作者 張應(yīng)遷

1.自適應(yīng)網(wǎng)格簡介

ANSYS程序提供了近似的技術(shù)自動估計特定分析類型中因為網(wǎng)格劃分帶來的誤差。通過這種誤差估計，程序可以確定網(wǎng)格是否足夠細。如果不夠的話，程序?qū)⒆詣蛹毣W(wǎng)格以減少誤差。這一自動估計網(wǎng)格劃分誤差并細化網(wǎng)格的過程就叫做自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，然后通過一系列的求解過程使得誤差低于用戶指定的數(shù)值（或直到用戶指定的最大求解次數(shù)）。

2. 自適應(yīng)網(wǎng)格的先決條件

ANSYS軟件中包含一個預(yù)先寫好的宏，ADAPT.MAC，用來完成自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的功能。用戶的模型在使用這個宏之前必須滿足一些特定的條件。（在一些情況下，不滿足要求的模型也可以用修正的過程完成自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，下面還要討論。）這些要求包括：

2  標準的ADAPT過程只適用于單次求解的線性靜力結(jié)構(gòu)分析和線性穩(wěn)態(tài)熱分析。

2  模型最好應(yīng)該使用一種材料類型，因為誤差計算是根據(jù)平均結(jié)點應(yīng)力進行的，在不同材料過渡位置往往不能進行計算。而且單元的能量誤差是受材料的彈性模量影響的。因此，在兩個相鄰單元應(yīng)力連續(xù)的情況下，其能量誤差也可能由于材料特性不同而不一樣。在模型中同樣應(yīng)該避免殼厚突變，這也可能造成在應(yīng)力平均是發(fā)生問題。

2  模型必須使用支持誤差計算的單元類型。

2  模型必須是可以劃分網(wǎng)格的：即模型中不能有引起網(wǎng)格劃分出錯的部分。

3.支持自適應(yīng)網(wǎng)格的單元類型

表1 支持自適應(yīng)網(wǎng)格的單元

單元類型	單元	描述
二維結(jié)構(gòu)單元	PLANE25	軸對稱諧響應(yīng)4節(jié)點結(jié)構(gòu)單元
PLANE42	二維結(jié)構(gòu)單元
PLANE82	二維8節(jié)點結(jié)構(gòu)單元
PLANE83	軸對稱諧響應(yīng)8節(jié)點結(jié)構(gòu)單元
PLANE183	2維8節(jié)點結(jié)構(gòu)單元
三維結(jié)構(gòu)單元	SOLID45	三維結(jié)構(gòu)單元
SOLID92	3維10節(jié)點4面體結(jié)構(gòu)單元
SOLID95	3維20節(jié)點結(jié)構(gòu)單元
三維殼單元	SHELL43	4節(jié)點大應(yīng)變殼單元
SHELL63	線彈性殼單元
SHELL93	8節(jié)點結(jié)構(gòu)殼單元
二維熱單元	PLANE35	2維6節(jié)點三角形熱單元
PLANE75	軸對稱諧響應(yīng)4節(jié)點熱單元
PLANE77	2維8節(jié)點熱單元

4. 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的一般步驟

進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的基本過程包括如下步驟：

（1）像其它線性靜力分析或穩(wěn)態(tài)熱分析一樣，先進入前處理器（/PREP7或MainMenu>Preprocessor）。然后指定單元類型，實參數(shù)和材料特性，要滿足上面提到的條件。

（2）用實體建模過程建立模型，用戶可以劃分網(wǎng)格的面或體建模。用戶不需指定單元大小也不用劃分網(wǎng)格，ADAPT宏會自動劃分網(wǎng)格。（如果要同時需要劃分面和體網(wǎng)格，會生成ADAPTMSH.MAC用戶子程序。）

（3）在PREP7中或在SOLUTION(/SOLU或MainMenu>Solution)中指定分析類型，分析選項，載荷和載荷步選項。在一個載荷步中僅施加實體模型荷載和慣性荷載（加速度，角加速度和角速度）。（通過ADAPTBC.MAC用戶子程序，可以施加有限單元載荷，固連和約束方程。通過ADAPTSOL.MAC用戶子程序。可以加入多個載荷步）

（4）如果在PREP7中，退出前處理器單擊FINISH。（可以在SOLUTION或在初始狀態(tài)下激活A(yù)DAPT宏）。

（5）用下列方法激活自適應(yīng)求解。

命令：ADAPT

GUI：Main Menu>Solution>Solve>AdaptiveMesh

注意：可以在熱或結(jié)構(gòu)分析中使用ADAPT宏，但不能在一次自適應(yīng)分析中同時進行這兩種不同類型的計算。在自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的迭代過程中，單元的大小將作調(diào)整（在FACMN和FACMX指定的范圍內(nèi)）以減小或增加單元能量誤差，直到誤差滿足指定的數(shù)值（或指定的最大求解次數(shù)）為止。

當自適應(yīng)網(wǎng)格計算收斂時，程序自動將單元形狀檢查打開SHPP，ON。然后返回SOLUTION或初始狀態(tài)，這取決于激活A(yù)DAPT的狀態(tài)。接下來可以進入POST1用標準操作進行后處理。

如果用戶清楚某個部分網(wǎng)格劃分的誤差相對影響較小時（如應(yīng)力水平較低且變化較小），可以將這些區(qū)域從自適應(yīng)網(wǎng)格劃分中排除以加快分析速度。同樣，用戶也許想將接近應(yīng)力奇異點的部分（如集中載荷）排除掉。選擇邏輯操作可以解決這類問題。

如果用戶選擇了一個關(guān)鍵點集，ADAPT宏仍將包含進所有的關(guān)鍵點（在選擇的和未選擇的關(guān)鍵點都作網(wǎng)格改動），除非將ADAPT命令（Main Menu>Solution>Adaptive Mesh）中KYKPS設(shè)為1。如果用戶選擇了一個面或體集，ADAPT宏將只在選擇的區(qū)域調(diào)整網(wǎng)格大小。此時必須在激活A(yù)DAPT宏之前在PREP7中對整個模型進行網(wǎng)格劃分。

5. 用戶子程序定制ADAPT宏

標準的ADAPT宏并不總能總滿足特定的分析需要。例如，用戶可能想同時對面和體進行網(wǎng)格劃分，這在標準宏當中是不可以的。對于這種或其他一些類似情況，可以對ADAPT宏進行修改使之適用于特定的分析。ANSYS程序用宏這種方式完成自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，本身就使得用戶可以對其進行相應(yīng)的修改以適應(yīng)不同的要求。方便的是，用戶不用總是通過修改ADAPT代碼的方式來定制宏。宏的三個部分可以用用戶子程序的方法來修改，這個方法將ADAPT宏和用戶文件分開，用戶可以生成子程序由ADAPT宏來調(diào)用。這三個部分是：網(wǎng)格劃分命令序列，邊界條件命令序列和求解命令序列。相應(yīng)的用戶子程序名為ADAPTMSH.MAC，ADAPTBC.MAC和ADAPTSOL.MAC。下面看一下這三個子程序的功能：

5.1生成用戶網(wǎng)格劃分子程序（ADAPTMSH.MAC）

默認情況下，如果模型中包含一個或多個體時，ADAPT宏將只對體劃分網(wǎng)格而不對面進行劃分。如果當前選擇集中沒有體，宏才對面進行劃分。如果要同時對面和體進行劃分的話，就要生成用戶子程序ADAPTMSH.MAC來提供相應(yīng)的操作。在重新劃分網(wǎng)格之前要清楚所有這些實體中劃分過網(wǎng)格的實體。子程序大致如下：

C*** SubroutineADATMSH.MAC-Your name-Job Name-Data Created

TYPE，1            !指定劃分網(wǎng)格的單元類型屬性

ACLEAR，3，5，2    !清除本程序中要重新劃分網(wǎng)格的面和體的網(wǎng)格

VCLEAR，ALL

AMESH，3，5，2     !對面3和5劃分網(wǎng)格（ADAPT不對其他面劃分網(wǎng)格）

TYPE，2            !改變單元類型，劃分體

VMESH，ALL       !對所有體劃分網(wǎng)格

我們建議將C***行包含在文件中以區(qū)別不同的宏。這一行將在任務(wù)的輸出中出現(xiàn)，就可以確認ADAPT宏正確地調(diào)用了用戶子程序。

5.2生成用戶邊界條件子程序（ADAPTBC.MAC）

ADAPT宏在每次求解循環(huán)時都要清除并重新劃分網(wǎng)格，因此模型的結(jié)點和單元也要不斷的改變。這就使得所有的有限單元載荷，自由度固連，約束方程等施加在結(jié)點和單元的邊界條件都不能使用。如果要包含這些有限單元約束時，就要使用用戶子程序，ADAPTBC.MAC。在這個子程序中，可以選擇結(jié)點然后定義有限單元載荷，自由度固連和約束方程。下面是一個ADAPTBC.MAC的例子：

C*** Subroutine ADAPTBC.MAC-Your name-HobName-Data CReated

NSEL，S，LOC，X，0     !選擇X坐標為0的結(jié)點

D，ALL，UX，0          !使選擇的所有結(jié)點UX為0

NSEL，S，LOC，Y，0     !選擇Y坐標為0的結(jié)點

D，ALL，UX，0          !使選擇的所有結(jié)點UY為0

NSEL，ALL               !選擇所有結(jié)點

生成用戶求解子程序（ADAPTSOL.MAC）

ADAPT宏中的求解命令序列很簡單：

/SOLU

SOLVE

FINISH

這個默認的命令序列只能求解單個載荷步。用戶可以將其他的命令序列加入用戶子程序ADAPTSOL.MAC中。

5.3關(guān)于用戶子程序的一些其他說明

用戶可以像生成其他文件一樣生成這些子程序。就是說可以用APDL語言的*CREATE命令（Menu>Macro>Create Macro）和APDL的*END命令，也可以用外部的文件編輯器。當ADAPT宏調(diào)用這些子程序時，軟件先搜索ANSYS根目錄，再搜索用戶根目錄，最后是當前目錄。因此，要確保其他目錄中不包括與所用文件同名的文件。解釋行（C***）會在輸出文件中出現(xiàn)，可以通過它來檢查是否使用了正確的文件。另外，通過在運行ADAPT宏之前用/PSEARCH,OFF(Utility Menu>Macro>MacroSearch Path)指定軟件只搜索ANSYS根目錄和用戶當前目錄可以從某種程度上減少文件混用的可能。不管這些子程序在什么位置，它們都能被找到，除非將ADAPT命令的KYMAC選項設(shè)為1。

6.  自適應(yīng)網(wǎng)格劃分實例

問題描述：

求解如下圖結(jié)構(gòu)，在承受熱載荷時E點的溫度。幾何尺寸和材料特性等參數(shù)見下圖所示。

 

1）定義文件名字

GUI：File>ChangeJobname>zishiying

2）定義單元類型

GUI：Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

選擇PLANE55單元。

3）定義材料參數(shù)

定義材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)：

GUI：MainMenu>Preprocessor>Material Props>MaterialModels>Thermal>Conductivity>Isotropic，輸入52.0。

4）定義關(guān)鍵點

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS

第一個關(guān)鍵點, X=0, Y=0, 單擊Apply ； 第二個關(guān)鍵點, X=0.6,Y=0, 單擊Apply；

第三個關(guān)鍵點, X=0.6, Y=1.0, 單擊Apply；第四個關(guān)鍵點, X=0, Y=1.0, 單擊Apply；

第五個關(guān)鍵點, X=0.6, Y=0.2, 單擊OK。

5）生成模型的簡圖

GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>Through KPs

按順序選擇1，2，5，3，4來生成模型。

6）定義載荷

GUI：Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Temperature>On Keypoints，選擇1和2號關(guān)鍵點輸入100。

7）定義邊界條件

GUI：Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Convection>On Lines，選擇L2，L3和L4輸入圖2中的數(shù)據(jù)。

圖2 定義對流換熱邊界條件

8）求解

選擇自適應(yīng)求解：

GUI：Main Menu>Solution>Solve>Adaptive Mesh，輸入圖3的數(shù)據(jù)，單擊OK。

圖3 自適應(yīng)求解的控制框

9）查看溫度云圖

GUI：MainMenu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu>DOF Solution>NodalTemperature。圖4到圖9給出了不同網(wǎng)格密度的模型溫度云圖。

10）在命令流輸入窗口中輸入E=NODE（0，0.2，0），來提取E處的節(jié)點號。

11）查看E處的節(jié)點號

GUI：Utility Menu>Parameters>Scalar>Parameters

12）查看E處的溫度值

GUI：Main Menu>General Postproc>ListResults>Nodal Solution，在列表中查看E處的節(jié)點溫度，表9-1給出了三種劃分網(wǎng)格密度的E處的溫度值。

 

表3 不同網(wǎng)格密度E點處溫度

網(wǎng)格重劃次數(shù)	1	2	3
E點處的溫度值	76.281	75.185	75.106

 

命令流：

/PREP7  ！進入前處理器、

/TITLE,HEAT TRANSFER  ！定義標題

ANTYPE,STATIC        ！定義求解類型為靜態(tài)               、

ET,1,PLANE55           ！定義單元

MP,KXX,1,52.0            !定義材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)

！定義模型的關(guān)鍵點

K,1                         

K,2,.6                                                                         

K,3,.6,1.0                                                                     

K,4,,1.0

K,5,.6,.2

！通過關(guān)鍵點生成線模型

L,1,2

L,2,5

L,5,3

L,3,4

L,4,1

!通過線生成面

AL,ALL

DK,1,TEMP,100,,1！定義線1溫度為100度

DK,2,TEMP,100,,1！定義線2溫度為100度

SFL,2,CONV,750.0,,20.0！定義線2的對流系數(shù)為50，外界空氣溫度為20

SFL,3,CONV,750.0,,20.0！定義線3的對流系數(shù)為50，外界空氣溫度為20

SFL,4,CONV,750.0,,20.0！定義線4的對流系數(shù)為50，外界空氣溫度為20

FINISH

ADAPT,5,,1,0.25,2  ！誤差為5%，循環(huán)5次，網(wǎng)格大小比例在0.2到1之間LOOPS

/POST1

PLNSOL,TEMP     ！繪出模型的溫度云圖 

*SET,E,NODE(0,0.2,0)!提取E處的節(jié)點號

PRNSOL,TEMP      !列表查看所有節(jié)點的溫度值

注：新版軟件遇到上述部分命令無法識別時請自行做相應(yīng)修改。

本文出自張應(yīng)遷老師著作《ANSYS有限元分析從入門到精通》，歡迎購買閱讀