ABAQUS網格控制屬性詳解（三種網格劃分技術）

理解ABAQUS中重要的網格劃分工具原理，尤其是理解ABAQUS里面的網格控制屬性設置，這對于復雜網格劃分尤其有用。

如圖1，是ABAQUS中網格控制屬性中的網格劃分“技術”選項，它ABAQUS是決定采用何種策略劃分網格的選項。

圖1 ABAQUS網格控制屬性對話框

這幾個選項看著挺簡單，卻很重要。然而，關于這里的ABAQUS網格劃分“技術”的解讀，恰恰是很多教程缺失的內容。理解這背后的技術原理直接影響著我們對復雜實體網格劃分的切分策略！

ABAQUS重要而常用的三種“自頂向下”的網格劃分技術是：自由網格技術、結構網格技術、掃掠網格技術。

（1）自由網格技術，對于二維面幾何來說，任何形狀的面都能選擇四邊形、四邊形為主和三角形；對于三維實體幾何，只能生成四面體網格。這很簡單，如圖2所示。

圖2 ABAQUS自由網格劃分技術

（2）在ABAQUS的網格劃分技術中，掃掠網格技術扮演著十分重要的角色。首先是來自官方《ABAQUS文檔》中的定義（翻譯）：掃掠網格先創建源網格，然后沿著掃掠路徑的邊，一次次地拷貝源網格節點，直到到達目標區域；后邊還補充說明，如果掃掠路徑的邊是直線或樣條線，稱為拉伸掃掠，如果掃掠路徑是圓（弧）線稱為旋轉掃掠。這個定義顯得有些籠統。然而我們在實際使用中已經知道，這里的所謂“拷貝”是廣義的，這里的所謂“沿著一條路徑”也是廣義的。

《ABAQUS文檔》中分為二維和三維的場景，討論了哪些形狀可以掃掠，哪些形狀不可以，這些內容才是對我們劃分網格有指導意義的。

注意一個重要的要求是：對三維實體，目標面必須是單一的面。這里我們引用ABAQUS官方文檔的圖例簡單解釋，如圖3，圖左邊可以，而右邊不行。

圖3 ABAQUS掃掠網格的源面和目標面

然而上述這個事實卻不是針對曲面網格的，針對曲面網格必須是四邊形才能做掃掠網格（并且不管四邊形的邊是直邊還是曲邊）；而曲面網格對劃分結構網格的幾何要求反而放得更松一些，實際上，只要沒有孔，幾乎所有的連續面都可以是結構網格，有孔也沒關系，做一下切分就可以。這一事實似乎有些反常規認識。但是，由于二維網格的簡單性，這些概念上的困擾幾乎沒有影響到我們的工作。ABAQUS文檔中把這個事情描述得稍微復雜，我們這里放上幾個例圖看，不作過多解釋。

圖4 三角形和五邊形可以劃分結構網格，但不能劃分掃掠網格

圖5 這樣的任意多邊形可以劃分結構網格，但不能劃分掃掠網格

圖6 曲邊的四邊形能劃分掃掠網格，也能劃分結構網格

我們繼續來討論三維情況的掃掠。關于掃掠網格的連接源面和目標面的側面，要求：它們或者是單一的表面；或者表面由四邊形面組成，并且這些四邊形是呈行列布置的。引用文檔中的例子如圖7和圖8，圖7是允許的情況，圖8是不允許的情況（圖8的右圖的四邊形不是行列布置）。

圖7 允許掃掠網格

圖8 不能生成掃掠網格

在早期版本的文檔中提到，旋轉軸上是一個尖點的旋轉體不能生成掃掠網格，如圖9所示。目前這個規則仍然有效。容易理解，在尖點位置是個五面體金字塔形狀，而ABAQUS里沒有金字塔單元。這種情況只能切一部分出來做四面體單元；或者把金字塔分成兩個四面體幾何形狀（后面我們即將要討論結構網格技術時也將談到：ABAQUS中，一個四面體幾何形狀可以劃分結構化的全六面體三維網格！）。

圖9 尖點不可做掃掠網格

類似地，實心的旋轉體（如實心軸）可以作旋轉掃掠，但中心是楔形單元。如圖10所示。當然楔形單元沒問題，也可以通過切分修改掃掠方向為軸向，此時的階梯軸必須從階梯位置斷開，這樣可以在軸的圓截面上劃分自由四邊形網格或者在圓截面上畫分割線（比如蝶形網格樣式的線）來改善單元形狀。

圖10 實心旋轉體掃掠網格

還有就是，文檔中提到，類似于圖11這種復雜的圖形也是可以生成掃掠網格的。理由是：源面雖然是兩個，但目標面只有一個，而且各個連接面都是單一的表面。

圖11看起來復雜卻可以生成掃掠網格的例子

另外，利用虛擬拓撲工具合并目標面，使得滿足掃掠網格劃分的要求。這種利用虛擬拓撲合并面或者忽略邊來滿足掃掠網格劃分要求的手法是我們經常需要用到的技術。

關于掃掠網格，有一個經典的例子：它是關于多個源面的夾角問題。ABAQUS要求（多個）源面之間的夾角是“接近”180°的。如圖12所示，左邊是可以生成掃掠網格的，而右邊是不可以的。像這種形狀類似的幾何體，網格劃分卻存在巨大區別。它們與尺寸相關，尤其是角度尺寸相關。這樣的例子在實際項目中經常會遇到。

圖12 與角度相關的源面

但是，如圖13右圖所示，可以通過虛擬拓撲連接面來實現掃掠網格。通過虛擬拓撲操作，把三個面合并，當作一個面，自然就忽略了角度問題，但劃分出的網格在原來連接邊線上往往比較難看。

圖13 通過虛擬拓撲實現掃掠網格劃分

對于欲劃分六面體網格的工作來說，我們打交道最多的就是掃掠網格，其次才是結構網格。從概念上來說，三維情況的結構網格相對清楚簡單一些，但也有些反常識的特例！這些特例對某些特殊情況特別重要！

（3）ABAQUS的三維實體的結構化網格在網格劃分中同樣扮演著十分重要的角色。由于結構網格的重要特性，它們在一些關鍵連接位置有著重要作用。

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