ANSYS Workbench结构分析网格划分的总体控制和局部控制解析

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导读：网格划分是有限元分析前处理的重要环节。一般来说，需要首先设置网格控制选项，然后再进行网格划分。在ANSYS Mechanical界面中，网格划分的控制选项可分为总体控制和局部控制两大类。总体控制可通过Mesh分支来实现，局部控制通过Mesh分支上下文菜单或Mesh工具栏实现。本文将向读者朋友介绍ANSYS Workbench结构分析中的常用网格划分选项及其作用原理。更多相关内容，可以关注尚晓江博士等编著的《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》（中国水利水电出版社，2020年版）。

一、网格划分总体控制选项

网格划分总体控制选项通过Mesh分支的Details选项进行设置，如下图所示。

常用的总体控制包括Defaults、Sizing、Quality、Advanced等，Quality为网格质量评价信息，感兴趣的读者可以参考之前发布的文章：ANSYS Mechanical中的网格质量评价方法与应用。Inflation选项多用于CFD边界层的网格控制，在结构分析中较少使用。Statistics为网格统计信息，如节点总数、单元总数等。下面对Defaults、Sizing及Advanced等总体选项进行介绍。

1、Defaults总体控制选项

如下图所示，Defaults是网格划分的缺省选项。

其中Element Order用于控制单元的阶数（老版本中为Element Midside Nodes选项），可以选择Program Controlled、Linear或Quadratic。对于实体结构通常会自动选择二次的186和187单元。Element Size用于设置缺省的总体网格尺寸，直接定义一个数值即可。Mechanical旧版本中是通过Relevance选项设置总体网格相对尺寸的，新版本已经不再采用。

2、Sizing总体控制选项

Sizing包含网格划分总体尺寸控制，具体选项与Use Adaptive Sizing设置有关。当Use Adaptive Sizing设置为Yes（缺省）时的尺寸选项如下图所示。

当Use Adaptive Sizing设置为No时的尺寸选项如下图所示。

下面对Sizing总体控制选项作简单的说明。

①Use Adaptive Sizing选项。

此选项用于控制自适应尺寸选项，缺省为Yes。

②Resolution选项。

当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，在0~7范围内选择，由0至7网格越来越密。

③Growth Rate和Max Size选项。

当Use Adaptive Sizing选项设为No时出现。Growth Rate表示相邻两层单元的边长增长率。Max Size为最大单元尺寸，可使用缺省值或用户指定的值。

④Mesh Defeaturing和Defeature Size选项。

Mesh Defeaturing选项用于设置细节特征的消除，缺省为Yes且需要指定Defeature Size值。Defeature Size值为一个正数，用户可以指定具体的数值。几何小特征清除支持的网格划分方法包括：3D实体划分的Patch Conforming Tetrahedron、Patch Independent Tetrahedron、MultiZone、Thin Sweep、Hex Dominant以及表面网格划分的Quad Dominant、All Triangles、MultiZone Quad/Tri等。对于Patch Independent Tetrahedron、MultiZone和MultiZone Quad/Tri划分方法，在这里指定的Defeature Size将会填充到方法局部控制选项中，如果后续修改了局部控制，则局部控制将改写此处指定的总体Defeature Size。

⑤Transition选项

当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，用于影响临近单元的尺寸过渡速率，可选择Slow或Fast，设为Slow将形成光滑过渡的网格，而设为Fast 则尺寸过渡较为突然。

⑥Span Angle Center

Span Angle Center选项仅当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，用于设置使用Adaptive Size Function时基于曲率的细化目标。对于曲线区域，网格将沿曲率再分直到单个单元跨过这个角度。Coarse选项一个单元最大跨过角度90度，Medium选项一个单元最大跨过角度75度，Fine选项一个单元跨过最大角度为36度。这里单元跨越的角度是指法向角度的改变量，如下图所示的α。

⑦Initial Size Seed

仅当Use Adaptive Sizing选项设为Yes时出现，此选项用于控制各部件的初始网格尺寸播种，可选择Assembly或Part选项，其中缺省选项为Assembly。Assembly表示基于包含所有部件的对角线范围；Part选项基于单一部件范围，通常可能会导致更精细的网格。

⑧Capture Curvature选项

Capture Curvature选项为曲率捕捉选项，仅当Use Adaptive Sizing选项设为No时出现。当Capture Curvature选项设置为Yes时，可指定Curvature Min Size和Curvature Normal Angle参数。Curvature Min Size为曲率附近的最小尺寸，Curvature Normal Angle为单元法向的最大跨角，网格将细化有曲率的区域直至单个单元跨过此角度，其意义与Span Angle Center中的法向角度改变量相同。

⑨Capture Proximity选项

当Use Adaptive Sizing选项设为No时出现。设置此选项为Yes时，可指定Proximity Min Size和Num Cells Across Gap参数。Proximity Min Size为间隙附近的最小单元尺寸，Num Cells Across Gap指定在狭窄的间隙中的单元数。Proximity Size Function Sources则决定面和边之间的哪个区域是proximity Size Function起作用的区域，可指定边（Edges）、面（Faces）或面和边（Faces and Edges）。指定为Edges时，仅边之间的狭窄面区域的网格被细化，而指定为Faces时，仅距离相近的表面之间的体积被细化。

3、Advanced总体控制选项

Advanced部分提供了一些网格的高级总体控制选项，如下图所示。

①Number of CPUs for Parallel Part Meshing

此选项用于设置并行部件分网使用的处理器个数。可选择0到256之间的数值。

②Straight Sided Elements

Straight Sided Elements选项用于指定单元为直边，可选择Yes或No，此选项可影响二次单元（Element Order设为Quadratic时）中间节点的放置。如下图(a)所示，设置此选项为Yes，所形成的二次单元均具有直边。如下图(b)所示，设置此选项为No，则形成的单元均具有曲边。

③Rigid Body Behavior

此选项用于指定刚体的网格划分选项，如果Geometry分支下没有被设置为刚性的体，则此选项为不可编辑状态。一般结构分析中缺省为Dimensionally Reduced，仅形成表面接触网格。

④Triangle Surface Mesher

此选项控制patch conforming划分方法将使用哪一种三角形面网格划分策略。可选择的选项包括Program Controlled以及Advancing Front。一般来说，advancing front 算法可提供更平滑的尺寸变化和更好的skewness以及orthogonal quality指标。

⑤Topology Checking

此选项控制在patch independent划分方法后续是否执行拓扑检查。缺省选择No，patch independent方法试图捕捉到受保护的拓扑并进行印记，但当网格尺寸过粗或由于受到限制不能捕捉特征时，跳过拓扑检查。选择Yes时，网格划分后运行拓扑检查以确保网格与受保护拓扑的正确关联，如果网格不能与拓扑特征正确关联就会报错。支持拓扑检查的网格划分方法包括3D的Patch Independent Tetra、MultiZone以及2D的MultiZone Quad/Tri、Quadrilateral Dominant、Triangles。

⑥Pinch

此选项用于在网格中忽略小的几何特征，以便在这些特征周围生成质量更好的单元。指定了Pinch控制后，满足准则的小特征将被“挤”掉。Pinch Tolerance选项用于指定pinch操作的容差（小于此容差的小特征将被清除）。

二、网格划分的局部控制选项

网格局部控制主要包括网格划分方法控制以及局部尺寸控制，也包含一些其他的局部控制，这些控制可以通过Mesh分支的鼠标右键菜单Insert来添加，如下图所示。本文将着重介绍其中在结构分析中较为常用的局部控制选项。

1、网格划分方法控制选项

网格划分方法（Method）是最常用的局部控制选项，在Mesh分支的右键菜单中选择Insert>Method，可在Mesh分支下添加网格划分方法控制分支，此分支的缺省名称为“Automatic Method”，即：自动网格划分，这时Mechanical缺省采用Automatic方法划分网格，此方法试图对可扫略划分的体进行扫略（Sweep）划分，而对不能扫略的体采用四面体划分（Patch Conforming方法）。在Automatic Method网格划分方法的Details中，首先选择几何对象并在Geometry选项中单击Apply，在Method选项的下拉列表中选择网格划分方法，如下图所示。如果选择了其他网格划分方法，Method分支的名称随之改变。

Mechanical中提供了五种适合于结构分析的网格划分方法，每一种划分方法（Method）及其技术简介列于表1中。

上述各种划分方法的具体选项均比较直观，这里不再逐一讲解，仅针对Sweep划分方法作简单的说明。Sweep方法的Src/Trg Selection选项用于选择源面以及目标面，可通过下拉列表选择，如下图所示，有5种可供选择的选项，其中的Automatic Thin（自动薄壁扫略）和Manual Thin（手工薄壁扫略）用于对薄壁实体进行扫掠划分。

选择薄壁扫掠划分选项时，需指定Element Option附加选项，如下图所示，这个附加选项用于选择生成体单元（SOLID）还是实体壳单元（SOLID SHELL）。实体壳单元可以用于模拟变厚度壳体，是一种很实用的单元。

2、局部尺寸控制选项

局部的尺寸控制选项包括针对几何对象的尺寸控制、接触区域的网格尺寸控制以及局部加密控制。

①几何对象尺寸

在Mesh分支的鼠标右键菜单中选择Insert>Sizing，在Mesh分支下添加Sizing分支。Sizing分支用于对几何对象的网格划分尺寸进行控制。在Sizing分支的Details中选择不同的几何对象类型，Sizing分支会根据所选择的对象类型自动改变名称，例如：Vertex Sizing、Edge Sizing、Face Sizing、Body Sizing。

对各种Sizing控制，根据其Type选项的不同，有两种不同的设置方式。如下图所示，选择Type为Element Size时，可直接指定单元尺寸Element Size。Behavior选项选择Hard将比Soft采用更加严格的尺寸控制。

如下图所示，选择Type为Sphere of Influence（影响球），通过定义影响球的球心（指定坐标系，其原点作为球心）及其半径，再指定影响球内的Element Size，这时尺寸控制仅作用于影响球的半径范围内。

利用影响球可以仅在关注的区域内细分单元，而不用在全域上细分，如下图所示。

②接触区域网格尺寸ContactSizing

在Mesh分支的鼠标右键菜单中选择Insert> Contact Sizing，或拖拉一个Contact Region分支到Mesh分支上，都将在Mesh分支下形成一个Contact Sizing分支，此分支用于在接触区域两侧表面形成相对一致尺寸的单元。ContactSizing可以通过ElementSize方式或Relevance方式控制接触区域的网格尺寸。选择Element Size方式时需要指定一个具体的单元尺寸数值，而选择Relevance方式时则通过指定Relevance值设置一个接触区域的相对单元尺寸, Relevance数值在-100到100之间变化，越接近-100网格越粗，反之越接近100则网格越细。

③Refinement

在Mesh分支的右键菜单中选择Insert>Refinement，在Mesh分支添加Refinement分支，可以用于网格加密设置。Refinement 的Details如下图所示，Scope部分的Geometry选项用于选择需要加密的局部几何对象，Definition部分的Refinement选项用于指定最大加密次数，可选择1到3之间。

3、其他的局部控制选项

通过Mesh分支的鼠标右键菜单，还可以添加其他的局部控制选项，下面对这些控制选项作简单的介绍。

①Face Meshing Control

选择Mesh分支的右键菜单Insert>FaceMeshing，可以在Mesh分支下加入Face Meshing分支，此分支用于生成面上的映射网格，改善表面网格的质量。Face Meshing支持的网格划分方法包括3D的Sweep、Patch ConformingTetrahedron、Hex Dominant、MultiZone以及2D的QuadrilateralDominant、Triangles和MultiZone Quad/Tri。下图为表面映射网格和自由网格的对比，显然，添加了FaceMeshing Control的网格质量更好。

②Match Control

MatchControl选项用于匹配两个或多个面上的网格，支持使用MatchControl的网格划分方法包括3D的Sweep、PatchConforming、MultiZone以及2D的QuadDominant和AllTriangles。使用MatchControl时，选择Mesh分支，在其右键菜单中选择Insert>Match Control，在Mesh分支下添加一个MatchControl分支，然后在其Details中进行相关选项设置。根据Details中Transformation选项的不同，有cyclic和arbitrary两种类型的匹配控制选项。

（1）cyclic类型的选项设置

对于ScopingMethod为GeometrySelection需指定High和Low的几何对象，对于ScopingMethod为NamedSelection需指定HighBoundary和LowBoundary。Transformation选项选择为Cyclic，在Axisof Rotation选择一个坐标系，其z轴与几何旋转轴一致。

（2）arbitrary类型的选项设置

对于ScopingMethod为GeometrySelection需指定High和Low的几何对象，对于ScopingMethod为NamedSelection需指定HighBoundary和LowBoundary。Transformation选项选择为Arbitrary，High Coordinate System和Low Coordinate System分别选择对应于High和Low边界的局部坐标系。

③Pinch Control

除总体控制中的自动pinch控制外，还可通过Mesh分支的鼠标右键菜单中Insert>Pinch添加Pinch分支，进行局部pinch控制，其Details如下图所示。在Pinch分支的Details需要定义Master Geometry（保留的几何）和Slave Geometry（被简化的特征），被选择的Master Geometry和Slave Geometry分别显示为红色和蓝色，如果需要可改变Tolerance（缺省值为总体的Pinch Tolerance）。

综上所述，以上就ANSYS Workbench结构分析网格划分的总体和局部控制选项进行了解析。更多Workbench 高级结构分析理论与应用技术细节，推荐小伙伴们参考尚晓江博士等编著的《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》（中国水利水电出版社，2020年版）。

（完）

作者简介：尚晓江，仿真秀金牌讲师，工学博士，力学和有限元分析理论功底扎实，长期从事ANSYS软件应用与技术咨询工作，累计为国内用户开展培训或讲座逾3000人次，编著有《ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用（第三版）》、研究生教材《工程结构优化设计方法与应用》、《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》等。

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首次发布时间：2022-08-25