Ansys 2023 R1為Ansys Mechanical帶來了許多新功能，使用戶能夠執行更準確、更高效的結構仿真。結構產品組合推出新的特性和功能，支持用戶執行更準確可靠、更高效和可定制的仿真分析。其中，基于幾何的網格自適應功能，可以讓用戶在進行計算之前，不關注初始網格的質量，同時能保證一定的計算精度。本文將詳細介紹基于幾何的網格自適應功能。

概述

標準非線性網格自適應性（NLAD）在所需的分析子步中創建網格，這些網格與幾何體的邊界表示（bRep）是不相關的。初始網格到模型邊界（bRep）的保真度決定了后續NLAD過程中重新劃分網格的保真度。初始網格會用基于多面網格的幾何體替換真正的bRep，作為后續重新劃分網格的參考。對于幾何上的曲線模型邊界，如果采用了非常粗糙的網格表示，即使經過網格細化，模型的保真度也不會得到改善。

為了在傳統NLAD中通過重新劃分網格來充分表示邊界，需要采用精細網格來表示幾何體。就自適應分析而言，這種方法效率低下，因為精細的初始網格相當于需要在模型計算之前就進行網格細化。

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理想的解決方案是在整個變形歷史中保持不斷演變的bRep，并在非線性自適應分析期間保持相應的網格/幾何的演變關系。NLAD-GPAD通過使用bRep而不是前一步的變形網格作為新網格的參考幾何來實現此目的。優點是初始網格不需要很精細，這樣自適應過程可以在邊界和體內部的感興趣區域中細化網格，同時bRep可確保重劃分網格時能基于實際模型邊界。

NLAD-GPAD能夠在求解階段更改網格以提高精度，不需要用戶手動干預。它可以指定一些標準，從而確定網格是否需要修改；如果需要，需要修改哪些部分。

使用方法

NLAD-GPAD功能在Ansys的經典界面Mechanical APDL中沒有對應的GUI入口，但是可以使用命令代碼來使用；在Ansys的workbench環境中的Mechanical中可以通過Geometry Based Adaptivity功能來使用。這個功能基于載荷步，因此如果在分析中定義了多個載荷步，可以按載荷步來激活或停用該功能。

Geometry Based Adaptivity具體的使用步驟如下：

1.在分析環境中插入Geometry Based Adaptivity

2.選擇作用對象

3.指定網格重劃分條件

當前的GPAD功能，支持的網格重劃分準則為能量（Energy）和位置(Box)。各種參數的具體含義與傳統的NLAD中的含義相同。

4.按載荷步指定激活狀態。表格數據窗口將提供鼠標右鍵單擊選項，以激活（或抑制）所需加載步的條件。默認設置為激活。

當使用NLAD-GPAD時，程序會自動啟用非線性解算法。為了確保在分析過程中至少發生一次網格劃分，可以根據需要設置子步的數量。對于線彈性問題，最少的子步數為 2，確保至少進行一次網格細化。

使用限制

1.建模限制

（1）僅支持線性和二次四面體單元（SOLID285和SOLID187）；

（2）不支持具有線性和二次單元混合的多實體零件或多實體組件；

（3）不支持使用收斂（convergence）對象；

（4）不兼容以下邊界條件

-循環對稱

-基于梁的接觸算法

-接觸行為為自動非對稱

-點質量、梁連接、鉸接、彈簧和軸承連接

-隨坐標變化的邊界條件

-遠程邊界條件中的行為屬性為梁

-弱彈簧

-耦合

-約束方程

（5）不兼容以下材料本構

-Cast Iron

-Concrete

-Cohesive Zone

-Damage Initiation Criteria and Damage Evolution Law

-Microplane

-Shape Memory Alloy

-Swellin

2.求解限制

目前，在應用GPAD功能時，只支持小變形分析（大變形開關需要關閉），但是可以包含接觸和材料的非線性（彈塑性材料）。當前的GPAD功能也只能在靜力學結構分析中調用。

3.后處理限制

GPAD功能會導致在求解過程中網格發生變化，因此在提取結果時會有一些限制，主要包括：

-只能查看體的結果，不能查看點、線、面、節點、單元及單元面的結果。

-不支持傳遞變形后的幾何。

-查看接觸的穿透量時，可能在網格重劃分前后表現不連續。

-不支持查看“Maximum Over Time/Time of Maximum”或“Minimum Over -Time/Time of Minimum”。

-重新劃分網格后的穿透圖可能顯示曲線不連續性。

-在傳遞變形結果的變形幾何體和網格時不受支持。

不同網格重劃分控制的使用對比

在Ansys Mechanical 2023R1，要引起網格重劃分，一共有3種方法：Nonlinear Adaptive Region、Geometry Based Adaptivity和Convergence。由于都會引起網格重劃分，因此，這3個功能是互斥的，相互之間不兼容。

（1）Nonlinear Adaptive Region

主要用于非線性分析中由于網格變形較大而導致不收斂的情況，例如橡膠的非線性分析；如果用于小變形分析中，則主要是為了提高應力分析的精度。其主要是通過設定一定的準則，來確保網格在整個分析過程中的質量，避免因為網格質量導致不收斂或網格太粗糙而應力精度太低。網格重劃分的觸發方式是設定的準則，支持能量、位置和網格質量三種準則。

（2）Geometry Based Adaptivity

其與Nonlinear Adaptive Region類似，不同之處在于其進行網格重劃分時，可以基于幾何進行，而不是基于網格。這樣可以提高網格模型的保真度，從而提高曲線邊界處的應力精度。當前僅支持小變形分析，主要用于初始網格太粗糙而損失了幾何模型的保真度，從而導致計算結果精度較低的情況。其主要是通過設定一定的準則，來確保網格在整個分析過程中的質量，避免因為網格質量導致計算結果精度低。網格重劃分的觸發方式是設定的準則，支持能量和位置兩種準則。

（3）Convergence

主要用于提取指定局部位置的高精度結果。其主要是通過加密局部網格來比較不同網格密度下結果的變化。網格重劃分的觸發方式是結果的變化百分比。使用這個功能，網格的重劃分是基于幾何的（與Geometry Based Adaptivity類似，可以保證幾何模型的保真度）。

總結

Ansys Mechanical 2023R1中新引入的GPAD功能，其在進行網格重劃分時，以幾何邊界為參考來進行，能幫助用戶在進行分析之前即使使用較粗的網格，也能保證曲線邊界處的應力精度。用戶在平時使用的過程中，可以有針對性的選擇不同的網格重劃分功能（Nonlinear Adaptive Region、Geometry Based Adaptivity和Convergence）來幫助提供仿真的計算精度或改善非線性分析的收斂性。

作者：廣州安世亞太 黃晶