Ansys Mechanical 2023R1亮点：GPAD功能深度剖析

导读：

Ansys 2023 R1为Ansys Mechanical带来了许多新功能，使用户能够执行更准确、更高效的结构仿真。结构产品组合推出新的特性和功能，支持用户执行更准确可靠、更高效和可定制的仿真分析。其中基于几何的网格自适应功能，可以让用户在进行计算之前，不关注初始网格的质量，同时能保证一定的计算精度。本文将详细介绍基于几何的网格自适应功能。

一、概述

标准非线性网格自适应性（NLAD）在所需的分析子步中创建网格，这些网格与几何体的边界表示（bRep）是不相关的。初始网格到模型边界（bRep）的保真度决定了后续NLAD过程中重新划分网格的保真度。初始网格会用基于多面网格的几何体替换真正的bRep，作为后续重新划分网格的参考。对于几何上的曲线模型边界，如果采用了非常粗糙的网格表示，即使经过网格细化，模型的保真度也不会得到改善。

为了在传统NLAD中通过重新划分网格来充分表示边界，需要采用精细网格来表示几何体。就自适应分析而言，这种方法效率低下，因为精细的初始网格相当于需要在模型计算之前就进行网格细化。

理想的解决方案是在整个变形历史中保持不断演变的bRep，并在非线性自适应分析期间保持相应的网格/几何的演变关系。NLAD-GPAD通过使用bRep而不是前一步的变形网格作为新网格的参考几何来实现此目的。优点是初始网格不需要很精细，这样自适应过程可以在边界和体内部的感兴趣区域中细化网格，同时bRep可确保重划分网格时能基于实际模型边界。

NLAD-GPAD能够在求解阶段更改网格以提高精度，不需要用户手动干预。它可以指定一些标准，从而确定网格是否需要修改；如果需要，需要修改哪些部分。

二、使用方法

NLAD-GPAD功能在Ansys的经典界面Mechanical APDL中没有对应的GUI入口，但是可以使用命令代码来使用；在Ansys的workbench环境中的Mechanical中可以通过Geometry Based Adaptivity功能来使用。这个功能基于载荷步，因此如果在分析中定义了多个载荷步，可以按载荷步来激活或停用该功能。

Geometry Based Adaptivity具体的使用步骤如下：

1）在分析环境中插入Geometry Based Adaptivity

2）  选择作用对象

3）  指定网格重划分条件

当前的GPAD功能，支持的网格重划分准则为能量（Energy）和位置(Box)。各种参数的具体含义与传统的NLAD中的含义相同。

4）按载荷步指定激活状态。

表格数据窗口将提供鼠标右键单击选项，以激活（或抑制）所需加载步的条件。默认设置为激活。

当使用NLAD-GPAD时，程序会自动启用非线性解算法。为了确保在分析过程中至少发生一次网格划分，可以根据需要设置子步的数量。对于线弹性问题，最少的子步数为 2，确保至少进行一次网格细化。

三、使用限制

1、建模限制

1）仅支持线性和二次四面体单元（SOLID285和SOLID187）；

2）不支持具有线性和二次单元混合的多实体零件或多实体组件；

3）不支持使用收敛（convergence）对象；

4）不兼容以下边界条件-循环对称

-基于梁的接触算法

-接触行为为自动非对称

-点质量、梁连接、铰接、弹簧和轴承连接

-随坐标变化的边界条件

-远程边界条件中的行为属性为梁

-弱弹簧

-耦合

-约束方程

5）不兼容以下材料本构-Cast Iron

-Concrete

-Cohesive Zone

-Damage Initiation Criteria and Damage Evolution Law

-Microplane

-Shape Memory Alloy

-Swellin

2、求解限制

目前，在应用GPAD功能时，只支持小变形分析（大变形开关需要关闭），但是可以包含接触和材料的非线性（弹塑性材料）。当前的GPAD功能也只能在静力学结构分析中调用。

3、后处理限制

GPAD功能会导致在求解过程中网格发生变化，因此在提取结果时会有一些限制，主要包括：

1）只能查看体的结果，不能查看点、线、面、节点、单元及单元面的结果。

2）不支持传递变形后的几何。

3）查看接触的穿透量时，可能在网格重划分前后表现不连续。

4）不支持查看“Maximum Over Time/Time of Maximum”或“Minimum Over -Time/Time of Minimum”。

5）重新划分网格后的穿透图可能显示曲线不连续性。

6）在传递变形结果的变形几何体和网格时不受支持。

四、不同网格重划分控制的使用对比

在Ansys Mechanical 2023R1，要引起网格重划分，一共有3种方法：Nonline在Ansys Mechanical 2023R1，要引起网格重划分，一共有3种方法：Nonlinear Adaptive Region、Geometry Based Adaptivity和Convergence。由于都会引起网格重划分，因此，这3个功能是互斥的，相互之间不兼容。

1、Nonlinear Adaptive Region

主要用于非线性分析中由于网格变形较大而导致不收敛的情况，例如橡胶的非线性分析；如果用于小变形分析中，则主要是为了提高应力分析的精度。其主要是通过设定一定的准则，来确保网格在整个分析过程中的质量，避免因为网格质量导致不收敛或网格太粗糙而应力精度太低。网格重划分的触发方式是设定的准则，支持能量、位置和网格质量三种准则。

2、Geometry Based Adaptivity

其与Nonlinear Adaptive Region类似，不同之处在于其进行网格重划分时，可以基于几何进行，而不是基于网格。这样可以提高网格模型的保真度，从而提高曲线边界处的应力精度。当前仅支持小变形分析，主要用于初始网格太粗糙而损失了几何模型的保真度，从而导致计算结果精度较低的情况。其主要是通过设定一定的准则，来确保网格在整个分析过程中的质量，避免因为网格质量导致计算结果精度低。网格重划分的触发方式是设定的准则，支持能量和位置两种准则。

3、Convergence

主要用于提取指定局部位置的高精度结果。其主要是通过加密局部网格来比较不同网格密度下结果的变化。网格重划分的触发方式是结果的变化百分比。使用这个功能，网格的重划分是基于几何的（与Geometry Based Adaptivity类似，可以保证几何模型的保真度）。

五、总结

Ansys Mechanical 2023R1中新引入的GPAD功能，其在进行网格重划分时，以几何边界为参考来进行，能帮助用户在进行分析之前即使使用较粗的网格，也能保证曲线边界处的应力精度。用户在平时使用的过程中，可以有针对性的选择不同的网格重划分功能（Nonlinear Adaptive Region、Geometry Based Adaptivity和Convergence）来帮助提供仿真的计算精度或改善非线性分析的收敛性。

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