工匠筆記Workbench meshing之一

Workbench分網器

寫在前面

Workbench致力于打造易于使用的多學科仿真平臺，盡力弱化“有限元”概念。實際上，一個完全缺乏有限元基礎知識的機械工程師，能夠輕而易舉地完成仿真任務，因為網格劃分自動化程度非常高，甚至無需用戶做任何設置。

事實上，我就完全不知Solid186為何物，也不知道要用幾毫米的單元尺寸，但是通過coarse,medium,fine這樣易于理解的詞匯的封裝，以及在轉角這些復雜外形處使用refinement加密網格也很容易，它們幫助我完成底層設置。我則把關注焦點放在機械系統是否合理，約束是否適當，載荷如何布置等工程問題上。就這樣過了若干年，直到有一天我進入了流體領域，自動生成的網格數無比巨大，導致在筆記本電腦上無法運行，發現不得不補上網格這一課。

本系列筆記譯自workbench help，v18.2，供有類似困惑的工程師參考，轉載請注明出處。由于筆者水平有限，缺點錯誤在所難免，歡迎指正。

 

1.      網格概述

1.1.    目標

Workbench的目標，是提供穩健易用的網格工具，簡化網格生成過程。這些工具在擁有高度自動化便利的同時，也提供從中度至高度的用戶控制權。

1.2.    物理環境

每當啟動網格程序，workbench將基于分析類型設置物理環境，確保對于分析系統設定合適的物理偏好；對于機械模型系統mechanical model system，應用機械物理偏好；對于網格系統mesh system，其物理環境基于tools > options > meshing > default physics preference的設定。

2.      Workbench網格實現

分網在workbench平臺內進行。能否運行特定的程序取決于許可等級。

      

工匠筆記：在workbench中，劃分網格可以通過mechanical或者meshing分網器完成。

• Mechanical程序——如果打算使用mechanical程序完成仿真任務，例如模型準備和求解仿真。另外，如果計劃一個FSI（流固界面）任務，并希望用一個獨立的項目管理仿真數據，也可以用mechanical劃分流體網格。在一個獨立的程序內完成結構網格和結構求解，為仿真提供了最大的方便。

工匠筆記：mechanical程序可運行以下仿真系統：static structural ; transient structural ; explicit dynamics etc . 即所有機械仿真系統

•  meshing分網器——如果計劃用網格去執行流體仿真如CFX或者Fluent。分網之后如果又打算進行mechanical仿真，可以將其轉換為mechanical系統。

注：在18.2版，autodyn在mechanical內運行，建議使用顯式分析系統內含的網格單元。另外，也可以用網格程序生成有限元模型，然后傳送至autodyn應用程序。獨立的autodyn模型，可以使用內置的autodyn傳統網格工具。

3.      網格類型

工匠筆記：Workbench基于結構層級，算法和單元形狀分類。

3.1.    結構層級

按結構層級有裝配級和零件級分網，裝配級分網把部件作為一個整體來劃分，而零件級網格或者體網格則依次對零件或者體分網。

在零件級，各零件單獨完成網格劃分，并且零件網格之間沒有關聯，除非使用網格連接mesh connection或者節點連接node connection。裝配級執行布爾運算，就象你在SCDM，DM或者其它cad中手動完成的操作一樣。這些操作包括體積填充，相交和組合，以便在固體，流體和虛擬體之間建立協調網格。

也可以基于零件劃分裝配網格，此時零件是一個個完成分網的，此時不支持虛擬體。

工匠筆記：此節僅對流體網格，結構網格總是不能把零件都合并起來的。

3.2.    分網算法

按邊界處理方式，有邊界協調patch conforming與邊界獨立patch independent兩種算法，分別簡稱協調算法，獨立算法。算法可以在裝配級或者零件級運行。

3.2.1.   協調算法patch conforming

協調算法是一種分網技術，在給定的零件中重視容差范圍內所有的面及其邊界（邊和頂點）[稱為patch]。對于更小的特征和臟幾何，使用解構（defeaturing）技術克服其帶來的分網困難，虛擬拓撲也能達成同樣的效果。

協調算法通常會重視所有的拓撲。如果網格已經生成，改變對象（如載荷，邊界條件，選擇集等）的作用范圍，將自動繼承關聯的網格；即使拓撲檢查設置為yes，也不會重新分網。

注：如果進行了大量的解構，而對象作用于小面，需要注意分網器能捕捉到這些邊界；在這些特征上設置局部網格尺寸能夠很好的解決這一類問題。

細化（mesh refinement）適用于所有的協調算法。

應用

可在以下網格控制設置下使用協調算法，通常在零件級運行除非另外指定。詳見方法控制method control。

實體solid：

• 協調四面體patch conforming tetra

• 通用掃掠general sweeping

• 薄體掃掠thin sweeping

• 六面體主導hex dominant

工匠筆記：協調算法僅適用于實體，但不限于四面體

3.2.2.   獨立算法patch independent

獨立算法是一種分網技術，不強調面及其邊界（邊和頂點）[稱為patch]，除非有載荷，邊界條件，接觸，選擇集，結果或者其它對象作用于該面或邊或頂點。當對象作用于幾何，導致這些特征被重視，因而，它們稱為“保護拓撲”protected topology。獨立算法在進行顯著解構的同時能檢視保護拓撲，所以當需要大量解構或者高度一致性網格的情況下此方法非常有用。

關于保護拓撲：

• l  如果面體有不同厚度，這樣的兩個面之間的邊受保護

• l  虛擬拓撲仍然可以在獨立算法中使用，然而虛擬元的邊界不受保護除非有對象作用于該虛擬拓撲。換句話說，虛擬元代替底層幾何但保留相同的保護規則

• l  拓撲檢查確保對于每一段幾何拓撲，都有適當的關聯網格，例如：

        ? 實體solid body有關聯的體網格

        ? 面face有關聯的面網格

        ? 邊edge有關聯的邊網格

        ? 頂點vertice有關聯的節點

• l  關聯于未保護的體，面，邊和頂點的網格，這種情況下網格和幾何之間不必存在一對一的關系。例如下圖中，底行塊體的高亮邊受保護，頂行的塊體則不是。右邊的兩個塊體，紅色面指示網格關聯于左邊的三角形，由于塊體的尖銳特征，側面都保持一對一的關系

分網之后，如果一個對象作用于幾何，網格關聯可能失配，例如右上塊體。這種情況下，新對象加入保護列表，但是你可能想或者不想重新分網，因為關聯良好；但如果選擇其中一個三角面，關聯網格可能有問題，可以在高級組advanced中設置拓撲檢查，以控制重分網行為。拓撲檢查的默認值為no，表示不強制重分網。

工匠筆記：不太懂，似乎上面一排塊體分網時忽略了中間那條斜線，不知道怎么做到的。

注：

• l  獨立算法不支持網格細化mesh refinement

• l  裝配網格是一種獨立算法，但其實現不同于零件網格，如上所述，裝配網格把模型當作一個整體進行分網，而零件網格則是一個個零件進行分網。裝配體也可以基于零件分網，但此時不能進行虛擬體分網，也不能評估占用相同空間的零件

應用

獨立算法可應用于以下設置，在零件級運行除非另有說明。詳見方法控制method control節

實體solid body

• l  獨立四面體patch independent tetra

• l  多區multizone

• l  切割單元cutcell和四面體算法（裝配級）tetrahedrons algorithms

面體surface body

• l  四邊形主導quad dominant

• l  全三角形all triangles

• l  多區四邊形或三角形multizone quad/tri

注：

• l  對于切割單元和四面體算法（裝配級）

            ?  面受保護

            ?  接觸邊受保護

            ?  例外，面的邊界不受保護（例如無接觸的邊和頂點），即使其作用于載荷，邊界條件，選擇集和其它對象；此外，這些對象不會傳送至求解器，因為裝配網格不與邊或頂點關聯。

• l  對于多區四邊形/三角形：

            ?  不同材料的面體為保護拓撲；

            ?  可變厚度的面體不保護，為防止面及其邊界過度分網，可為每個厚度建立單獨的選擇集

3.3.    單元形狀

單元形狀有如下種類：

四面體：

• l  協調四面體patch conforming tetrahedron mesher

• l  獨立四面體patch independent tetrahedron mesher

• l  四面體算法（裝配級）

六面體：

• l  掃掠swept mesher

• l  六面體主導hex dominant mesher

• l  薄實體thin solid mesher

六面體/棱柱/四面體混合：

• l  多區分網multizone mesher

笛卡爾：

• l  切割單元（裝配級）cutcell assembly level

四邊形：

• l  四邊形主導quad dominant

• l  多區四邊形/三角形multizone quad/tri

三角形：

• l  全三角形all triangles

4.      共形與非共形

本節討論共形conformal和非共形non-conformal分網

• l  零件內的共形分網

• l  零件間的共形分網

• l  連接/界面處理

4.1.    零件內的共形分網

Workbench可以用不同的方法生成共形網格。一般來說，可以規定零件的一個區域生成共形網格。網格總是在零件層級生成，除非指定為裝配層級。零件級分網時，只有該零件的幾何發送至分網器，因此其它零件的幾何不會影響該零件分網；例外情況是有接觸尺寸控制contact sizing時。為了在不同區域或體組成的幾何中建立共形網格，必須使用多體零件。

下述說明適用于多體零件：

• l  多體零件必須用designmodeler或者spaceclaim建立

• l  多體零件類別：

            ? 共享拓撲shared topology，把兩個體之間的界面合并成一個面，共享面屬于兩個鄰接體，分網時，界面處的網格是共形的

            ? 非共享拓撲，保持兩個鄰接體之間的面獨立，此時分網為非共形，其界面將被接觸探測檢出

                    n  壓印兩個鄰接體，通常有助于使一對邊界面相同，在非共形界面上建立更一致的網格，designmodeler為共享拓撲提供壓印技術，類似于無共享，把多體零件的所有體壓印在一起。

                    n  在某些情況下此選項有助于組織多體零件，但應注意后果。多體零件將在一個流程中完成分網。

                    n  獨立四面體分網有一個選項“盡可能匹配網格”，試圖使網格共形，即使沒有共享拓撲。

• l  一般使用多體零件形成六面體網格，方法是把模型切割成可以掃掠的體，用共享拓撲在這些掃掠體之間得到共形網格

• l  通常多體零件全部由實體或者面體或者線體組成

            ? 不允許由實體，面體和線體組成多體零件

            ? 允許由實體和面體組成多體零件，但應注意：

                    n  默認實體先分網，可通過選擇性分網改變次序。

                    n  在SpaceClaim，共享選項包括共享和合并，兩者都可以建立共享拓撲。試圖在實體內嵌入一個零厚度面體或擋板時使用合并，其它情況使用共享

                    n  下圖顯示實體內嵌入一個擋板，此模型在SpaceClaim中由一個實體和一個面體構成，使用合并選項

                    

                    n  在DesignModeler中，使用共享拓撲

                    n  在SpaceClaim中可以建立實體/表皮模型。類似于其它多體零件，共用面共享。

                    n  實體/表皮模型支持表皮與實體面重疊

            ? 支持面體和梁組成多體零件

• l  相關信息，參考mechanical help中的“幾何介紹”

4.2.    零件間的共形網格

某些情況下，你可能希望在不共享拓撲的情況下，得到共形網格。

例如，用于建立重復拷貝的網格實例，你希望在這些拷貝之間獲得共形網格；又或者，分網速度至關重要，你希望使用并行模式分網，后面再將網格連接起來。有幾種基于網格的方法能在零件間實現網格共形，如下所述：

• l  裝配級分網：把所有的零件一次裝入分網器。只要零件夠靠近，所有的網格都是共形的

• l  網格連接：本法從已有網格開始，壓印并連接網格使之共形

• l  節點合并：分網之后，插入一個節點合并操作，使同位（節點靠近在公差之內）網格共形。合并節點適用于連接“網格匹配”match mesh或者“接觸匹配”contact match mesh網格。

4.3.    連接/界面處理

進入網格/機械程序，默認在彼此接近的零件之間建立接觸連接。如若不希望自動建立連接或界面，可以關閉此功能。在workbench主菜單，Tools>Options，在mechanical或者meshing條目下，關閉Auto Detect Contact On Attach。

這些接觸區域可用于網格尺寸控制，或定義仿真時如何處理接觸/界面的行為。

對于結構求解器見mechanical help connection

對于流體求解器，CFX與Fluent接觸區域用法不同:

• l  CFX基于GGI（General Grid Interface）定義使用接觸區域,詳見CFX幫助文檔

• l  Fluent把接觸區域當作網格界面，詳見Special Cases