动网格Smoothing Spring方法详解与实例

动网格技术里有个常用的方法叫Layering，也就是网格层叠法。这个方法用起来确实方便，但它有个很明显的短板——挑网格。只有四边形网格或者六面体网格才能用Layering，换成三角形或者四面体网格，Layering直接歇菜，用不了。

那三角形和四面体网格怎么办？得换一套思路，用光顺（Smoothing）方法来处理。

光顺方法细分下来有两种：弹簧（Spring）光顺和扩散（Diffusion）光顺。虽然都叫光顺，但两者让网格动起来的底层逻辑完全不一样，设置方式也各有各的套路。这次我们重点把弹簧光顺讲透。

基本原理

弹簧光顺的核心思路来自胡克定律。你可以把网格里的每一条边都想象成一根弹簧，边界动了之后，这些"弹簧"就跟着被压缩或者拉伸，节点之间的连接关系不会断，节点个数也不会变，变的只是节点之间的相对位置。说白了，网格整体变形，但拓扑结构不变。

这个方法最大的优势是不挑网格类型，三角形、四面体、多面体，什么网格都能用。不过实际工程里，光顺一般不单独用，通常会跟remeshing（重新划分网格）方法搭配着来，光顺管变形，remeshing管网格质量恶化后的重建，两个配合着效果最好。

模型描述

这次用的案例模型非常简单，一共就四个面：底面（bottom）、顶面（top）、左侧面（left side）和右侧面（right side）。

边界条件这么设的：top面固定不动，完全锁死。bottom面以-0.01m/s的速度沿着z轴负方向匀速往下走。底边一动，内部的网格就跟着被往下压，整体被压缩。但注意，压缩归压缩，网格节点之间既没有合并，也没有分开，连接关系始终保持不变。这就是弹簧光顺的典型表现——变形但不破坏拓扑。

4 导入网格

使用Workbench打开工程文件，文件在本文末尾链接资源内。

5 Scale网格尺寸

Scale修改网格尺寸。如图所示。

确保计算域尺寸是我们所需要的。

6 设置求解器

由于网格运动是随时间进行的，因此动网格技术必须为瞬态模拟。将计算工况设置为瞬态。其他求解器设置可根据具体工况进行选择。

7 设置动网格模型

在模型树下双击Dynamic mesh，此时Task Page下页面如图

勾选Dynamic mesh，勾选Smoothing后，点击Settings，出现Smoothing方法的设置页面

点击Advanced，出现Mesh Smoothing Parameters参数设置选项。

Spring constant factor：

弹簧因子，表示网格之间的阻尼系数，在0-1之间取值。0表示网格运动会扩散较远，1表示网格运动只会影响附近的网格。

Convergence tolerance：

为spring算法涉及到的具体值，对于一般工况保持默认值0.001即可。

Number of iteration：

也为Spring算法的具体值，默认值为20，一般设置为100

Elements：

Tri in Tri Zones：表示三角形网格在三角形区域变形

Tri in Mixed Zones：表示三角形网格在混合区域变形

All：表示所有区域的网格都发生变形

当网格均为三角形时，勾选Tri in Tri Zones，当网格有三角形和四边形时，可根据不同工况勾选Tri in Mixed Zones或All

Laplace Node Relaxation：

用于定义节点位置的更新，保持默认即可

Verbosity：

用于指定是否在控制台输出光顺方法的残差，1表示输出，0表示不输出。

Dynamic Mesh Zones：

单击Dynamic Mesh Zones下的Create/Edit，弹出如下窗口

bottom边界：刚体边界；Zone Names选择bottom；Type选择Rigid Body；Motion Attributes下只需要定义Motion UDF，导入文章二十一的UDF，选中此UDF，其他均保持默认，单击Create，则在Dynamic Mesh Zones栏下出现bottom。

Right side：变形边界，Zone Names选择Right side；Type选择Deforming；Geometry Definition下Definition选择Faceted，定义变形边界；

Left side：与Right side保持相同的设置。

8 查看动网格

在Task Page页面单击Preview Mesh Motion，设置时间步数为100，时间步长为0.1s，显示频率为1。

Spring constant factor=1

Spring constant factor=0

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