简易几何利用 ANSYS Multizone Meshing创建六面体网格应用案例

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了ANSYS Meshing中的多区Multizone Meshing方法，该方法基于ICEM CFD六面体模块，能够进行自动几何分解，获得纯六面体网格。文章还介绍了边尺寸控制、映射面网格划分、虚拟拓扑、模型切块操作等方法，并通过案例说明了如何快速进行简单结构六面体网格划分。在未来，文章还将介绍如何对复杂结构进行高度六面体划分的应用。

ANSYS Meshing是ANSYS Workbench的一个组件，集成了ICEM CFD、TGRID (Fluent Meshing)、CFX-Mesh、Gambit网格划分功能，具有较为强大的前处理网格划分能力。网格划分目录树如图1所示，网格划分基本流程一般需要考虑如下内容：

① 全局网格设置；

② 局部网格划分；

③ 网格划分问题排除；

④ 虚拟拓扑；

⑤ 预览或生成网格；

⑥ 检查网格质量等。

其中ANSYS Meshing网格划分方法中的多区Multizone Meshing划分方法基于ICEM CFD 六面体模块，能进行自动几何分解，相对扫掠方法不需要对元件切块，即可获得纯六面体网格（复杂结构依旧需要切块），对于一些球、圆柱、简易几何具有很好应用。

本文从多区Multizone Meshing方法出发，借助边尺寸控制Edge Sizing、映射面网格划分Mapped Face meshing、虚拟拓扑Virtual Topology以及模型切块操作等，对如何快速进行简单结构六面体网格划分进行案例说明。

在未来的文字中也会介绍如何对复杂结构基于顺序划分方法进行高度六面体划分的应用。

图1

一、六面体网格划分与多区Multizone Meshing

六面体网格相比四面体网格单元数量减少，由于单元按照流动方向排列，能降低分析计算误差；适用于几何质量高的结构。六面体网格可以采用下面三种划分方法获得，如图2所示。

1、扫掠划分（Sweep Meshing）
2、六面体支配（Hex Dominant）
3、多区（Multizone Meshing）

图2

多区（Multizone Meshing）基于ICEM CFD 六面体模块，自动几何分解，对于采用扫掠方法必要时，需要对元件切块来得到纯六面体网格，但多区划分可立即对其网格划分（依旧推荐一定程度的切分），支持膨胀划分，如图3所示。

映射网格方法（Mapped Mesh Type）包括如下：

1、Hexa ：默认方法，仅有六面体单元生成。

2、Hexa/prism：考虑划分质量与过渡，三角形会在源面出现，导致出现六面体与棱柱单元。

3、Prism ：仅棱柱单元产生，用于临近结构的生成网格为四面体情况。

面网格划分方法（Surface Mesh Method）包括如下：

1、Uniform：使用递归循环切割方法，能够创建高度一致的网格。

2、Pave：能够创建高曲率的面网格，相邻边有高的纵横比。

3、program controlled：根据网格尺寸设置与面特点综合使用上述两种方法。

图3 

二、Edge Sizing尺寸设置

1、Element Size定义边平均单元边长。

2、 Number of Divisions定义边的单元分数。

3、偏斜类型【Bias Type】指定单元大小相对边的一端、两端或者边中心的渐变效果。

4、偏斜因子【Bias Factor】定义最大单元边长与最小单元边长的比值。

5、【Soft】选项的单元大小将会受到整体划分单元大小的功能，如基于相邻、曲率的网格设置，以及局部网格控制的影响。

6、【Hard】严格控制单元尺寸。

图4

三、 映射面网格划分Mapped Face meshing

映射面网格划分【Mapped Face meshing】允许面上生成结构网格，如图5所示。

映射网格划分可以得到较为一致的网格，对计算求解一定程度有益。如若某些原因不能进行映射面网格划分，网格划分仍将继续，同时导航树上会出现相应的标志提示映射失败。

映射面进行预览方法为鼠标左键高亮导航树【Mesh】，鼠标右键快捷方式“Show→Mappable Faces”可显示所有能够映射的面。

映射面网格的顶点类型可以设置为【Specified Sides】、【Specified Corners】、【Specified Ends】三种点类型。

1、【Specified Sides】指定夹角为136°～224°的相交边顶点为映射面顶点，和 1 条网格线相交。

2、【Specified Corners】指定夹角为 225°～314°的相交边顶点为映射面顶点，和2条网格线相交。

3、【Specified Ends】指定夹角为 0°～135°的相交 边顶点为映射面顶点，与网格线不相交。 

另外，映射面网格可指定径向划分的份数【Internal Number of Divisions】，如果一个面由两个环线组成，则径向划分份数选项被激活，可用于创建径向单元层数。

图5

四、虚拟拓扑Virtual Topology

虚拟拓扑【Virtual Topology】工具如图6所示，可以更好地进行网格划分，能够进行合并面而简化模型的细节特征、简化结构分析的载荷，能够创建分割边以获得更好的面网格，也可以创建硬点。

图6

虚拟单元【Virtual Cell】可以修改几何拓扑，可以把小面缝合到一个大的面中，不再影响网格划分，所以划分这样的拓扑结构可能和原始几何体会有不同。

1、【Split Edge at+】或【Split Edge】可分割选择的边，增加边用于约束或者加载，提升网格质量。边分割位置可以移动，选择虚拟边上创建的分割点，按住F4键，然后用鼠标沿着边移动红点即可。

2、【Split Face at Vertices】通过一个面上不同边线上的点进行面分割，如图7所示。

3、【Hard Vertex at +】允许在边、面上添加硬点。

图7

五、MultiZone网格划分案例说明

网格划分案例A

1、本案例采用一个命令划分出球的六面体网格。

2、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→��Method】，明细栏设置方法Method=MultiZone，SurfaceMesh Method=Uniform，网格如图8所示。

3、图9是互联网中一些球网格划分的图片，不仅需要一定程度切割，同时某些网格质量不高。

4、但是图8中的网格划分方法仅适用于传力，不适合用于计算赫兹接触等考虑球自身的仿真分析中，此类计算需要对接触位置的网格进行高密度处理

图8

图9

网格划分案例B

1、本案例采用多区和映射进行网格划分

2、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Method】，明细栏设置方法Method =MultiZone。

3、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Face Meshing】，明细栏Geometry选择上端面，并设置Internal Number of Divisions=8，网格如图10所示。

4、该案例采用扫略方法也比较容易获得。

图10

网格划分案例C

1、 该案例是一个阶梯轴，也可看成是一个简易螺栓结构

2、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Method】，明细栏设置方法Method =MultiZone，SurfaceMesh Method=Uniform，网格如图11所示。

3、在本例基础上，可以进一步通过对圆环面进行面映射，获得更好网格质量。

4、注意若是阶梯轴较为复杂，互联网上图12所示的图片给出了一个比较好的切分方法。

图11

图12

网格划分案例D

1、该结构为六面体划分考虑切块处理，同时采用虚拟拓扑对图13黄色网格上表面进行处理。

2、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Method】，明细栏设置方法Method =MultiZone，其他默认，如图3.3.5-5所示。

图13

网格划分案例E

1、中间孔结构划分六面体网格可以采用切块处理，但本例采用虚拟拓扑进行表面的分割，而后采用多区和面映射命令完成六面体网格划分

2、右键导航树【Model（E3）】，插入【Insert】→【Virtual Topology】，在【Virtual Topology】环境下，点选图14中步骤②所示的边，按照步骤③点击Split Edge，分割。

3、同理完成全部其余的边的分割，其中圆边分割为4部分。如步骤⑤所示。

4、切换过滤器为点，点选图15中两点，然后点选Split Face at Vertices，分割面。

5、同理完成全部图15中的分割面。

图14

图15

6、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Method】，明细栏设置方法Method =MultiZone，其他默认不变。

7、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Face Meshing】，明细栏Specified Sides选择图16所示4个端点，完成网格划分。

图16

网格划分案例F

1、该结构相对复杂，首先进行图17的切块处理，而后进行映射控制。

图17

2、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Sizing】，选择全部零件，设置尺寸5mm。

3、右键导航树【Mesh】，插入【Insert】→【Face Meshing】，明细栏Specified Sides选择图18所示1个端点，完成网格划分。

4、注意本例没有采用多区划分，侧面说明切块在划分网格中的重要性。

图18

写在文后

本文中对于网格划分控制都明显应用于简单结构，实际中结构复杂六面体网格的划分相对较为困难。如图19所示，ANSYS Meshing划分复杂结构的六面体网格通常进行切块并基于局部网格多项控制，同时还必须进行划分顺序控制而不能任其自动划分，限于本文篇幅，该案例内容将在后期文字中进行概要说明。

图19

作者：付稣昇，男，安世中德结构仿真咨询专家，中国机械工程学会机械工程师（认证），仿真秀科普作者，目前主要从事大型机械结构的强度、疲劳、复合材料、动力学以及优化等有限元计算工作，编著出版《ANSYS Workbench17.0数值模拟与实例精解》一书。

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