ANSYS軟件是由美國(guó)ANSYS公司所開發(fā)的一款融合結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空、電子、汽車和重型機(jī)械等領(lǐng)域。有限元分析包括前處理、求解和后處理三個(gè)過程。前處理作為有限元分析的第一步，其目的在于為之后的求解建立有限元模型，高質(zhì)量的有限元模型是有限元計(jì)算的基礎(chǔ)，而網(wǎng)格的劃分是建有限元模型中最為關(guān)鍵的一步。下面本文將從五個(gè)方面對(duì)網(wǎng)格的劃分進(jìn)行介紹。

       1.網(wǎng)格劃分的步驟

       在劃分網(wǎng)格之前首先要對(duì)單元的屬性進(jìn)行定義，在ANSYS Mechanical中單元屬性包括單元類型、單元材料和單元實(shí)常數(shù)。

ANSYS中的單元類型會(huì)在后文中詳細(xì)介紹，單元的材料屬性可以通過MP命令進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)材料選擇的不同，所需要設(shè)定的材料屬性也會(huì)不同，如對(duì)于各向同性彈性材料需要設(shè)定材料的密度、彈性模量和泊松比，而對(duì)于非線性塑性材料模型還需要設(shè)定材料的屈服強(qiáng)度、切線模量等一些其他參數(shù)。

實(shí)常數(shù)是針對(duì)單元類型的一種單元屬性，可以理解為是對(duì)所選單元的一種補(bǔ)充定義，不同類型的單元，實(shí)常數(shù)的定義也不同，如2D梁?jiǎn)卧狟EAM23，當(dāng)梁截面形狀為矩形截面時(shí)，實(shí)常數(shù)用來(lái)控制單元的截面面積、繞z軸慣性矩和截面高度。

定義好單元屬性以后，需要對(duì)單元賦予單元屬性，生成網(wǎng)格時(shí)，ANSYS會(huì)自動(dòng)賦予單元當(dāng)前激活的單元屬性，最后設(shè)定網(wǎng)格劃分的密度。與ANSYS Mechanical不同，在ANSYS Workbench平臺(tái)中單元類型默認(rèn)為實(shí)體單元Solid186，用戶可以在幾何模型下插入命令流完成對(duì)單元類型的更改，單元材料默認(rèn)為結(jié)構(gòu)鋼，用戶需要在材料庫(kù)中添加其它材料并在幾何模型下進(jìn)行材料的更改。

       2.單元類型的介紹與選擇

       ANSYS軟件中為用戶提供了豐富的單元類型，基本可以滿足絕大多數(shù)工程應(yīng)用上的要求。

結(jié)構(gòu)分析中有結(jié)構(gòu)點(diǎn)單元（如MASS21）、結(jié)構(gòu)線單元（如LINK10、LINK180）、結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧ㄈ鏐EAM23、BEAM188）、結(jié)構(gòu)實(shí)體單元（如PLANE25、SOLID45、SOLID185、SOLID186）、結(jié)構(gòu)殼單元（如SHELL51、SHELL181）、結(jié)構(gòu)管單元（如PIPE59）、接觸單元（如CONTAC174、TARGE170）、顯示動(dòng)力單元（如LINK160、SOLID164、BEAM161）等。

熱力學(xué)分析中有熱點(diǎn)單元（如MASS71）、熱線單元（如LINK31、LINK32）、熱實(shí)體單元（如PLANE35、SOLID70、SOLID87）、熱殼單元（如SHELL57、SHELL131、SHELL132）、熱電單元（如PLANE67、SOLID69）等。

流體結(jié)構(gòu)分析中還包括一些特有的單元，如FLUID29、FLUID30、FLUID116、FLUID129、FLUID136、FLUID141等。

電子分析中包括電磁單元（如PLANE53、PLANE230、SOLID96、SOLID123、INTER115、HF118、HF121）、電路單元（如SOURC36、CIRCU94、CIRCU124）、機(jī)電單元（如TRANS109、TRANS126）等。

除此以外ANSYS中還包括一些其他單元，如耦合場(chǎng)單元PLANE13、矩陣單元MATRIX27、無(wú)限單元INFIN9、網(wǎng)分單元MESH200、表面單元SURF151等等。

用戶在選擇單元時(shí)，首先要明確自己所分析的研究對(duì)象，其次根據(jù)研究對(duì)象，選取適當(dāng)?shù)膯卧愋瓦M(jìn)行模擬，選取時(shí)要特別注意該單元的特性以確定其所適用的范圍，比如LINK10是一個(gè)軸向僅受拉或僅受壓的桿單元，特別適用與模擬繩索這樣僅能承受拉力的對(duì)象，同為桿單元的LINK180則在承受軸向拉力的同時(shí)也可以承受軸向的壓力，則該單元適用于模擬桁架和彈簧等結(jié)構(gòu)。

與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)單元還分為線性單元與二次單元，線性單元的節(jié)點(diǎn)只在端點(diǎn)處（如SOLID185實(shí)體單元），采用線性單元求解，精度差但求解速度快；二次單元除了端點(diǎn)外還具有中間節(jié)點(diǎn)（如SOLID186實(shí)體單元），采用二次單元求解，相對(duì)于線性單元求解精度要高，但求解速度要慢，用戶要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行選取。

       3.單元形狀與網(wǎng)格劃分

       單元的形狀主要有四邊形、三角形、六面體和角錐體四種，單元的形狀往往與網(wǎng)格的劃分方式密切相關(guān)。

對(duì)所指定的面或體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，主要分為兩種方式，自由劃分和映射網(wǎng)格劃分，APDL中控制劃分方式的命令為MSHKEY。ANSYS系統(tǒng)中網(wǎng)格的劃分方式默認(rèn)為自由劃分，  自由劃分中若不通過MSHAPE命令控制單元的形狀，則將優(yōu)先劃分四邊形和六面體網(wǎng)格，三角形和角錐體次之，若要指定劃分為三角形和角錐體網(wǎng)格，則必須通過MSHAPE命令來(lái)控制。采用映射方式劃分的網(wǎng)格形狀較為規(guī)整，但要求所劃分對(duì)象的幾何形狀必須為規(guī)則形狀。

在對(duì)于體網(wǎng)格的劃分中，我們還經(jīng)常會(huì)用到掃掠的方式，掃掠的方式主要分為兩種，兩種方式都要事先對(duì)源面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，第一種是基于源面對(duì)于已經(jīng)建立的幾何體采用VSWEEP命令進(jìn)行掃掠，第二種是將源面進(jìn)行拉伸或沿路徑掃掠生成體網(wǎng)格。若源面的網(wǎng)格為四邊形則體網(wǎng)格為六面體，若源面網(wǎng)格為三角形則體網(wǎng)格為三棱柱。需要注意的是，對(duì)于第一種掃掠的方式，若體的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面包含多于一個(gè)環(huán)，或者體包含多于一個(gè)殼，或者體的拓?fù)涿媾c目標(biāo)面不是相對(duì)的，則不能進(jìn)行掃掠。

       4.單元尺寸的控制

       眾所周知，單元的大小影響著計(jì)算的精度和速度，要想獲得較高的計(jì)算精度和較快的計(jì)算速度就必須合理控制單元的大小。當(dāng)自由劃分網(wǎng)格時(shí)，單元的大小為系統(tǒng)默認(rèn)的單元大小，系統(tǒng)默認(rèn)值可以由用戶進(jìn)行更改。若要?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)對(duì)單元的大小進(jìn)行控制，有以下幾種方式。

       首先最為常用的方式是直接通過ESIZE指定單元的邊長(zhǎng)。

       其次還可以通過對(duì)線設(shè)置網(wǎng)格的大小或設(shè)置離關(guān)鍵點(diǎn)最近的單元大小來(lái)對(duì)局部網(wǎng)格的密度進(jìn)行控制，ANSYS中劃分網(wǎng)格時(shí)不會(huì)改變已有網(wǎng)格的大小，比如對(duì)某一六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，若該六面體上的某條線或某個(gè)面已經(jīng)劃分過網(wǎng)格，則在進(jìn)行體網(wǎng)格劃分時(shí)該線和面的網(wǎng)格大小不會(huì)改變。

       當(dāng)用掃掠的方式進(jìn)行劃分時(shí)，可以在ANSYS中設(shè)置掃掠方向生成的單元數(shù)。前面我們提到過，單元的大小會(huì)影響計(jì)算的精度，當(dāng)用戶想要提高模型局部的計(jì)算精度時(shí)，還可以對(duì)指定節(jié)點(diǎn)、單元、關(guān)鍵點(diǎn)、線或面周邊的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

       5.自適應(yīng)網(wǎng)格的劃分

       有限元方式是一種離散方法，它的網(wǎng)格劃分必將產(chǎn)生一定的誤差，若能夠根據(jù)第一次網(wǎng)格劃分所帶來(lái)的誤差，在第二次劃分時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格密度的自動(dòng)調(diào)整，按照同樣的方法再進(jìn)行第三次或更多次的網(wǎng)格調(diào)整，直達(dá)到用戶所希望的誤差要求，這就是自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。

       在ANSYS中是通過宏文件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的，該功能只能應(yīng)用于靜力結(jié)構(gòu)分析和線性穩(wěn)態(tài)熱分析中，且不能一次自適應(yīng)分析中同時(shí)進(jìn)行熱和結(jié)構(gòu)兩種計(jì)算；同時(shí)整個(gè)模型盡量采用一種材料，在不同材料的過度區(qū)域往往不能進(jìn)行處理，模型的單元必須使用支持誤差計(jì)算單元，如SOLID45、SHELL63等。當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)體采用映射網(wǎng)格劃分比自由劃分效果要好，采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的單元要比線性單元的效果要好。

       對(duì)于初學(xué)者來(lái)講，一次性建立出高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格是很有難度的，這不僅僅需要工程師具有深厚的理論功底，還需要擁有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。初學(xué)者往往需要先將建立好的有限元模型進(jìn)行求解，找出網(wǎng)格劃分中不合理的地方，加以改進(jìn)并進(jìn)行再求解，不斷的重復(fù)這一過程才可以建立出滿足工程需要的高質(zhì)量有限元模型。

來(lái)源：中潤(rùn)漢泰

作者SinoFlow