結構化網格和非結構化網格

關于網格的經典文獻你可以參看 thomphson Numecrial grid generation 那本書 , 講的有 pde 和參數化代數方法 . 書后附有算例和代碼 .
NURBS 參數化曲線和曲面在自由曲線和曲面的 cad 造型廣泛應用 , 也見到國內外的文獻提到用這種方法生成網格 , 國內可能還沒用這種方法來生成網格的實例 . 如果網格生成算法感興趣,可以看看。
關于結構和非結構網格,各有應用場合。個人比較喜歡結構網格。通過觀察 IDEAS 中結構網格生成的步驟及要求,我覺得對于復雜的幾何體,生成結構網格也是可以的,前提是采用適當的 partition 方法,將幾何體分解成規則的基本幾何體。而分解幾何體是幾何建模的任務。
個人感覺:生成網格的軟件名目繁多,但是網格生成基本原理和算法可以歸成下列所述的類別。主要差別可能在于輔助的幾何建模方法不同。網格生成應當輔以幾何建模,只有與幾何建模結合,才可以對復雜幾何體生成高質量的網格。
網格生成的另外一個要素就是物體的參數化表示技術,當采用適當的參數化表示實體表面時,同樣的網格生成技術有時候可以得到非常好的網格。 NURBS 是我所知道的 CDA CAM 中應用較為廣泛的構造復雜曲面的參數化表示技術。
對于連續的物理系統的數學描述,如航天飛機周圍的空氣的流動,水壩的應力集中等等 , 通常是用偏微分方程來完成的。為了在計算機上實現對這些物理系統的行為或狀態的模擬,連續的方程必須離散化,在方程的求解域上(時間和空間)僅僅需要有限個點,通過計算這些點上的未知變量既而得到整個區域上的物理量的分布。有限差分,有限體積和有限元等數值方法都是通過這種方法來實現的。這些數值方法的非常重要的一個部分就是實現對求解區域的網格剖分。
網格剖分技術已經有幾十年的發展歷史了。到目前為止,結構化網格技術發展得相對比較成熟,而非結構化網格技術由于起步較晚,實現比較困難等方面的原因,現在正在處于逐漸走向成熟的階段。下面就簡要介紹一些這方面的情況。
1.1 結構化網格
從嚴格意義上講,結構化網格是指網格區域內所有的內部點都具有相同的毗鄰單元。結構化網格生成技術有大量的文獻資料 結構化網格有很多優點 :
1. 它可以很容易地實現區域的邊界擬合,適于流體和表面應力集中等方面的計算。
2. 網格生成的速度快。
3. 網格生成的質量好
4. 數據結構簡單
5. 對曲面或空間的擬合大多數采用參數化或樣條插值的方法得到,區域光滑,與實際的模型更容易接近。
它的最典型的缺點是適用的范圍比較窄。尤其隨著近幾年的計算機和數值方法的快速發展,人們對求解區域的復雜性的要求越來越高,在這種情況下,結構化網格生成技術就顯得力不從心了。
結構化網格的生成技術只要有:代數網格生成方法。主要應用參數化和插值的方法,對處理簡單的求解區域十分有效。
PDE 網格生成方法。主要用于空間曲面網格的生成。
1.2 非結構化網格
同結構化網格的定義相對應,非結構化網格是指網格區域內的內部點不具有相同的毗鄰單元。即與網格剖分區域內的不同內點相連的網格數目不同。從定義上可以看出,結構化網格和非結構化網格有相互重疊的部分,即非結構化網格中可能會包含結構化網格的部分。
非結構化網格技術從六十年代開始得到了發展 , 主要是彌補結構化網格不能夠解決任意形狀和任意連通區域的網格剖分的缺欠 . 90 年代時 , 非結構化網格的文獻達到了它的高峰時期 . 由于非結構化網格的生成技術比較復雜 , 隨著人們對求解區域的復雜性的不斷提高 , 對非結構化網格生成技術的要求越來越高 . 從現在的文獻調查的情況來看 , 非結構化網格生成技術中只有平面三角形的自動生成技術比較成熟(邊界的恢復問題仍然是一個難題,現在正在廣泛討論) , 平面四邊形網格的生成技術正在走向成熟。而空間任意曲面的三角形、四邊形網格的生成,三維任意幾何形狀實體的四面體網格和六面體網格的生成技術還遠遠沒有達到成熟。需要解決的問題還非常多。主要的困難是從二維到三維以后,待剖分網格的空間區非常復雜,除四面體單元以外,很難生成同一種類型的網格。需要各種網格形式之間的過度,如金字塔形,五面體形等等。
非結構化網格技術的分類,可以根據應用的領域分為應用于差分法的網格生成技術(常常成為 grid generation technology )和應用于有限元方法中的網格生成技術(常常成為 mesh generation technology ),應用于差分計算領域的網格要除了要滿足區域的幾何形狀要求以外,還要滿足某些特殊的性質(如垂直正交,與流線平行正交等),因而從技術實現上來說就更困難一些。基于有限元方法的網格生成技術相對非常自由,對生成的網格只要滿足一些形狀上的要求就可以了。
非結構化網格生成技術還可以從生成網格的方法來區分,從現在的文獻資料所涉及的情況來看,主要有以下一些生成方法:
對平面三角形網格生成方法,比較成熟的是基于 Delaunay 準則的一類網格剖分方法(如 Bowyer-Watson Algorithm Watson’s Algorithm )和波前法( Advancing Front Triangulation )的網格生成方法。另外還有一種基于梯度網格尺寸的三角形網格生成方法,這一方法現在還在發展當中。基于 Delannay 準則的網格生成方法的優點是速度快,網格的尺寸比較容易控制。缺點是對邊界的恢復比較困難,很可能造成網格生成的失敗,對這個問題的解決方法現在正在討論之中。波前法( Advancing Front Triangulation )的優點是對區域邊界擬合的比較好,所以在流體力學等對區域邊界要求比較高的情況下,常常采用這種方法。它的缺點是對區域內部的網格生成的質量比較差,生成的速度比較慢。
曲面三角形網格生成方法主要有兩種,一種是、直接在曲面上生成曲面三角形網格;另外一種是采用結構化和非結構化網格技術偶合的方法,即在平面上生成三角形網格以后再投影到空間的曲面上,這種方法會造成曲面三角形網格的扭曲和局部拉長,因此在平面上必須采用一定的修正技術來保證生成的曲面網格的質量。
平面四邊形網格的生成方法有兩類主要的方法。一類是間接法,即在區域內部先生成三角形網格,然后分別將兩個相鄰的三角形合并成為一個四邊形。生成的四邊形的內角很難保證接近直角。所以在采用一些相應的修正方法(如 Smooth, add )加以修正。這種方法的優點是首先就得到了區域內的整體的網格尺寸的信息,對四邊形網格尺寸梯度的控制一直是四邊形網格生成技術的難點。缺點是生成的網格質量相對比較差,需要多次的修正,同時需要首先生成三角形網格,生成的速度也比較慢,程序的工作量大。
另外一類是直接法,二維的情況稱為鋪磚法( paving method )。采用從區域的邊界到區域的內部逐層剖分的方法。這種方法到現在已經逐漸替代間接法而稱為四邊形網格的主要生成方法。它的優點是生成的四邊形的網格質量好,對區域邊界的擬合比較好,最適合流體力學的計算。缺點是生成的速度慢,程序設計復雜。
空間的四邊形網格生成方法到現在還是主要采用結構化與非結構化網格相結合的網格生成方法。
三維實體的四面體和六面體網格生成方法現在還遠遠沒有達到成熟。部分四面體網格生成器雖然已經達到了使用的階段,但是對任意幾何體的剖分仍然沒有解決,現在的解決方法就是采用分區處理的辦法,將復雜的幾何區域劃分為若干個簡單的幾何區域然后分別剖分再合成。對凹區的處理更是如此。
六面體的網格生成技術主要采用的是間接方法,即由四面體網格剖分作為基礎,然后生成六面體。這種方法生成的速度比較快,但是生成的網格很難達到完全的六面體,會剩下部分的四面體,四面體和六面體之間需要金字塔形的網格來連接。現在還沒有看到比較成熟的直接生成六面體的網格生成方法。
其它的網格生成方法:二維到三維投影的網格生成方法:對比較規則的三維區域,首先在平面上生成三角形或四邊形網格然后在 Map 到三維的各個層面,連接各個層面就生成了三維的網格剖分。這種方法目前應用非常廣泛。
一般來說,結構網格的計算結果比非結構網格更容易收斂,也更準確。但后者容易做。影響精度主要是網格質量,和你是用那種網格形式關系并不是很大,如果結構話網格的質量很差,結果同樣不可靠,相對而言,結構化網格更有利于計算機存儲數據和加快計算速度。結構化網格據說計算速度快一些,但是網格劃分需要技巧和耐心。非結構化網格容易生成,但相對來說速度要差一些。
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