
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Real Constant

（3）材料属性定义

Command：MP、MPDATA
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Material Props︱Material Model
GUI：MainMenu︱Preprocessor︱Loads︱Load Step Opts︱Other︱Change Mat Props︱Material Models

执行上述命令后，ANSYS会打开如图2-5所示的对话框，用户可在此对话框中选择相应的材料模型。ANSYS提供了100余种材料模型供用户选用。

图2-5  定义材料属性对话框
 

2．网格密度控制

在一般情况下，采用默认网格控制可以使模型生成足够的网格，此时不需指定任何网格划分控制。但如果要得到更精确的网格划分结果，则需在对模型进行网格划分前实施网格划分控制。可以采用如下方法进行网格划分控制。

• 设置线段默认网格划分控制

Command：ESIZE
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Global︱Size
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱SmartSize︱Adv Opts
Command：DSIZE
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Global︱Other

• 对距关键点最近的线段设置网格划分控制

Command：KESIZE
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Keypoints︱All KPs
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Keypoints︱Clr Size
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Keypoints︱Picked KPs

• 对所选线段设置网格划分控制

Command：LESIZE
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Lines︱All Lines
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Lines︱Clr Size
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Lines︱Copy Divs
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Lines︱Flip Bias
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Lines︱Picked Lines
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Layers︱Picked Lines
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Layers︱Clr Layers

• 对面上线段设置网格划分控制

Command：AESIZE
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Areas︱All Areas
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Areas︱Clr Size
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Areas︱Picked Areas

• 设置智能网格划分控制

Command：SMARTSIZE
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱SmartSize︱Adv Opts
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱SmartSize︱Basic
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱SmartSize︱Status

3．网格划分方法

ANSYS软件提供了使用便捷、高质量的对几何模型进行网格划分的功能，主要包括4种网格划分方法：自由网格划分、映射网格划分、延伸网格划分和自适应网格划分。

（1）自由网格划分

ANSYS软件的自由网格划分功能十分强大，这种网格划分方法没有单元形状的限制，网格也不遵循任何模式，因此适合于对复杂形状的面和体进行网格划分，这就避免了用户对模型各个部分分别划分网格后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。

对面进行网格划分，自由网格可以只有四边形单元组成，或者只有三角形单元组成，或者二者混合。对体进行自由网格划分，一般指定网格为四面体单元，六面体单元作为过渡也可以加入到四面体网格中。若要严格定义单元形状，可通过以下方法实现：

Command：MSHAPE、MSHKEY
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesher Opts

图2-6所示为规则几何形状和不规则几何形状自由网格划分结果显示。

图2-6  自由网格划分结果显示

a)规则形状自由网格划分　b)不规则形状自由网格划分

（2）映射网格划分

映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映射网格。映射网格划分主要适合于规则的面和体，单元排列成行并具有明显的规则形状，仅适用于四边形（对面）和六面体（对体）。图2-7所示为映射网格划分结果显示。

图2-7  采用不同相交角时的映射网格划分结果

（3）延伸网格划分

延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格，主要是利用体扫掠，从体的某一边界面扫掠贯穿整个体而生成体单元。如果需扫掠的面由三角形网格组成，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，则体将由四面体和六面体单元共同填充。图2-8所示为延伸网格划分结果显示。

图2-8  延伸网格划分结果

（4）自适应网格划分

自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

4．网格划分工具

网格划分工具是网格控制的一种快捷方式，它可以方便地实现单元属性控制、智能网格划分控制、单元尺寸控制、选择自由网格划分或映射网格划分控制、执行网格划分、清除网格划分及局部网格细化。打开网格划分工具操作如下：

GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱MeshTool

执行上述操作之后，ANSYS将打开网格划分工具，如图2-9所示，该对话框一旦打开，将一直保持开启状态，除非单击其上的Close按钮将其关闭或退出前处理器。

图2-9  网格划分工具对话框

图中相应编号对应如下：
1——单元属性控制
2——智能网格划分级别控制
3——单元尺寸控制
4——选择网格划分实体
5——指定单元形状
6——选择自由网格划分或映象网格划分控制
7——执行网格划分
8——清除网格划分
9——局部网格细化

5．实体模型的网格划分

对实体模型进行网格划分的方法有多种，下面介绍主要网格划分方法。

（1）用xMESH命令划分网格

• 在关键点处生成点单元

Command：KMESH
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Keypoints

• 在线段上生成线单元

Command：LMESH
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Lines

• 在面上生成面单元

Command：AMESH
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Areas︱Free
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Areas︱Target Surf
Command：AMAP
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Areas︱Mapped︱3 or 4 sided
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Areas︱Mapped︱By Corners

• 在体上生成体单元

Command：VMESH
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Volumes︱Free
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Volumes︱Mapped︱4 to 6 sided

（2）生成带有方向节点的梁单元网格

方向关键点能使ANSYS在关键点所在位置沿着梁单元自动生成方向节点。方向关键点与待划分网格的线是相互独立的。

可以将方向关键点定义为线的属性，其方法如下：
Command：LATT
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱All Lines
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh Attributes︱Picked Lines

支持生成带有方向节点的梁单元有：BEAM4、BEAM24、BEAM44、BEAN161、BEAM188和BEAM189。使用方向节点对梁进行网格划分能够控制因梁截面取向对分析结果造成的影响。

（3）由面生成体网格

通过单个面的表面单元也可以生成体网格，其操作方法如下：
Command：FVMESH
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Tet Mesh From︱Area Elements

（4）通过扫掠生成体网格

利用体扫掠可以从一边界面的网格扫掠贯穿整个尚未划分单元的体模型来生成有限元模型。体扫掠的操作方法如下：
Command：VSWEEP
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Volume Sweep︱Sweep