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CAE工程师必备技能1 完美网格(Ⅰ)质量编辑

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序言:

2300多年前,拿到齐帝国鬼谷子名牌大学毕业证的苏秦意气风发,各国求职,结果到处碰壁,不得不回洛阳故里啃老。然而他并没有堕落下去,而是痛定思痛,悬梁刺股研读《职业纵横术》。一年后,估计头发都悬秃了,他又回来了,但是这次还是一路坎坷,先是在周王畿发现墙上挂帘子——没门,后又在秦国王宫门卫室发明成语——大王易见小鬼难缠,好不容易辗转到赵国,腿都走出静脉曲张了,结果被一顿驱逐,打不死的苏小强没有放弃,终于在燕国受到信任重用,升职加薪、出国主持国际事务,为打倒齐帝国主义做出了玉石俱焚的贡献,最终被写进史书里鼓励了一代又一代的奋青。其中,苏秦去赵国CEO李兑处求职时道出了找不到工作的惨状,他自我介绍说:“洛阳乘轩里苏秦,家贫亲老,出无破车驽马相送,入无妻子儿女相迎,打绑腿,穿草鞋,背着竹卷与包袱出发,触尘埃,蒙霜露,越漳河,足重茧,日行百里而没钱投宿,现在来拜访您,向你讲述天下之事。”谁知这时大Boss却有意刁难他:“先生如果来和我说人的事那就可以请回了,如果说鬼的事,我倒可以听一听。”这个待遇是不是和几百年后“可怜夜半虚前席,不问苍生问鬼神”的贾谊一毛一样。这个历史大IP初入职场也碰得灰头土脸。可见,从古到今,读书人毕业后找工作都不容易,因为在校学习主要以理论为主,而工作看的是实践,所以好多刚出校的卧龙凤雏选择了职业培训,这里不是说职业培训就不好,对于不差钱的同学来说的确是一个好主意,但是对于不想花钱的同学,不妨学学苏秦老前辈,边工作边自学,现在专业的书籍和网络的公开资料已经很多了,各个软件的帮助文件也很棒。所以这个系列的文章主要针对刚接触有限元的工程师们(主要是深奥的我也不会)。

1 结构化网格那点事

下图中两种网格,左边的是结构化网格,右边的是非结构化网格。哪一种看上去更顺眼呢?

结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元,即任意内部某网格顶点的共享网格单元数量相同,比如下图的平面单元,任意内部网格的顶点所毗邻的单元数量均相同,比如体网格中规律排布的六面体网格,面网格中规律排布的四边形或三角形网格。

结构化网格网格质量好,可以使用更少的网格获得更高精度,网格单元尺寸易于控制,最最重要的一点,有利于让强迫症重度患者心情舒畅:身体在加半夜12点的班,心情如蹦凌晨3点的迪。

传说在很久很久以前,有限元这门核心技术掌握在归化教授与高工手里,那时车马很慢,时光很懒,没有服务器,电脑的算力如同现在的老年机,那时有限元计算最重要的是什么,当然不是开心啦,是简化模型和划分网格,其中划分网格这一项繁琐而又枯燥的任务交到了CAE工程师手中,于是工程师们冬练三九夏练三伏,终于把结构化网格的技术运用到了炉火纯青的境界。

时过境迁,现在电脑的算力与当年已经不可同日而语了,对于网格要求自然没有那么高了,而且有限元这个旧时王谢堂前燕,已经飞入了寻常工程师的家中,工程师便更多关注计算结果,而非网格了,白猫黑猫,抓住老鼠便是好猫。

所以本着务实的态度,我们现在探讨就使用Workbench——Meshing功能,如何让网格正交性稍微改善下,用少量的精力,画出让海绵宝宝和蟹老板看到都愉悦的网格,毕竟做人最重要的是什么,是开心嘛。本文主要探讨如何检查网格质量和网格编辑,后续文章会陆续探讨细碎网格清除、异形体切分,古币法切分等思维。以下开始变得枯燥,老司机请回避。

2 网格质量检查

网格划分完成后,若要查看网格质量,只需选择全局网格控制——质量——网格度量标准,下拉对应的质量判据即可。关闭度量标准,在显示风格中也可选择质量检查标准,云图将以此标准显示对应质量。

当设置了质量判据后,显示窗口下方将出现一张柱状表,点击对应的柱状,可以在显示窗口中看到对应的网格。

质量判据中,最常用的是网格质量,其次有纵横比、正交质量、畸变度等。

2.1 网格质量

网格质量是使用最多的检查判据,为0~1之间的数值,越靠近1表示质量越好,越靠近0表示质量越差,1表示完美的立方体或四边形。
   二维网格计算公式如下:

三维网格计算公式如下:

各形状的C值如下表:

2.2 纵横比(长宽比)

即对单元的三角形或四边形顶点计算长宽比(最长边/最短边)。数值≥1,等于1时表示质量最好,数值越大网格质量越差。结构分析中,纵横比应<20,大于20将发生警告,大于1e6将发生错误。

2.3 雅可比

雅可比检查有三种方法,分别是基于MAPDL的雅可比检查、基于角节点的雅可比检查、基于高斯积分点的雅可比检查。

基于MAPDL的雅可比本质是基于角节点雅可比的倒数,数值为-∞~+∞,应避免≤0的情况,否则将导致严重的局部网格划分失败问题。等于1时表示质量最好,数值越大网格越扭曲。雅可比≤40是可接受范围。

Jacobian Ratio (Corner Nodes)雅可比(角节点)与Jacobian Ratio (Gauss Points)雅可比(高斯点):范围为-1~1。用来判断单元的高曲率和扭曲情况。雅可比越接近于1越好,应避免≤0的情况,否则将导致严重的局部网格划分失败问题。

2.4 翘曲因子

翘曲因子数值≥0,0代表最好。主要用于检查四边形壳单元,也可用于六面体、菱形、金字塔单元的四边形面,判断四边形的4个顶点是否在同一个平面内,其值基于单元跟其投影间的高差。0说明四边形位于同一个排名上,值越大说明翘曲越厉害。

图惜注,由于四面体单元每个面都是三角形,没有四边形,所以四面体单元不适用于此判据。

2.5 平行偏差

平行偏差也是用于检查四边形单元,或者六面体、菱形、金字塔单元的四边形面,对应体单元,它忽略了中间节点,直接将四个角节点用矢量相连接算角度,简单粗暴,不适用于三角形和四面体单元。平行偏差数值≥0,0代表最好。在一个四边形单元中,由两条对边的向量的点积,通过acos得到一个角度。取两个角度的大值。无中节点的四边形的警告限值为70°,错误限值为150°。

2.6 最大拐角

对三角形来说,理想角值为60°(等边三角形),对四边形,理想角值为90°(矩形)。无中节点的四边形警告限值155°,错误限值179.9°。

2.7 畸变度(倾斜度)

畸变度表示网格形状与理想形状的差异,数值范围0~1,0为理想值,1为最差值。

2.8 正交质量

结构化网格常用的检查依据,范围正交质量为0-1,其中0表示最差,1表示最好。

3 目标质量

细心的工程师会发现,在质量组中有目标质量选项,它是什么意思呢?目标质量用于一定程度地自动改善网格质量,对于结构化网格没多少效果,因为网格本身质量就较高,但是用在非结构化网格就可以发挥一定效果,特别是四面体网格,能有限度地改善最差的网格,即一定程度地提高单元质量最小值。目标质量缺省值为0.05,几乎不起作用。

比如如下模型,使用默认设置划分网格如下,最小质量为0.2667。


现在我们将目标值改为0.5,同时将检查网格质量选项设置为:是,错误和警告,重新生成网格。程序跳出了警告,提示部分网格未达到目标值,说明我们的目标值设置的太高,即使如此,最差网格质量也改善为了0.47。


4 网格编辑

网格划分完成后,可以对生成的网格进行编辑,比如拖动节点等。

右击结构树中的网格——插入——网格编辑,便在结构树中出现了网格编辑项目,右击网格编辑——插入,便可选择所需操作的动作。

比如下图的壳体网格,使用三角形生成的网格是这样的,可以看到,个别网格质量是比较差的,特别是显示为红色的这些网格。

插入网格编辑——节点移动,移动网格形状差的网格的节点,使三角形每一边尽量相等。

平面单元和壳单元都很好调节单元节点位置,但是体单元就不好调节了,因为体单元默认是有中节点的,调节一个节点时,中节点不会跟随变化。


节点移动用于个别表面很差的单元的调节,如果大部分网格质量不好,建议重新设置方法再自动划分。

更多功能等到读者探索,下篇文章和大家一起探讨细碎面网格如何清除,敬请关注。




来源:CAE中学生
MeshingWorkbench动网格理论控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-04-24
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CAE无剑
硕士 | 仿真工程师 CAE中学生
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