有限元分析丨网格质量和壳单元简化对计算结果影响有多大？
1 前言结构有限元分析初学者，对前处理工作会存在一点“误区”，网格单元质量要达到0.8以上，厚度方向保证至少三层以上网格，于是花费大量时间和精力学习ANSYS Meshing，投入大量时间学习前处理，结果一看！嚯！好家伙，网格单元节点数量飞到百万级别以上！于是，又去学习HM，继续努力划出“高质量很漂亮”的网格。高校学生、科研工作者，这种解决思路没问题。但对于工程师，这方法并不一定不适用。图 来自网络企业中留给仿真分析的时间真的是太少了...（少到难以置信），想太多的代价就是啥也搞不出来...又会产生新的疑问，那么就舍弃网格划分，默认网格直接开算！这又有些太大胆了...图 来自网络培训老师讲网格划分到什么程度，是需要经验积累。经验？什么经验？对小白来说，实在太不友好了！思来想去，对于网格质量和壳单元简化这些前处理工作，做到什么程度，我是有疑问的。本文试图带小伙伴们了解一下网格质量、壳单元简化对计算结果的影响，希望对工程师们有一点启发。2 静力学分析网格对结果影响对梁支架进行静力学分析，几何模型如图1所示，Y方向平面尺寸为180mm*140mm，Y方向厚度为16mm，X方向立筋厚度为10mm。图 几何模型结构材料为默认结构钢，边界及载荷设置如图所示。图2 约束及载荷设置2.1 默认网格分析结果图 等效应力云图(最大值为51.224MPa）图 总变形量（最大值为0.099mm）此时网格单元质量平均值为0.588，平均偏度为0.53。目测，这网格不好，需要重新划分一下。2.2 第1次提高网格质量于是，通过调整分辨率（把默认的2调整至4），分析结果如图所示。图 等效应力云图(最大值为58.776MPa）图 总变形量（最大值为0.102mm）此时网格单元质量平均值为0.74，平均偏度为0.371。从网格质量角度看还可以，等效应力有一定变化（51.224MPa→58.726MPa）。2.3 第2次提高网格质量选择多区域网格划分，计算结果如图所示。图 等效应力云图(最大值为79.125MPa）图 总变形量（最大值为0.103mm）此时网格单元质量平均值为0.764，平均偏度为0.24。网格质量提高后，不论是等效应力（58.726MPa→79.125MPa）和变形量都有较大变化，一般会认为网格质量越高计算结果越靠谱。但这网格怎么质量越好，等效应力越来越大呢？2.4 网格无关性验证基于默认网格的网格无关性验证可以看到，自大允许更改为20%时，等效应力达到78.327MPa。读到这里，会有读者认为，看看，果然还是网格质量越高越好吧，用第2次网格划分结果就可以了。但，继续看一看。怎么有些不对了..越来越离谱..虽然，继续折腾下去，终于收敛了。但这网格数量，是无法接受的！图 等效应力云图(最大值为101.42MPa）思考：网格究竟到什么程度可以停手？这种网格细化得到结果很可能是应力奇异点，如此折腾，实在是大费周章，提供一点可参考的方法。2.5 后处理工具-structural error(结构错误）对比三次应力分析结果，结构错误数值越小，等效应力数值越合理。看到这里读者会发现，追求网格无关性验证达到收敛，这条金科玉律的计算代价太过高昂。画出差不多的网格，并进行structural error结果查看，能解释分析结果即可。当然，以上内容仅是个人建议，有不同想法朋友，可以聊聊你的想法。3 抽壳简化几何模型的可行性浅谈本文中案例，厚度XZ平面方向厚度为16mm，YZ支撑筋方向厚度为10mm，几何模型中有倒角，XZ平面边缘倒角为16mm，与加强筋连接位置倒角为10mm。使用sc进行简化处理，简化后几何如图所示。图 简化壳单元3.1 默认网格计算结果图 等效应力云图(最大值为77.13MPa）图 总变形量（最大值为0.112mm）此时网格单元质量平均值为0.775，平均偏度为0.238。从网格质量角度看还可以，网格节点数只有1123个，大大提高求解速度。由于连接面之间没有倒角，会和实体模型计算存在一定差异。壳单元简化的最大优势是提高求解速度，计算精度会和实体存在差异也是可以接受的。可以看一下结构错误云图。看到这个图，会建议可以提高一下网格质量。3.2 第一次优化网格划分如此看来，提高网格分辨率数值后，最大等效应力为91.523MPa，可以进行网格无关性验证，计算结果差不多就是这个数值，不再截图。4 结论本文内容几何模型及边界条件参数来源于《Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 2021》，感兴趣朋友可以翻这本书看看。本文分析内容仅为一个梁支撑零件，试图验证等效应力是否合理，就如此费事，如果复杂装配体，工作量不知得多大。（1）网格无关性验证没有问题但请你好好想一下，这种验证对你计算结果的影响以及帮助究竟有多大。（2）网格质量的把握依然是偏个人经验的网格质量检查工具好好利用。剩下的交给感觉...这话虽然很欠揍，但事实就是这样，做多了，慢慢就摸到门道了。（3）不要试图逼急真相，否则大概率会陷入画地为牢的痛苦中。参考文献Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 2021 来源：认真的假装VS假装的认真
