有限元基礎(四)-四面體與六面體的比較_上

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關于在有限元實體建模中,采用四面體網格還是半自動六面體網格,在CAE工程師中存在著廣泛的爭議。


對于包含局部薄殼特征的裝配實體結構,在集中載荷的作用下,不同的材料屬性,自動網格劃分產生的不同的單元延伸率都會影響單元的計算精度,而不只是單元類型會對其有影響。復雜的設計往往會帶來大規模的自由度問題。


通常,檢驗單元的標準包括具備完整的形狀函數多項式,邊界連續性,適用于貼片測試,收斂性。這個問題的癥結在于如何獲得復雜區域的精確計算結果,而不是孤立的判斷四面體和六面體網格的優缺點。


六面體和四面體各自優越性

IBM研究部門的A.O. Cifuentes A.Kalbag發表的一篇名為《三維四面體單元在結構分析中的性能研究》的論文,得出了一個有趣的結論。“……這里研究了一次和二次的四面體,及六面體單元在不同結構問題的特性,這些結構問題包括彎曲,偏轉,扭轉和軸向變形。觀察到了采用二次四面體和六面體單元的分析在求解精度和CPU時間上是相當的。”


作者同樣也指出了,對于簡單幾何,或者說可以方便的手動劃分網格的模型,更多的依賴于8節點的六面體網格,通常稱為“砌磚單元”。而對于復雜幾何模型通常采用自動或半自動的方式劃分網格,自動生成網格的算法通常采用四面體,而非六面體。


原因是通常的三維模型不能精確的被六面體堆砌所描述,然而總能剖分為四面體單元的集合。

我們在結構研究分析中也總是對比四面體和六面體劃分的模型,并得到了比較可靠計算結果對比。

無論對于哪種單元類型,較少的節點數,會導致低精度。4節點四面體和8節點六面體通常用于近似直線的邊界模型中,而對于曲線邊界模型,要得到更精確的解,需要更多節點和單元數,或者采用10節點二次四面體,20節點二次六面體。


但值得我們注意的是,由于自動六面體劃分的限制很多,采用半自動會耗費大量時間,因此采用二次四面體往往是最優選擇。(摘錄編譯,未完待續)

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