ANSYS 13.0 Workbench 网格划分及操作案例

第 3 章 ANSYS 13.0 Workbench 网格划分及操作案例 网格是计算机辅助工程（CAE）模拟过程中不可分割的一部分。网格直接影响到求解精 度、求解收敛性和求解速度。此外，建立网格模型所花费的时间往往是取得 CAE 解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 所 耗费时间中的一个重要部分。因此，一个越好的自动化网格工具，越能得到好的解决方案。 3.1 ANSYS 13.0 Workbench 网格划分概述  ANSYS 13.0 提供了强大的自动化能力，通过实用智能的默认设置简化一个新几何体的网 格初始化，从而使得网格在第一次使用时就能生成。此外，变化参数可以得到即时更新的网 格。ANSYS 13.0 的网格技术提供了生成网格的灵活性，可以把正确的网格用于正确的地方， 并确保在物理模型上进行精确有效的数值模拟。 网格的节点和 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 参与有限元求解，ANSYS 13.0在求解开始时会自动生成默认的网格。 可以通过预览网格，检查有限元模型是否满足要求，细化网格可以使结果更精确，但是会增 加 CPU 计算时间和需要更大的存储空间，因此需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。在 理想情况下，我们所需要的网格密度是结果随着网格细化而收敛，但要注意：细化网格不能 弥补不准确的假设和错误的输入条件。  ANSYS 13.0 的网格技术通过 ANSYS Workbench的【Mesh】组件实现。作为下一代网格 划分平台， ANSYS 13.0 的网格技术集成 ANSYS 强大的前处理功能， 集成 ICEM CFD、 TGRID、  CFX­MESH、GAMBIT网格划分功能，并 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 在 ANSYS 15.0 中完全整合。【Mesh】中可以根 据不同的物理场和求解器生成网格，物理场有流场、结构场和电磁场，流场求解可采用 【Fluent】、【CFX】、【POLYFLOW】，结构场求解可以采用显式动力算法和隐式算法。不同的 物理场对网格的要求不一样，通常流场的网格比结构场要细密得多，因此选择不同的物理场， 也会有不同的网格划分。【Mesh】组件在项目流程图中直接与其他 Workbench 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 系统集成。 3.2 ANSYS 13.0 Workbench 网格划分  ANSYS 网格划分不能单独启动，只能在  Workbench 中调用分析系统或【Mesh】组件启 动，如图 3­1 所示。 图 3­1  调入分析系统及网格划分组件 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  92  选择几何模型后，进入网格划分环境，工作界面如图 3­2 所示。 图 3­2  网格划分工作界面 图 3­2 中，顶端标题栏显示当前分析系统；左侧导航树默认包括几何【Geometry】、坐标 系统【Coordinate  Systems】、连接关系【Connections】及网格划分【Mesh】，插入的网格划分 操作会按照顺序显示在【Mesh】下面。【Mesh】的明细窗口位于导航树下方，显示默认的物理 场及整体网格划分控制；选择【Mesh】时，导航树上方会出现相应的网格划分工具栏；图形 区的网格显示为相关物理场的默认网格划分结果；右侧为网格划分选项设置【Meshing  Options】。  3.2.1  网格划分过程  ANSYS 13.0 Workbench中网格划分过程如下： （1）设置物理场和网格划分方法，物理场包括结构场、流场和电磁场。 （2）定义整体网格设置，包括定义单元大小、膨胀层及收缩设置等。 （3）插入局部网格设置，包括定义单元大小、细化网格及收缩控制等。 （4）预览或生成网格，包括预览表面网格、预览膨胀层网格。 （5） 检查网格质量， 包括用不同的网格质量度量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 来评定网格及显示网格质量的图表。  3.2.2  设置物理场及网格划分方法  1．网格划分选项 启动网格划分时，窗口右侧出现网格划分选项面板【Meshing  Options】，参见图  3­2，该 面板包含下列设置： （1）物理场【Physics Preference】：选择分析的物理场，每个物理场默认的网格划分参数 不同。 （2）网格划分方法【Mesh Method】，指定可用于任何物理场的网格划分方法。 （3）设置物理场和创建网格的方法【Set Physics and Create Method】：在【Mesh】的明细 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  93  窗口中选择物理场，对所有选择的实体插入网格控制方法并指定网格划分方法。 （4）设置网格划分默认值【Set Meshing Defaults】，选项对话框中更新物理场。 （5）提供是否在启动时显示网格划分选项面板。  2．3D 几何模型的网格划分方法 程序提供 6种 3D 几何模型的网格划分方法，工具栏中选择【Mesh Control】→【Method】， 对选中的实体可施加 6 种网格划分方法，如图 3­3 所示。 图 3­3    3D实体网格划分方法 （1）自动划分网格【Automatic】：程序基于几何的复杂性，自动检测实体，对可以扫掠 的实体采用扫掠方法划分六面体网格，对不能扫掠划分的实体采用协调分片算法划分四面体 网格。 （2） 四面体网格 【Tetrahedrons】： 生成四面体单元， 采用基于 TGrid的协调分片算法 【Patch  Conforming】和基于 ICEM CFD 的独立分片算法【Patch Independent】。 协调分片算法【Patch Conforming】采用自下而上的方法：网格划分先从边面划分，再到 体，考虑所有的面及其边界，该算法适用于质量好的 CAD 几何模型。 独立分片算法【Patch Independent】采用自上而下的方法：先生成体网格，再映射到面和 边生成面网格。除非指定了命名选择、加载、边界条件和其他作用，否则不必考虑指定公差 范围内的面及其边界，该算法适用于需要清除小特征的质量差的几何模型。  ANSYS 13.0 中，两种四面体算法都可用于零件、体及多体零件，也可用于膨胀层网格。 协调分片算法的分片面及边界考虑零件实体间的相互影响采用小公差，常用于考虑几何体的 小特征，可以用虚拟拓扑工具把一些面或边组成组，构成虚拟单元，从而减少单元数目，简 化小特征，简化载荷提取，因此如果采用虚拟拓扑工具可以放宽分片限制。 独立分片算法的分片不是太严格，通常用于统一尺寸的网格。结构分析适用于协调分片 算法划分，电磁分析和流体分析适合协调分片算法划分或独立分片算法划分，显式动力分析 适用于独立分片算法划分或有虚拟拓扑的协调分片算法划分。 在【Mesh】上右击鼠标，选择【Insert】→【Method】，选择要应用的实体，设置【Method】  =Tetrahedrons，【Algorithm】=Patch  Conforming，如图 3­4 所示。不同的零件和体可用不同方 法，注意图中考虑几何模型的倒圆面和边的网格划分结果。 在【Mesh】上右击鼠标，选择【Insert】→【Method】，选择要应用的实体，设置【Method】  =Tetrahedrons，【Algorithm】=Patch Independent，【Min Size Limit】=2mm，如图 3­5 所示。注 意图中不考虑几何模型的倒圆面和边，划分一致网格。 明细窗口中有清除网格特征的附加设置【Mesh Based Defeaturing】，基于曲率和相邻的细 化设置【Curvature and Proximity Refinement】，可以对不同体设置不同的曲率和相邻。ANSYS ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  94  13.0 中增加了平滑过渡选项【Smooth  Transition】，可以控制增长率和局部特征角，可以写出  ICEM CFD 文件【Write  ICEM CFD Files】。该方法考虑指定命名选择的面和边。如果【Mesh  Based Defeaturing】=ON，【Defeaturing Tolerance】中输入清除特征容差，则清除容差范围内的 小特征，如图 3­5所示。 图 3­4  设置协调分片四面体网格划分方法 图 3­5  设置独立分片四面体网格划分方法 具有膨胀层的四面体网格划分可以称为棱柱层，常用于解决 CFD 分析中的高梯度流量变 化和近壁面复杂的物理特性；解决电磁分析的薄层气隙，解决结构分析的高应力集中区。膨 胀层可以源自三角形和四边形面网格生成，可按照协调分片和独立分片四面体这两种网格划 分方法增长，可使用整体网格设置和局部网格设置膨胀层，如图 3­6 所示。 图 3­6  膨胀层网格 （3）六面体网格：六面体网格可以减少单元数量，加快求解收敛；单元和流体流动方向 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  95  对齐，可提高分析精度，减少数值错误。可采用的方法有【Hex  Dominant】、【Sweep】及 【MultiZone】，对质量好的几何模型应首选六面体网格划分，各种六面体网格划分方法可协同 工作。 1）六面体域网格 【Hex Dominant】：生成非结构化的六面体域网格，主要采用六面体单元， 但是包含少量棱锥单元和四面体单元，用于那些不能扫掠的体，常用于结构分析。也用于不 需要膨胀层及偏斜率和正交质量在可接受范围内的 CFD 网格划分。 使用方法为：导航树中选择【Mesh】，右击鼠标，选择【Insert】→【Method】，图形区选 择要划分的实体确认，明细窗口中设置【Method】=Hex Dominant，如图 3­7 所示。 图 3­7  六面体域网格  2）扫掠网格【Sweep】：对可以扫掠的实体在指定方向扫掠面网格，生成六面体单元或棱 柱单元，扫掠划分要求实体在某一方向上具有相同的拓扑结构，实体只允许一个目标面和一 个源面，但薄壁模型可以有多个源面和目标面。 在【Mesh】分支上单击右键，选择【Show  Sweepable  Bodies】可以看到能够扫掠的体， 此时该体被选中，如图 3­8所示。 图 3­8  显示可扫掠实体 在【Mesh】上单击右键，选择【Insert】→【Method】，图形区中确认要扫掠的实体，明细窗 口中设置【Method】=Sweep，如果对薄壁模型，补充设置薄层扫掠【Src/Trg Selection】=Automatic  Thin，沿厚度的单元层数【Sweep Num Divs】=2，可以得到薄层扫掠网格，参见图 3­9所示。 图 3­9  薄层扫掠网格 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  96  3）多重区域网格【MultiZone】：基于 ANSYS ICEM CFD 六面体分块方法，自动对几何 体进行分解成映射区域和自由区域，可以自动判断区域并对映射区生成结构化网格，即生成 六面体/棱柱单元，对自由区域采用非结构化网格，即自由区域的网格类型【Free Mesh Type】 可由四面体【Tetra】、六面体域【Hexa Dominant】或六面体核心【Hexa Core】来划分网格。 可以具有多个源面和目标面。多重区域网格划分和扫掠网格划分相似，但更适合于用扫掠方 法不能分解的几何体。 在【Mesh】分支上单击右键，选择【Insert】→【Method】，图形区中确认要划分的实体， 明细窗口中设置【Method】=MultiZone，选择自由区域的网格类型【Free  Mesh  Type】=Not  Allowed/Tetra/Hexa  Dominant/Hexa  Core，设置源面/目标面的选择方式【Src/Trg  Selection】  =Automatic/ManualSource，如果【Src/Trg  Selection】=ManualSource，则需手工选择源面，在 【Source】中确认，参见图 3­10。 图 3­10  多重区域网格 （4）CutCell 网格【Cartesian】：这是 ANSYS 13.0 的新功能，生成笛卡尔 CutCell 网格。 这是为  ANSYS  FLUENT 设计的笛卡尔网格划分方法，采用自动修边的独立分片网格划分方 法，用于对单体零件或多体零件的流体进行网格划分，不能划分装配体，也不能与其他网格 方法混合使用，可以生成比四面体网格更好的网格，支持边界层，但不支持零厚度壁面。  1）【CutCell】网格划分的主要控制方法。 在【Mesh】的明细窗口中【CutCell Meshing】下面设置【Active】=Yes。【CutCell】网格 划分的主要控制如下，参见图 3­11。 ①物理场设置【Physics Preference】=CFD，求解器设置【Solver Peference】=Fluent。 ②使用高级尺寸函数【Use Advanced Size Function】=On，为更好捕捉特征及减少非流形 的节点，应尽量分辨所有边，因此推荐使用边－边之间的相邻区域作为相邻尺寸函数的计算 源，即设置【Proximity Size Function Sources】=Edges。 ③使用 3D膨胀层。 ④【CutCellMeshing】控制中，设置特征捕捉【Feature Capture】，程序默认捕捉角为 40°， 可以设定更小的角度来捕捉更多的特征，如捕捉角度设为 0 则捕捉所有 CAD 特征。设置棋盘 形镶嵌的错位技术细分网格 【Tessellation Refinement】， 可由程序控制或指定绝对容差 【Absolute  Tolerance】进行网格细分。 ⑤统计【Statistics】中采用适合【CutCellMeshing】的正交质量准则检查网格质量。 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  97  图 3­11    CutCell网格  2）【CutCell】网格划分的工作流程如下： ①设置整体【CutCell】网格划分和尺寸控制，包括：设置前提条件（CFD & fluent 环境）， 激活【CutCell】网格划分方法，设置【CutCell】网格划分选项（特征捕捉和棋盘细化），设置 尺寸选项，设置整体膨胀层控制。 ②应用局部尺寸。 ③生成【CutCell】网格。 ④如果需要设置膨胀层，则应用局部膨胀层控制，生成膨胀层网格。 ⑤导出网格到 Fluent，网格以多面体的格式导出。 激活【CutCell】网格划分时，一些控制和特征不再有效；膨胀层是【CutCell】 网格划分的后处理，可以增加/删除/修改/抑制局部膨胀层设置，然后网格划 分会从指定位置以初始网格开始膨胀。  3）【CutCell】网格划分的限制如下： ①不能与其他网格划分方法混合使用。 ②可以对单体零件或多体零件划分网格，装配件的网格划分仅提供测试选项。 ③特征复原限制：尖锐的后缘和边将会产生齿锯网格，复原某些特征可能会导致质量差 的网格。 ④网格划分之前必须在 CAD 建模中妥善解决几何特征问题，避免不必要的几何细节，最 小尺寸应是最小 3D目标特征的 1/2，它需要经常调整。 ⑤既不支持影响体，也不支持影响面。 ⑥膨胀层不支持在挡板或内壁上。 ⑦网格划分时忽略对称条件。  3．2D 分析模型及壳单元的网格划分方法 在 ANSYS 产品中，FLUENT 及 Mechanical 都支持 2D 单元或壳单元进行 2D 和 3D 面体 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  98  分析，FLUENT的 2D 轴对称分析中，在 XY 平面内生成网格，Y 大于等于零，确保关于 X 轴 对称。CFX 的 2D分析中，创建体网格，沿对称方向上只有一层单元，如 2D 平面分析采用薄 块，2D 轴对称分析采用小于 5°的薄楔片。 面网格划分方法有 4种： （1） 【Automatic】：自动采用四边形为主导的网格划分。 （2） 【Triangles】：采用三角形单元进行网格划分。 （3） 【Uniform Quad/Tri】：采用一致四边形或三角形单元进行网格划分。 （4） 【Uniform Quad】：采用一致四边形单元进行网格划分。  ANSYS 13.0 可以在选定的边或命名选择上应用膨胀层，如图 3­12 所示。 图 3­12  面体膨胀层网格 网格连接【Mesh Connections】：对薄片模型，连接可以定义为【Mesh Connections】，网格 连接可以用于扩展网格等级，可以在网格上指定容差值封闭间隙， “网格连接”在划分网格中 创建。如图 3­13 所示，加入网格连接，选择相邻的 2 条边，移动滑鼠设置容差为­100，则生 成网格时忽略了几何缝隙。工具栏选择按连接显示边【Edge Coloring】，则通过连接面的数量 来显示边的颜色。 图 3­13  网格连接  3.2.3  整体网格控制 整体网格控制用于整体调整网格划分策略，包括尺寸函数、膨胀层、平滑、清除特征、 参数输入、激活【CutCell】网格划分等。 整体网格控制对于分辨极小尺寸输入模型的重要特征非常有用，可以根据最小几何体自 动计算整体单元大小，根据不同的物理场自动设置默认参数，如过渡比、过渡平滑等，可以 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  99  进行整体调整以满足网格细化的要求，高级尺寸函数用于分辨具有表面弯曲和表面相邻的区 域。但某些选项对【CutCell】无效。 导航树中选择【Mesh】，在明细窗口中可对网格划分进行整体控制，控制方法如表 3­1所示。 表 3­1  网格划分整体控制属性设置 网格划分整体控制 【Defaults】默认设置 选择物理场及求解器 设置网格相关度（–100至+100）由疏到密 【Sizing】控制整体单元大小 使用高级尺寸函数，默认为关闭 相关度中心，默认为稀疏 定义平均的单元边长 确定初始单元基准，默认由激活装配体确定 平滑度，默认中等平滑 网格过渡，默认快速过渡 跨度角中心，默认稀疏 程序检测到的最小边长 【Inflation】设置膨胀层 使用自动四面体膨胀层设置，默认为不使用 膨胀层选项，默认为平滑过渡 过渡比（0.272） 最大层（5） 生长率（1.2） 膨胀层算法 显示高级选项，默认不显示 【Advanced】网格高级控制 形状检查检验单元质量，默认按照标准结构 单元是否带中节点，默认由程序控制 是否使用直边单元，默认不使用 重试次数，默认为 4次 刚体行为，默认为减少空间维度 是否允许网格变形，默认为网格不变形 【Defeaturing】设置修剪小特征 网格收缩公差，需指定选项 是否网格刷新后生成收缩，默认不生成 基于清除特征自动重新划分网格 指定清除特征公差，程序默认 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  100  续表 【Statistics】网格划分结果统计 网格划分的节点数 网格划分的单元数 网格检查准则 整体网格的具体设置如下： l 需指定物理场和求解器； l 控制整体网格的单元大小：包括指定相关性和相关中心、高级尺寸函数、平滑和过 渡、跨度角中心、曲率法向角、相邻精度和单元跨度间隙； l 控制膨胀层：包括设置膨胀层选项与膨胀层算法、避免碰撞，指定最大角度、圆角 比率及平滑。 l 激活【CutCell】网格划分。 l 设置高级选项：包括单元形状检测和是否包含单元中节点。 l 设置清除特征选项：包括基于收缩和基于自动网格划分进行特征清理。 l 查看网格划分的统计结果：包括网格统计和网格质量检验。  1．设置物理场 物理场【Physics  Preference】提供  4  个选项，分别为流体分析【CFD】、结构分析 【Mechanical】、显式分析【Explicit】及电磁分析【Electromagnetics】，选中【CFD】时，可 设置求解器【Solver Preference】为【Fluent】、【CFX】及【POLYFLOW】。ANSYS 默认的网 格设置自动根据物理场和求解器进行调整， 如果激活 【CutCell】 则只能选择 【Fluent】、【CFX】 求解器，参见图 3­14。 图 3­14  设置物理场及求解器  2．控制整体单元尺寸 （1）相关性【Relevance】和相关中心【Relevance  Center】：用于整体网格的自动细化或 粗化。移动滑块可设置相关性从­100 到+100，网格由粗到密变化，相关中心设置相关性控制 的度量标准，提供精细【Fine】、中等【Medium】及粗糙【Coarse】3 个标准。网格划分示例 如图 3­15。 （2）高级尺寸函数【Advanced  Sizing  Functions】：高级尺寸函数控制重要的极度弯曲和 表面相邻区域的网格增长及分布，提供 5 个选项，参见图 3­16。  1）关闭【Off】：采用网格剖分器计算的整体单元尺寸来划分边，然后根据曲率和  2D 相 邻细化边，最后生成相关面网格和体网格。 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  101  图 3­15  相关性及相关中心的网格控制  2）曲率【Curvature】：根据曲率法向角度【Curvature Normal Angle】确定边和面的单元大 小。曲率法向角为一个单元边长跨度所允许的最大角度，可输入 0°～180°，或由程序默认， 默认值根据相关性和跨度角中心选项计算。  3）相邻【Proximity】：控制相邻区的网格分辨率，在狭缝中放入指定的单元数，横向间 隙生成更细化的表面网格。  4）相邻及曲率【Proximity and Curvature】：组合相邻及曲率网格划分功能。  5）固定尺寸【Fixed】：采用固定的单元大小划分网格，无曲率或相邻细化，根据指定的 最大面单元的尺寸生成表面网格，根据指定的最大单元尺寸生成体网格。 图 3­16  高级尺寸函数的网格控制 激活【CutCell】并设置【Proximity and Curvature】及【Proximity】，会出现【Proximity Size  Function Sources】 选项用于考虑边－边相邻区或面－面相邻区或同时考虑这两者来计算相邻尺 寸函数。 （3）最小与最大单元尺寸（见图 3­16）。  1）最小单元尺寸【Min Size】：由尺寸函数生成，某些单元大小可能小于该尺寸，这由几 何边的长度决定。 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  102  2）最大表面单元尺寸【Max Face Size】：由尺寸函数生成，但不支持【CutCell】。  3）最大单元尺寸【Max Size】：最大单元尺寸可在体网格内部生长。 （4）单元尺寸【Element Size】：关闭高级尺寸函数控制才能使用单元尺寸控制整体模型， 划分所有的边、面及体。默认值根据相关性和初始单元尺寸基准计算，可以输入指定值。 （5）初始单元尺寸基准【Initial Size Seed】：该选项控制如何分配初始的单元大小，不支 持【CutCell】，提供 3 个选项如下，参见图 3­17。  1）激活的装配体【Active Assembly】：基于未抑制零件包围框的对角线长度分配初始单元 大小，对各种抑制/非抑制零件，网格随包围框大小改变。  2） 整个装配体 【Full Assembly】： 基于所有装配体包围框的对角线长度分配初始单元大小， 无论零件抑制与否，单元大小不变。  3）零件【Part】：打开高级尺寸函数时，该选项无效，基于每个独立零件包围框对角线的 长度分配初始单元大小，抑制零件并不改变单元大小，通常生成更精细的网格。 （6）网格平滑【Smoothing】：考虑周边节点，通过移动节点位置提高网格质量。平滑迭 代提供 3 级控制，分别为高级【High】、中级【Medium】及初级【Low】，如图 3­18，高级平 滑为显式动力分析的默认选项， 中级平滑为结构、电磁、流体分析的默认选项。对于【CutCell】 网格划分，平滑选项控制开始平滑网格的质量阀值。 图 3­17  初始单元尺寸基准 图 3­18  网格平滑控制 （7） 网格过渡 【Transition】： 控制单元增长率， 可设置慢速过渡 【Slow】 和快速过渡 【Fast】， 如图  3­19，慢速过渡为流体、显式动力分析的默认选项，产生平滑过渡网格；快速过渡为结 构、电磁分析的默认选项。不支持【CutCell】，当打开高级尺寸函数时，隐藏薄板模型，忽略 包含薄板的装配体。 图 3­19  网格过渡 （8）跨度角中心【Span Angle Center】：基于边细化控制曲率，提供 3 个选项，相应的跨 度角范围如下：粗糙【Coarse】的跨度角为 91°～60°，中等【Medium】的跨度角为 75°～  24°，精细【Fine】的跨度角为 36°～12°，如图 3­20。该选项不支持【CutCell】。  3．膨胀层【Inflation】 膨胀层网格沿边界的法向拉伸提高网格精度，用于解决流体分析中的粘性边界层，电磁 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  103  分析中的薄层气隙，解决结构分析中的应力高度集中区域。膨胀层可由三角形和四边形面网 格生成，可与其他网格划分方法混合使用，但六面体域网格不能应用膨胀层，程序提供多种 选项控制膨胀层的增长及网格质量，参见图 3­21。 图 3­20  跨度角中心控制 图 3­21  膨胀层设置 （1）自动生成膨胀层【Use Automatic Inflation】提供 3 个选项。  1）无【None】：如果要用局部网格控制进行手动膨胀层设置，则使用该选项。  2）程序控制【Program  Controlled】：除了命名选择的面、手动设置膨胀层的面、接触区 域面、对称面、已生成网格的零件面或体面，不支持 3D 膨胀层的网格划分，如扫掠或六面体 域网格、薄板实体面以外，膨胀层可应用于其他所有选择面。  3）作用于命名选择的所有面【All Faces in Chosen Named Selection】：可对定义命名选择 的一组面生成膨胀层。 （2）膨胀层选项【Inflation Option】。  1）平滑过渡【Smooth Transition】：在邻近层之间保持平滑的体积增长率，默认情况下， 总厚度取决于表面网格尺寸的变化。  2）第一层厚度【First Layer Thickness】：保持第一层单元的高度恒定。  3）总厚度【Total Thickness】：保持整个膨胀层的高度恒定。  4）第一层纵横比【First Aspect Ratio】：ANSYS 13.0 新功能，指定从基础膨胀层拉伸的纵 横比来控制膨胀层的高度。  5）最终层纵横比【Last Aspect Ratio】：ANSYS 13.0 新功能，利用第一层高度值、最高层 值及纵横比控制创建膨胀层。 （3）膨胀层算法【Inflation Algorithm】。  1）【Post】：首先生成四面体，然后开始生成膨胀层，若改变膨胀层选项，四面体网格不 受影响，默认选项为独立分片四面体网格。  2）【Pre】：首先生成膨胀层面网格，然后生成体网格，默认选项为协调分片四面体网格， 预览膨胀层仅对该算法有效。 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  104  （4）避免碰撞【Collision Avoidance】：检测相邻区域并调整膨胀层单元。三个选项可用， 示例如图 3­22 所示。  1） 【None】：不检测相邻区域。  2）层压缩【Layer Compression】：为 Fluent 的默认选项，在相邻区域压缩膨胀层，保持相 邻区域的层数，如果需要可用交错网格。  3）阶梯交错【Stair  Stepping】：为 CFX 的默认选项，在相邻区域膨胀层呈阶梯交错状， 逐步地移除层，以避免冲撞及尖角处产生质量差的网格。 图 3­22  避免相撞膨胀层控制 激活【CutCell】时，层压缩算法和阶梯交错算法的使用取决于几何模型的复杂性，层压 缩算法为只读。  4．【CutCell】网格划分 【CutCell】网格划分是 ANSYS 13.0 提供的新功能，是为 ANSYS FLUENT求解器设计的 笛卡尔网格划分方法，采用独立分片的体网格划分方法，具有由高级尺寸函数驱动的自动修 边功能，广泛适用于 CFD 分析，支持膨胀层。网格划分整体控制中设置【Activel】=Yes，则 激活【CutCell】网格，但同时某些整体控制和局部控制方法将无效。  5．清除特征【Defeaturing】 不支持【CutCell】网格划分，使用【Pintch】和【Automatic Mesh Based Defeaturing】控 制去除一些容差范围内小的几何特征来提高网格质量，但并非所有的网格划分方法都可以利 用这些控制。 （1）收缩容差【Pintch Tolerance】：根据给定的收缩容差值移除小特征，提供整体收缩控 制和局部收缩控制。 （2）刷新后生成【Generate After Refresh】：更新后自动生成小特征列表。 （3）基于清除特征的自动划分网格【Automatic Mesh Based Defeaturing】：激活该选项， 在容差范围内的小特征将自动去除。  6．统计【Statistics】 查看网格划分的质量，提供详尽的质量度量列表，如表 3­2 所示，ANSYS 13.0 中增加了 正交质量度量，可以查看网格度量图表，能够直观地在该图表下进行各种选项控制，详见后 续章节。 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  105  表 3­2  网格质量度量 设置网格质量度量【Mesh Metric】 网格质量度量说明 无（默认） 单元质量检查 纵横比检查 雅可比率检查 翘曲因子检查 平行偏差检查 最大顶角检查 偏斜检查 正交质量检查  3.2.4  局部网格控制 工具栏的网格控制【Mesh Control】提供多种局部网格控制方法，如表 3­3 所示。根据采 用的网格划分方法，可以组合各种方式对局部网格进行控制。 表 3­3  网格控制方法 网格控制【Mesh Control】 设置网格划分方法 可对点、边、面和体指定单元大小 可对接触边、接触面设置接触单元大小 可对点、边、面设置网格细化 可对面设置映射面网格划分 可对边、面进行面匹配控制 可对点、边设置收缩 可对边、面设置膨胀层 备注  Cutcell网格控制只有【Sizing】和【Inflation】  1．设置单元大小【Sizing】 【Sizing】允许设置局部单元大小，每次只对一种几何体类型控制尺寸，采用如下方法： （1）【Element Size】：在体，面或边上设置单元平均边长。 （2）【Number of Divisions】：对边指定单元份数，不支持【CutCell】 网格划分。  1）可以指定偏斜类型【Bias Type】和偏斜因子【Bias Factor】，偏斜类型指定单元大小 相对边的一端、两端或者边中心的渐变效果，偏斜因子定义最大单元边长与最小单元边长的 比值。 2）行为【Behavior】可以设置【Soft】和【Hard】。【Soft】选项的单元大小将会受到整体 划分单元大小的功能，如基于相邻、曲率的网格设置，以及局部网格控制的影响。【Hard】严 格控制单元尺寸。注意：硬边或任何偏斜边与相邻的边和面之间的网格过渡可能会急剧变化， ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  106  硬边或偏斜边会覆盖指定的最大面单元尺寸和最大的单元尺寸。 （3）【Sphere of Influence】：用球体设定控制单元平均大小的范围，所有包含在球域内的 实体单元网格尺寸按给定尺寸划分，不支持【CutCell】 网格划分。  1）对顶点指定影响球，不论高级尺寸函数是否打开都可用，在所选顶点的周围设置平均 单元大小，需要指定球体的影响半径【Sphere Radius】和单元大小【Element Size】，球体中心 为模型上的点。  2）对边指定影响球，需关闭高级尺寸函数才有效，球体中心坐标采用局部坐标系，影响 区域包括球体范围内的指定边及相邻实体。  3）对面指定影响球，需关闭高级尺寸函数才有效，球体中心坐标采用局部坐标系，影响 区域包括球体范围内的指定面及相邻实体。  4）对体指定影响球，无论是否关闭高级尺寸函数都有效，球体中心坐标采用局部坐标系， 影响区域为球体范围内的实体，如图 3­23 所示。 图 3­23  球体区域控制局部网格  2．接触尺寸【Contact Sizing】 接触尺寸【Contact Sizing】允许在接触面上产生大小一致的单元。接触面定义了零件间的 相互作用，在接触面上采用相同的网格密度对分析有利，在接触区域可以设定单元大小 【Element  Size】或相关度【Relevance】，如图 3­24所示。相关度根据指定的相关值，自动决 定影响球半径和单元大小，进而决定接触面内部的单元大小。 图 3­24  接触区网格控制  3．单元细化【Refinement】 【Refinement】可以对已经划分的网格进行单元细化，一般而言，网格划分先进行整体和 局部网格控制，然后对被选的点、边、面进行网格细化。该选项仅对面或边有效，对【Patch  Independent Tetrahedrons】、【CutCell】，【UniformQuad/Tri】、【Uniform Quad】这些网格划分方 法无效。细化应用于生成后的网格，细化等级可以从  1（最小）到  3（最大），细化等级为  1  将单元边长一分为二，推荐使用“1”级别细化，这是在生成粗网格后，网格细化得到更密网 格的简易方法，如图 3­25所示。使用膨胀层时，程序可自动抑制细化控制。 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  107  图 3­25  网格局部单元细化 单元大小控制和细化控制的区别： （1）单元大小控制在划分前先给出平均单元长度。通常来说，在定义的几 何体上可以产生一致的网格，网格过渡平滑。 （2）细化是打破原来的网格划分。如果原来的网格不一致，细化后的网格 也不一致。 尽管对单元的过渡进行平滑处理， 但是细化仍导致不平滑的过渡。 （3）对同一个表面进行单元大小和细化定义时，在网格初始划分时，首先 应有单元大小控制，然后再进行第二步的细化。  4．映射面网格划分【Mapped Face meshing】 映射面网格划分【Mapped  Face  meshing】允许在面上生成结构网格，如图 3­26，对圆柱 面进行映射网格划分可以得到很一致的网格。这样对计算求解有益。如果因为某些原因不能 进行映射面网格划分，网格划分仍将继续，导航树上会出现相应的标志。 图 3­26  映射面网格划分 选择【Mesh】，右击鼠标，单击【Show】→【Mappable Faces】，可显示所有能够映射的面。 该方法提供基本和高级设置，映射面网格支持【Sweep】、【Patch  Conforming】、【Hexa  Dominant】、基本控制和高级控制的【QuadDominant】和【Triangles】、【Multizone】、【Uniform  Quad/Tri】、基本控制的【Uniform Quad】的网格划分方法，不支持【CutCell】。 映射面网格的顶点类型可以设置为【Specified  Sides】、【Specified  Corners】、【Specified  Ends】三种点类型，对映射方式进行定义。【Specified Sides】指定夹角为 136°～224°的相交 边顶点为映射面顶点， 和 1 条网格线相交；【Specified Corners】指定夹角为 225°～314°的相 交边顶点为映射面顶点，和 2条网格线相交；【Specified Ends】指定夹角为 0°～135°的相交 边顶点为映射面顶点，与网格线不相交，示例如图 3­27 所示。 映射面网格可指定径向划分的份数【Radial Number of Divisions】，如果一个面由两个环线 组成，则径向划分份数选项被激活，可用于创建径向单元层数。  5．匹配控制【Match Control】 匹配网格控制【Match  Control】用于在 3D 周期对称面或 2D 周期对称边上划分一致的网 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  108  格，尤其适用于旋转机械的旋转对称分析，因为旋转对称所使用的约束方程其连接的截面上 节点的位置除偏移外必须一致，如图 3­28 所示。 图 3­27  映射面网格顶点控制 图 3­28  循环对称模型 匹配控制仅用于指定到匹配的面对或边对；匹配控制不支持【Post Inflation Algorithm】算 法；匹配控制目前还不能采用独立分片四面体划分网格；可使用循环对称匹配【Cyclic】和任 意匹配【Arbitrary】两种类型的控制方法。不支持【CutCell】。  6．收缩控制【Pintch】 收缩控制【Pintch】可以在网格上移除小特征（边或狭长区域），收缩控制只对顶点和边 起作用，面和体不能收缩。下列网格划分方法支持收缩特征，不支持【CutCell】。 （1）协调分片四面体网格划分方法【Patch Conforming Tetrahedrons】。 （2）薄层实体扫掠网格划分方法【Thin Solid Sweeps】。 （3）六面体域网格划分方法【Hex Dominant】。 （4）四边形域的表面网格划分方法【Quad Dominant Surface Meshing】。 （5）三角形表面网格划分方法【Triangles Surface】 。 点对点收缩控制将在小于指定容差的边上创建，如果两条边距离在指定容差范围内，则 边对边收缩控制会创建在任意一个的面上。  7．膨胀层控制【Inflation】 用来生成棱柱层，膨胀层可以应用到面或体，使用相应的边或面作为边界。  3.2.5  虚拟拓扑 虚拟拓扑【Virtual Topology】允许为了更好地进行网格划分而合并面，可以简化模型的细 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  109  节特征、简化结构分析的载荷、可以创建切割边以获得更好的面网格。虚拟单元【Virtual Cell】 修改几何拓扑，可以把小面缝合到一个大的面中，属于虚拟单元原始面上的内部线，不再影 响网格划分，所以划分这样的拓扑结构可能和原始几何体会有不同，如图 3­29。 图 3­29  虚拟拓扑网格 虚拟单元通常用于删除小特征，从而在特定的面上减小单元密度，或删除有问题几何体， 如长缝或小面，从而避免网格划分失败，但是，由于虚拟单元改变了原有的拓扑模型，因此 内部的特征如果有加载、约束等将不再考虑。 创建虚拟拓扑如下： （1）导航树中选择【Model】，右击鼠标，选择【Insert】→【Virtual Topology】。 （2）导航树中选择虚拟拓扑【Virtual Topology】。 （3）图形区选择面或边，右击鼠标，插入虚拟单元【Insert】→【Virtual Cell】。  ANSYS 13.0 增加了创建边分割的新功能，导航树中选择虚拟拓扑【Virtual Topology】，图形 区选择边，工具栏中选择【Virtual Split Edge at+】或【Virtual Split Edge】可分割选择的边，明细 窗口中可输入分割比【Split  Ratio】。使用边分割，可以增加边约束提升网格质量，边分割可以移 动，导航树中选择虚拟边，按住 F4键，然后沿着边用鼠标移动红点。结果如图 3­30所示。 图 3­30  虚拟边分割网格  3.2.6  连接关系与几何构型 连接关系【Connections】可用来创建两个零件间面跟面的接触，主要用于结构分析，在 结构分析接触域自动创建，在流体分析中不会创建。如果需要在 ANSYS FLUENT或 ANSYS  CFX 中创建接触域，需要对接触域的面创建命名选择和定义为交互区。 交界面处的网格是否相同（网格共形）取决于 DM 下的几何构型，多个零件的网格异形， 多体零件如果共享拓扑设为“印记” ，则网格异形，如果共享拓扑设为“自动” ，则网格共形。 尽管如此，不论  DM 下是否使用共享拓扑，独立分片四面体网格划分和匹配控制结合起来使 用可以生成共形网格。  1．多个零件的装配体模型 接触域在零件间自动创建，接触域分为接触面和目标面，每个零件独立划分网格，交界 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  110  面网格异形。FLUENT的【Grid Interface】或 CFX 里的【GGI】可以用来定义接触域的面。  2．多体零件 程序默认的共享拓扑设置为“自动” ，接触域内的面融合成一个面，不创建接触域，在  FLUENT下共同的面作为内部区域。 共享拓扑设为“印记” ，接触域内面的边界相互印记，产生“相似”面，并在“相似”面 上自动创建接触域，在交界面上网格异形。FLUENT 的【Grid Interface】或 CFX 里的【GGI】 可用于定义接触域的面。为了在“相似”面上创建相同的网格可以使用“匹配控制”选项。 在 FLUENT下使用【Fuse】选项可以合成“相似”面得到共形网格。  3.2.7  预览和生成网格  1．命名选择【Named Selections】 命名选择允许给选择的一组或多组实体命名。DM 中定义的命名选择可以传递到网格中， 在一个命名选择下的所有对象必须有相同的拓扑，命名选择便于重新选择那些经常用到的对 象，命名选择可以自动导出到求解器模块，如 FLUENT或 CFX­Pre，命名选择可用于同尺寸、 同类型或同位置的对象。命名选择也可从 DM或其他 CAD 系统中导入。  2．生成及预览网格 导航树中右击【Mesh】，出现快捷菜单，在一个物体上右击鼠标，则对所选择的体可直接 进行网格划分。 【Generate Mesh】生成整体网格，预览表面网格【Preview Surface Mesh】只创建表面网 格，推荐用于整体网格生成之前检查表面网格质量，这样可以节省大量网格划分的时间，但 当使用独立分片四面体网格、多重区域网格或【CutCell】时不能预览表面网格。使用直接网 格方法时，因为它会删除已存在的体网格来计算面网格，所以也不推荐使用，此时，对所选 体生成网格可以更好地查看表面网格，如图 3­31 所示。 图 3­31  生成及预览网格 在预览表面表格之后，可以导出表面网格到其他的模块，如  Tgrid，在其他 模块中生成体网格。  3．剖面【Section Plane】 剖面用于显示网格划分的内部单元，设置剖面后，可显示剖面任一侧的单元，关闭或删 除剖面，则显示整体单元。支持多个剖面，对大模型，最后切换到导航树下的几何模式创建 剖面，然后返回到网格模型，如图 3­32 所示。 ANSYS  13.0  Workbench 网格划分及操作案例 第 3 章  111  图 3­32  剖面显示网格  3.2.8  检查网格质量 一个好的网格非常重要，可以在求解过程中将误差降低到最小，避免引起数值发散和不 正确/不精准的结果。 好的网格应具有足够的网格分辨率、合适的网格分布及好的网格质量。前两项取决于整 体网格划分（使用网格划分方法、高级尺寸函数、局部细化等）和针对特定的分析类型所采 用的网格策略。另一方面，ANSYS 可以使用不同的网格质量度量标准来量化网格质量，因此 拥有高质量标准的网格并非意味着必定是好网格，尽管如此，将显示高质量标准的网格作为 必要条件对生成网格是非常重要的。  1．网格统计与网格质量度量 网格统计显示网格划分的节点和单元信息，网格质量度量标准列表在【Mesh Metric】，选 取需要的标准来获取网格质量详情，它将显示最小值、最大值、平均值和标准偏差，参见图  3­33。不同的物理场和求解器，对网格质量的要求不同。ANSYS 13.0 中提供的网格质量度量 标准如下： （1）单元质量【Element Quality】：除了线单元和点单元以外，基于给定单元的体积与边 长的比值计算模型中的单元质量因子，该选项提供一个综合的质量度量标准，范围为 0～1，1  代表完美的正方体或正方形，0 代表单元体积为零或负值。 （2） 纵横比 【Aspect Ratio】： 纵横比对单元的三角形或四边形顶点计算长宽比， 参见图 3­33， 理想单元的纵横比为 1，对于小边界、弯曲形体、细薄特性和尖角等，生成的网格中会有一些边 远远长于另外一些边。结构分析应小于 20，如四边形单元警告限值为  20，错误限值为  1E6。 图 3­33  纵横比检验 （3）雅克比率【Jacobian Ratio】：除了线性的三角形及四面体单元，或者完全对中的中间 节点的单元以外，雅可比率计算所有其他单元，高雅克比率代表单元空间与真实空间的映射 极度失真，参见图 3­34。 雅可比率检查同样大小尺寸下，二次单元比线性单元更能精确地匹配弯曲几何体。单元 边界上的中边节点被放置在模型的真实几何体上。在尖劈或弯曲边界，将中边节点放在真实 几何体上则会导致产生边缘相互叠加的扭曲单元。一个极端扭曲单元的雅可比行列式是负的， 而具有负雅可比行列式的单元则会导致分析程序终止。所有中边节点均精确位于直边中点的 ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术  112  正四面体的雅可比率为 1.0。随着边缘曲率的增加，雅可比率也随之增大。单元内一点的雅可 比率是单元在该点处的扭曲程度的度量，雅可比率小于等于 40 是可以接受的。 图 3­34  雅可比率检验 （4）翘曲因子【Warping Factor】：对某些四边形壳单元及六面体、棱柱、楔形体的四边形 面计算，参见图 3­