網格計算
關注創建者：上海安世亞太 創建時間：2021-04-06
網格計算的視頻教程
使用hypermesh劃分斜齒圓柱齒輪六面體網格及abaqus計算與kisssoft計算對比
使用hypermesh劃分斜齒圓柱齒輪六面體網格，為兼顧計算精度與計算速度，采用嚙合部分齒輪細化其余部分粗化，整體網格量在100萬左右。 使用abaqus有限元計算結果與kisssoft理論計算結果進行對比，分別對比了兩者的齒面接觸應力結果與齒根彎曲應力結果，兩者計算結果相近。
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abaqus中六面體網格與四面體網格對螺旋錐齒輪強度計算的對比
采用hypermesh與abaqus聯合仿真，計算螺旋錐齒輪的強度問題，重點討論螺旋錐齒輪的六面體網格與四面體網格的劃分，以及六面體與四面體網格對齒輪嚙合計算強度的對比分析，有限元結果與kisssoft計算值對比分析，具有較高的指導價值。
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網格計算的實例教程
數值計算的第一步是生成合適的計算網格，即將連續的計算域離散為網格單元，如二維時的三角形、四邊形、多邊形；三維情況下的四面體、三棱柱、六面體、金字塔、多面體等。網格生成技術在 CFD 中扮演著極為重要的角色。
利用數值計算方法得到的離散解是否比較滿意地逼近原偏微分方程組定解問的解，不僅取決于對原偏微分方程組所采用的離散化方法（即內點計算格式）及邊界條件的離散化方法（即邊界點計算格式），而且取決于離散點的分布情況。
另一方面，許多流體力學實際問題的邊界幾何形狀是非常復雜的，如戰斗機、運輸機全機構型。要得到高精度的數值解，邊界條件處理本身應保證適當的計算精度。而在邊界處理中，往往有些物理量是通過插值方法求得的。插值的精度直接影響邊界條件處理的精度，為此一般要求邊界附近的網格線盡可能與邊界正交，而且在物面邊界附近還需保證一定的網格節點密度，過稀的網格將導致計算精度的降低。
由此可知，對于數值求解偏微分方程（PDE）的定解問題而言，網格分布是十分重要的。在達到相同解的精度的前提下，合理的網格分布往往可以大大減少網格點的數目，從而大大節省所需要的計算機內存和計算時間。計算經驗表明，在某些問題中，不合適的網格分布有可能導致計算過程的不穩定或不收斂。
CFD對計算網格的基本要求
網格質量是網格生成技術重點關注的研究領域。
展開 計算網格的合理設計和高質量生成是 CFD 計算的前提條件，而且網格生成仍然是最占人力時間的一部分。一套劃分良好的網格是CFD解決問題的關鍵。劃分網格，用學術的語言就是將空間中，特定外形的計算區域,按照拓撲結構劃分成需要的子區域，并確定每個區域中的節點。生成網格的本質在數學上就是用有限個離散的點來代替原來的連續空間，之后將控制偏微分方程組轉化為各個節點上的代數方程組。
1）網格劃分的幾何要素
網格劃分結束后，可以得到大約6種幾何要素，如圖所示。
Cell：單元體，由表征流體和固體區域的網格所確定的離散化的控制體計算域。
Face：面，Cell 的邊界。
Edge：邊，Face 的邊界。
Node：節點，Edge 的交匯處/網格點。
Block：塊，由一定數量 Cell 組成的特定區域。
Zone:區域，可以是一組節點、面和單元體。
邊界條件存儲在Face中，材料數據和源項等存儲在Zone 的Cell 中。不同的網格劃分軟件，對幾何要素的控制力是不同的。另外，不同的格式對于幾何要素的把控也是不同的，有些軟件沒有 Block 這個概念，有些則不能處理多區域的網格。
2）網格形狀及拓撲結構
網格形狀種類眾多，每個軟件支持的網格形狀類型也不完全一樣，其中主要常用的有6種：三角形網格、四邊形網格、四面體網格、六面體網格、棱柱網格和金字塔網格。其中四邊形和六面體網格質量較高，計算精度較高，速度也快，三角形網格和四面體網格優點在于生成迅速，能更好地逼近實體模型的壁面，棱柱網格和金字塔網格更多的時候作為一種輔助性質的網格，實現四面體網格和六面體網格之間的連接。
展開 目前對懸置元件的CAE仿真分析主要包括了靜態剛度計算,非線性剛度計算以及疲勞性能預測等內容。
對零件的特性進行仿真涉及諸多方面,網格劃分、本構模型的選擇、材料模型參數的獲得、計算方法的選擇等。本文將在其他參數都保持不變的情況下探討一下網格類型對計算結果的影響。本文所研究的懸置減振元件的UG模型見圖1。
圖1 分析所用懸置彈性元件UG模型
1、本構模型
橡膠材料具有幾何和材料雙重非線性，通常情況下體積是不可壓縮的并且橡膠材料的變形是一個非常復雜的過程，伴隨著大位移、大應變，且其力學行為對溫度、環境、應變歷史、加載速率十分敏感，這樣就使得描述橡膠的行為非常復雜，所以橡膠材料需定義橡膠的非線性本構模型。
描述橡膠的本構模型種類相當多，常用的多項式模型有Mooney-Rivlin模型，Neo-Hookean模型，Ogden模型以及Yeoh模型等。
本研究統一使用Mooney-Rivlin模型, 邵氏硬度50度的橡膠材料參數為C10=0.2969，C01=0.0584。
2、兩種網格類型的優缺點
2.1四面體網格
優點：對復雜的幾何模型適應性好，多用于自由網格劃分，可以快速生成網格；
缺點：同樣網格尺寸條件下，分析結果精度相對六面體要差一些，獲得同等精度需要采用高階單元，從而會導致更大的計算量；
圖2 劃分完成的四面體網格模型
2.2六面體網格
優點：六面體網格單元的計算精度明顯要高于四面體單元。其次，在實體離散過程中，采用相同大小的單元尺寸的情況下，六面體網格劃分的單元數量要比四面體網格劃分的單元數量少很多。較少的單元數量意味著有限元計算所需時間較少。
展開 工況：
500g球形裝藥TNT炸藥在空氣中爆炸：（autodyn材料庫為TNT2材料），使用1D的楔形網格進行計算。其在1m出的沖擊波如下圖所示：
Figure 1計算模型
Figure 2 1D模型計算1m處不同網格尺寸大小對應的沖擊波壓力峰值
可以看出對于1維空氣中爆炸網格來說，網格尺寸為1mm時候能夠滿足基本的計算需求，網格大小為5mm及以上，其計算的結果較0.5mm網格有15%誤差，其網格為1mm的計算結果較0.5mm網格誤差為3%左右。不同的網格其到達壓力峰值的時間也略有區別，網格尺寸較小的話，計算較早到達壓力峰值。
2D網格中的計算：
通過采用歐拉域進行填充后的計算如下列圖所示，一次為5mm、2mm、1mm、0.5mm。隨著網格尺寸的減小其邊界擬合的越來越精確。
2D中的計算的不同網格尺寸爆炸后形成的圖：
Figure 3 2D模型計算1m處不同網格尺寸大小對應的沖擊波壓力峰值
2D的計算結果基本同1D一樣，采用1mm的網格可以滿足計算精度的要求。
計算結果正不正確，其實可以通過美學也是可以一窺究竟，如下圖是我覺得最美的。其結果也是比較好的。美的不一定是對的，但是不美的一定不對。
來源：賓果仿真
展開 NoGrid Points軟件是基于有限點方法（FPM，Finite Pointset Method）的新一代無網格計算流體力學軟件，代表了流體數值仿真的最新發展方向。
NoGrid軟件由核心求解器Solver FPM、圖形用戶界面points、CAD接口CAD Compass以及第三方軟件接口等模塊組成。除了可以通過Compass直接建立流體計算域的幾何模型外，還包含了與各種主流CAD軟件的導入接口。
NoGrid軟件的不僅提供優秀的圖形用戶界面，用戶還可以基于ASCII文本方式編輯計算模型，所有的操作均提供了對應的關鍵字，用戶可以通過自定義程序完全控制軟件的運行，并易于實現與其他軟件之間的集成。
FPM與傳統的數值方法（如有限元法、有限體積法、有限差分法等）最大的區別是無需進行微分方程離散所必需的網格劃分。FPM的點集（也叫點云）依據指定條件自動產生、移動、重新填充或是銷毀，點集的分布可以是任意的，如在整個求解域上均布，或是隨時間/幾何位置等而變化。
突破傳統CFD瓶頸
傳統有限元/有限體積法隨著應用范圍的擴展，其固有的一些缺陷也日益突出：在材料成形、高速碰撞、流固耦合等涉及特大變形的領域中，基于拉格朗日法的有限元網格可能產生嚴重的扭曲，甚至使得單元的雅可比行列式為負值，不僅在計算中需要網格重構，而且嚴重影響解的精度；對高速沖擊等動態問題，顯式時間積分的步長取決于有限元網格的最小尺寸，因而網格的扭曲將使得時間積分步長過小，大幅度增加了計算工作量。由于有限元近似基于網格，因此必然難于處理與原始網格線不一致的不連續性和大變形。網格重構不僅計算費用昂貴，而且損害計算精度。
FPM無網格方法采用基于點的近似，可以徹底或部分地消除網格，不需要網格的初始劃分和重構，不僅可以保證計算的精度，而且可以大大減小計算的難度。
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網格計算的最新內容
- 設計結構化計算網格，并利用特征火災直徑計算合適的單元尺寸。
- 定義材料、反應、組分和表面，以準確模擬火災增長和煙氣行為。
- 布置和配置測量裝置，用于測量溫度、能見度、煙氣層高度、熱釋放速率和流量。
**課程要求**
- 具備傳熱學和流體力學等工程基礎的基本理解會有幫助，但非強制要求。
0度攻角結果
5度攻角結果
系統
到目前為止，在流體方向我們已經開發了：
（1） 翼型造型算法和軟件：《葉片/翼型參數化造型技術》
（2） 網格生成算法：
（3）結冰算法和軟件：
（4）不可壓流動求解器
可以說，上述算法模塊已經形成了一個小型的“生態系統”，如果我們再加上翼面升力和阻力計算，基本就可以實現：幾何造形設計、網格生成、CFD計算、冰形計算
計算流程：
生成至少三套幾何級數細化的網格（粗/中/細，細化比 r 通常取 2）
在完全相同邊界條件下分別求解
計算網格收斂率 p：
計算細網格 GCI：
判定標準： GCI < 5% 為優秀，5%-10% 可接受，>10% 需繼續加密網格。
計算特點： 同一模型需求解 3-5 遍，細網格自由度可能是粗網格的 8-64 倍，計算量呈指數級放大。
3.
所謂網格無關性驗證，是指通過對比不同疏密的網格計算出的結果，證明當網格細到一定程度后，計算結果不再發生顯著變化。只有通過了這一驗證，仿真才具有說服力，證明結果反映的是物理規律而非數值誤差。
驗證過程無聊枯燥且耗時
首先畫一套較粗的網格，做計算。
在流場變化劇烈的區域局部加密，生成第二套網格，再計算。
對比關鍵指標（如升力、阻力、壓降）。
根據計算節點和核心數量合理分配任務，避免資源浪費，并通過調整網格劃分，確保計算負載在所有節點間平衡分配，減少計算瓶頸。
配置更多算力核心后，計算效率下降原因分析如下：
1. 負載不均衡
當并行規模過大時，各個計算節點之間的負載分配可能變得不均衡，部分節點計算任務過重，而其他節點則處于空閑狀態，導致整體計算效率下降。
2.
由此可見，對稱建模顯著降低了網格規模與計算成本。
</p><p><strong>PART/1</strong></p><p><strong><em>范式轉移：從“本地單機”到“云端協同”</em></strong></p><p>傳統飛機研發的設計仿真流程，是一個線性且高度依賴本地算力的過程：</p><p>設計師用CATIA繪制三維模型，另存為STEP格式，發給仿真工程師；仿真工程師導入Abaqus或Fluent，劃分網格、求解計算，生成GB級的結果文件
該方法以絕對速度v作為求解變量，但在計算跨越網格面的對流質量通量時依然使用相對速度v。
Ansys FreeFlow?軟件通過強大的無網格計算流體力學（CFD）方法實現了功能擴展。該方法無需傳統網格劃分，即可對復雜自由表面流動、噴霧行為以及動態液體相互作用等問題實現快速且穩健的仿真計算。
STK中的一項新功能Antenna Wizard，提供早期試用，可通過快速、自動化設置簡化天線建模。
程序將顯示區域的尺寸和相應的計算網格。然后，定義表面的顏色和工作平面的高度。
3. 高桿的位置和面板高度，用于放置燈具。然后，可以定義燈具的類型和數量，以及它們之間的間距，使程序可以將它們規律地放置在面板上。
創建高桿和比賽區域時（包括比賽線和設備，如足球、橄欖球、手球等的球門，以及籃球計分牌...），用戶可以：
1. 更換一個或多個燈具。
2.
