Ansys Workbench瞬态动力学分析详解

Ansys Workbench是一款功能强大的多物理场耦合仿真分析软件，广泛应用于各种工程领域的结构力学、流体力学、热力学等问题的模拟和分析。Ansys Workbench提供了多种网格划分方法，用于将连续的物体划分为离散单元，以便进行数值计算和仿真分析。网格的好坏直接关系到计算与分析的求解精度、求解收敛性和求解速度，是有限元分析的关键。良好的网格是提高仿真可信度的前提，粗糙的网格将得到甚至错误的结果。一般来说，有限元分析80％的时间花费在有限元网格的建立和修正上。1 网格划分基本流程 确定物理场进入Mechanical界面后，单击Mesh，在下方面板的Physics Preference中选择相关物理场，分别为Mechanical（结构场）、Nonlinear Mechanical（非线性结构场）、 Electromagnetics（电磁场）、CFD（流体场）、Expficit（显示动力场）等。注意事项：设置物理场时，可以通过调整网格相关度Relevance（-100~+100，数值越大，网格越密）来控制网格疏密程度。设置整体网格控制展开Sizing，定义全局单元尺寸Element Size、相关性中心Relevance Center（细化节点和调整单元数量，稀疏Coarse、中等Medium、细化Fine）、平滑Smoothing、过渡Transition、跨角中心Span Angle Center、以及尺寸函数Size Functon等。插入局部网格控制右击Mesh，定义网格划分方法Method、局部单元尺寸Size（边、面、体）、接触尺寸Contact Sizing（接触边、接触面）、网格细化Refinement（点、边、面）、映射网格划分Face Meshing、匹配控制Match Control（边、面）、收缩控制Pinch（只对点和边起作用，面和体不能收缩）、设置膨胀层Inflation（边、面）等。预览表面网格情况整体的体网格质量是由表面网格质量来决定的，右击Mesh，点击Preview，选择Surface Mesh，预览表面网格情况。这一步在模型复杂时显得尤为重要，生成体网格的时间较长，一旦发现设置问题，重新修改再次划分势必造成诸多不便和时间的浪费，网格划分的主题参数设置完毕后就，可以先预览表面情况来判断是否存在问题。生成并检查网格质量右击模型树中的Mesh，选择Generate Mesh或Update，生成有限元网格。完成网格划分后，单击模型树中的Mesh，展开下方面板中的Quality，在Mesh Metric中选择网格质量评价指标。具体流程参见前期文章：一文搞懂Ansys Workbench网格质量评价。注意事项为得到较好的位移解，单元纵横比尽量小于7。为得到较好的应力解，单元纵横比应尽量小于3。计算的位移结果是准确的，应力结果才可接收，有时给出好的位移结果的网格，应力结果不如想象中的准确，这就需要调整网格密度。应力梯度较大、较复杂的区域是问题的考虑重点，应充分关心应力梯度区域，在该区域应采用细致高密度的网格，如螺栓孔附近、流体边界层等。网格划分应比较准确地反映结构的真实形状，对于复杂的形状，粗大的网格会造成分析结果失真。2 常用网格划分方法 右击模型树中的Mesh，插入Method，在下方面板中选择网格划分方法。对于3D模型，主要有自动网格划分（Automatic）、四面体网格划分（Tetrahedrons）、六面体网格划分（Hex Dominant）、扫掠网格划分（Sweep）、多区域网格划分（MultiZone）等。Element Order选项是用来控制网格单元的类型，选择合适的Element Order对于确保模拟的准确性以及计算效率至关重要。Linear表示一阶单元，Quadratic表示二阶单元。一般来说，二阶单元能够提供更高的精度，尤其是在曲率较大或者需要更精细地捕捉应力梯度变化的情况中，然而这也意味着更大的计算量和更长的求解时间。自动网格划分自动网格划分方法是一种智能化的网格划分方式，它可以在四面体网格和扫掠网格之间自动切换。该方法 会根据几何体的形状和拓扑结构自动选择最适合的网格划分方式。如果几何体允许扫掠网格划分，则使用扫掠网格；否则，使用四面体网格。这种划分方法是最傻瓜化的方式，尤其适合初学者，因为它减少了手动选择网格类型的需求，提高了操作的便捷性和灵活性。因此，当面对复杂或不规则的几何形状时，使用自动网格划分可以简化工作流程，同时保持网格的质量和计算的有效性。四面体网格划分四面体网格划分是一种常见的网格划分方法，尤其适用于复杂几何模型。基于协调分片算法（Patch Conforming）或基于独立分片算法（Patch Independent），将区域划分为一系列四面体单元。一般来说，四面体网格划分方法是最后的选择。其中，如果要忽略一些小细节（如倒角、小孔等），选择使用Patah Independent算法。如果要考虑一些细节，则选择使用Patch Conforming算法。六面体网格划分一种以六面体为主的网格划分方法，它适用于实体形状规则性要求不高的情况，可以将区域划分为六个面都是四边形或六边形的六面体单元。此方法首先在几何体表面生成六面体网格，然后根据需要填充六面体、棱锥或四面体单元。适用于内部容积较大的实体；对于体积与表面积比小的薄复杂体效果不佳，对于CFD分析无边界层识别功能。在不需要严格规则形状的前提下，Hex-Dominant方法能尽可能多地生成六面体网格，从而在一定程度上保证了网格的质量和计算效率。六面体网格划分是一种常用的网格划分方法，它旨在生成六面体元素在数量和体积上均占主导地位的网格。然而，这种方法依赖于三角形合并技术，该技术用于将初始网格的三角形重新组合成四边形。因此，使用此方法并不意味着您的所有元素都是六面体。扫掠网格划分扫掠网格划分方法适用于具有对称形状的区域，通过在几何体上进行扫掠操作生成网格。扫掠方法应用很广泛，多数规律而整齐的六面体网格都是通过扫掠方法得到的。ICEM中有名的O形网格划分、Y形网格划分，都是智能分区加上扫掠（映射）得到的。扫掠划分网格时，先划分源面，然后再映射到目标面。这种方法主要产生六面体单元或棱柱形单元，对几何体形状的要求较高，几何体必须是形状规则、可扫略的，且有形状一致、单一的源面和目标面。详细参见前期文章：Ansys Workbench扫掠网格划分方法。多区网格划分多区域网格划分方法适用于复杂的几何体，将区域划分为多个子域，然后在每个子域内进行网格划分。这种方法主要用于生成高质量的六面体网格，允许对不同几何形状的部分进行不同的网格划分方法，尤其适用于需要高质量六面体网格的动力学分析等场合。 对于一些规整的单体部件，传统扫掠方法难以直接得到六面体网格，而使用MultiZone网格划分方法，只需简单指定源面和设置网格控制参数，即可实现自动分区并生成所需的网格，大大减少了手动切割的工作量，能够高效完成复杂模型的前处理。3 网格划分选择依据 1) 对于空间物体，尽量使用六面体网格划分方法。推荐用于具有很大的内部体积、无法扫掠的几何模型。对于薄层结构或复杂形状的模型不推荐采用。2) 对于简单规则体，使用扫掠网格划分方法。要求实体在某一个方向上具有相同的拓扑结构，实体只允许一个目标面和一个源面，但薄壁模型可以有多个源面和目标面。3) 对于简单规则体组合，使用多区网格划分方法，更适合于用扫掠方法不能分割拆解的几何模型。4) 四面体网格划分方法是最后的选择。如果要忽略一些小细节（如倒角、小孔等），使用patah independent算法。如果要考虑一些细节，则使用patch conforming算法。5) 自动网格划分方法是最傻瓜化的方式。程序自动检测实体，对可以扫掠的实体采用扫掠方法划分六面体网格，对不能扫掠划分的实体采用协调分片算法划分四面体网格。喜欢作者，请点赞和在看来源：纵横CAE