ANSYS有限元分析：网格划分技巧与详解

一、前言

  生成结点和单元的网格划分过程包括 3 个步骤：

  1. 定义单元属性，包括单元 类  型、单元阶次、积分点个数等。

  2. 定义网格生成 控制 ，主要包含网格密度，网格最小、最大尺寸等 (布种子) 。

  3. 生成网格，自由网格 or 映射网格。

  在对 模型  进行网格划分之前，要明确是采用自由网格还是采用映射网格来进行分析。自由网格对单元的形状无限制，并没有特定的准则。而映射网格则对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。

  映射面网格只包含四边形或三角形，映射体网格只包含六面体网格。另外，映射网格具体规则的排列形状，如果想要这种网格类型，所生成的几何模型必须具有一系列规相当规则的体或面。自由网格和映射网格示意图如下图所示：

  ANSYS软件平台提供了自由网格划分 (Free) 和映射网格划分 (Mapped) 两种策略。自由网格划分用于空间自由曲面和复杂实体，采用三角形、四边形、四面体进行划分，通过网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。而映射划分则是用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体和六面体进行划分，通过指定单元边长、网格数量等参数对网格进行严格控制。映射划分只用于规则的几何图素，对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难以控制。

二、定义单元属性

  在生成结点和单元前，必须定义合适的单元属性，包括如下选项：

  1. 单元类型 (例如：BEAM3、SHELL61 等) 。

  2. 实常数 (例如：厚度和横截面积等) 。

  3. 材料性质 (例如：弹性模量、热传导系数等) 。

  4. 单元坐标系 。

  5. 截面号 (只对 BEAM44、BEAM188 和 BEAM189 单元有效) 。

2.1 定义单元类型

  同样的单元形式，因为关键项设置的不同，将可能产生不同的计算结果，因此，需要进行区分，以单元识别号来区分单元种类，这一思路与 Abaqus 有些不同。

  例如，同样是 20 结点六面体单元 Solid186，当其单元关键项 KEYOPT(2) 设置为 0 时，表示该单元为减缩积分单元，即 Abaqus 中的 C3D20R 单元；当其单元关键项 KEYOPT(2) 设置为 1 时，表示该单元为完全积分单元，即 Abaqus 中的 C3D20 单元。

  由此可见，在 ANSYS 中，是通过设置单元关键选项的方式来定义单元的某些性质/属性，而在 Abaqus 中，是在 Assign Element Type 菜单中设置。

• ET

使用功能： Defines a local   element type from the element library.

使用格式： ET，ITYPE，Ename，KOP1，KOP2，KOP3，KOP4，KOP5，KOP6，INOPR 。

参数说明： ITYPE —— Arbitrary local element type number. Defaults to 1 + current maximum.

      Ename —— Element name (or number) as given in the element library

      KOP1，KOP2， . . . . . .，KOP6 —— KEYOPT values (1 through 6) for this element, as described in the Element Reference.

      INOPR —— If 1, suppress all element solution printout for this element type.

参考实例： 创建 SOLID186 完全积分单元。

*GET,etmax,ETYP,,NUM,MAX          ! 获取当前定义的最大单元类型编号并将其赋予变量etmax。

ET,etmax+1,SOLID186               ! 定义单元类型为SOLID186，其单元识别号为etmax+1。 
KEYOPT,etmax+1,2,1                ! 设置单元关键选项，将单元类型参考号为etmax+1的单元设置为完全积分单元。

  在 GUI 中，定义的单元类型按如下方式查看： 菜单栏 >> List >> Properties >> Elements Types 。

2.2 定义实常数

  单元属性主要包括几何属性 (位置、尺寸等)、物理属性 (弹模、泊松比等)。单元的实常数是对于所选单元的补充定义，实常数对于不同的单元有不同的用途，一般的用途为：

  1. 梁单元： 梁单元建模时只是一条线，为了设置单元的面积、惯性矩、高度等属性，需要为实常数来设置。

  2. 板壳单元： 板单元建模时只是一个面，面的厚度等属性要能过实常数来设置。

  3. 实体单元：对于平面四边形单元，若是平面应力问题且厚度不为1时，要在实常数中设置单元的厚度。

  4. 弹簧单元： 弹簧单元建模时只是一条线，弹簧的刚度、阻尼系数等要通过实常数设置。

• R

使用功能： Defines the element real constants.

使用格式： R，NSET，R1，R2，R3，R4，R5，R6。

参数说明： NSET —— Real constant set identification number (arbitrary) 。

      R1，R2，R3， . . . ，R6 分别为实常数值。

实常数值： (interpreted as area, moment of inertia, thickness, etc., as required for the particular element type using this set), or table names for tabular input of boundary conditions. Use RMORE command if more than six real constants per set are to be input.

参考实例： 定义横截面实常数。

2.3 定义材料属性

1. 各项同性线弹性材料

参考实例： 定义各项同性材料。

! 方式一(无法以GUI方式查看)

! *GET,mtmax,MAT,,NUM,MAX           ! 获取当前定义的最大单元类型编号并将其赋予变量mtmax。
! MP,EX,mtmax+1,1.69e5              ! 定义mtmax+1号材料属性弹性模量      
! MP,PRXY,mtmax+1,,0.275            ! 定义mtmax+1号材料属性泊松比
! MP,DENS,mtmax+1,2500              ! 定义mtmax+1号材料属性密度

! 方式二

ALLSEL,ALL                        ! *GET前最好全选，以免出现意向不到的错误。
*GET,mtmax,MAT,,NUM,MAX           ! 获取当前定义的最大单元类型编号并将其赋予变量mtmax (mtmax=0)。

MPTEMP,,,,,,,,                    ! 为材料属性定义温度表 (固定格式无需修改)
MPTEMP,1,0                        ! 为材料属性定义温度表 (固定格式无需修改)

MPDATA,EX,mtmax+3,,2e5            ! 定义mtmax+3号材料属性弹性模量     
MPDATA,PRXY,mtmax+3,,0.28         ! 定义mtmax+3号材料属性泊松比
MPDATA,DENS,mtmax+3,,2700         ! 定义mtmax+3号材料属性密度

  材料属性的查看
 

1. 各项同性双线性等向强化材料
   

2.4 定义梁截面

  注意： 方向关键点是线的属性而不是单元属性。

1. 定义截面类型
   

• SECTYPE

使用功能： 定义广义截面 / Associates section type information with a section ID number 。

使用格式： SECTYPE，SECID，Type，Subtype，Name，REFINEKEY 。

参数说明： SECID 为截面编号 / Section identification number 。

      Type 为截面类型，特定值不能随意指定，可以为 BEAM、LINK、SHELL、CONTACT 等。

      Subtype 为截面子类型，根据 Type 值不同，其取不同的值。

      Name 为截面名称 (最长8个字符)，Name can be a string such as “W36X210” or “HP13X73” for beam sections 。

      REFINEKEY —— Sets mesh refinement level for thin-walled beam sections.

      Valid values are 0 (the default - no mesh refinement) through 5 (high level of mesh refinement).

      This value has meaning only when Type = BEAM.

特别注意： SECTYPE 命令后，需紧接 SECOFFSET 命令和 SECDATA 命令。

      SECOFFSET 用于设置截面偏置；SECDATA 用于设置截面的几何尺寸。

      I 字形截面的 SECDATA 各值如下图所示：

1. 定义截面几何尺寸
   

• SECDATA
  

1. 设置截面偏置
   

• SECOFFSET
  
  

参考实例： 创建 H 型钢截面，截面规格为 H200×100×5×10。

*GET,scmax,SECP,,NUM,MAX              ! 获取当前定义的最大梁截面编号并将其赋予变量scmax。
SECTYPE,scmax+1,BEAM,I,H200X100X5X10  ! 定义H型钢梁截面，其截面编号为scmax+1，其名称为H200×100×5×10。
SECOFFSET,CENT                        ! 设置截面偏置，即梁杆轴端点位于梁截面形心上。
H = 200 $ B = 100 $ t1 = 5
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