齿轮网格划分新策略：结构化方法的创新应用

一般，结构化网格是指相对于非结构化网格而言的概念，指在网格的剖面上看去，任一个网格单元都可以通过类似行列数这样的特定坐标来表征。对齿轮进行结构化网格划分有许多优势，如网格数目少、精度高、质量好等等，结构化网格可以在fluent中进行动网格的处理。

下面分步讲解对一般齿轮进行结构化网格划分的方法。使用的软件有：CAXA电子图板、任意CAD建模软件、ICEM-CFD网格划分软件。本方法对这些软件需有一定的使用基础。注意在任何安装、打开、保存路径不要带有中文，否则会出现各种未知错误。

一、二维图绘制

首先打开CAXA电子图板，进行齿轮的二维图绘制。这里采用的是CAXA2013机械版。

1.双击CAXA图标，在新建工程图模板的界面，选择BLANK，即建立空白模板。

2.点击上方工具栏中的常用—高级绘图下的齿形图标。

输入齿形参数，本例输入齿数为20，模数为10，压力角和变位系数采用默认。单击下一步。

3.在渐开线齿轮齿形预显界面，输入有效齿个数。这里如果输入上一步所规定的齿数，则绘制全齿轮，网格划分繁琐。注意到齿轮几何图形是中心对称的，因此只需要绘制一个完整的齿形。

在有效齿数栏中输入1。因为每个齿形所占的角度是18°，半个齿形占据9°，在有效齿起始角中输入81，齿将处于屏幕中央位置。

4.点击屏幕中央的坐标原点确认，得到齿形如下图所示：

5.用直线工具连接齿形的两端和坐标原点，用圆工具画齿轮中心的轴孔，完成后如下图。注意使用圆工具时，采用圆心加半径的方式，在确定圆心以后可以手动输入圆直径，回车确定。本例输入100。

6.用修改标签栏中的裁剪工具，裁去多余曲线段。完成后如下图所示。

7.点击保存按钮，将输出格式选择为iges文件，输入文件名，如gear_part，点击确定。关闭CAXA电子图板。

二、三维模型建立：

1.打开ansysworkbench，将项目保存命名为gear_part，打开Design Modeler模块，导入上一步建立的iges文件，注意这一步一定要将导入line bodies选择为yes，如下图：

2.使用extrude操作，将线体拉伸成实体，在这一步定义齿厚。具体设置如图：

设置完毕以后按F5，更新操作即自动生成实体。

3.注意到实体上的线段由很多小段构成，将增加网格划分的难度，有必要对其进行合并操作。

6.三维几何模型处理完毕，点击Files—Export，将模型文件命名为gear_part，保存为x_t格式，即parasolid通用格式。

三、ICEM CFD结构化网格划分：

1.打开ICEM CFD软件，可以在ANSYS WORKBENCH下打开，也可以单独打开程序，任选其一即可。打开后点击保存按钮，输入名称如gear_meshing，将项目保存。单击Files—Import Geometry—Parasolid，找到上一步保存的三维几何文件，选择单位为Milimeter，点击OK，如下图：

ICEM中可以通过鼠标左键来拖动，中键进行平移，右键一般是选取界面时作为取消作用。通过左键拖动图形后，发现程序只显示三维图形的边，如果要更改可以点击左侧的模型树，勾选Geometry—Surfaces，并在Surfaces上右击，选择solid，再次右击，选择Transparent，以透明实体方式显示几何。

2.点击几何窗口上方的图形选项卡图标，执行几何修复。

系统自动打开Repair Geometry的菜单，默认选取的是第一项，建立拓扑，具体设置如图：

点击OK，发现图形边已变红色，说明拓扑已经建立。

3.右击左侧模型树Parts—Creat Parts，输入新建part的名称，然后点击箭头按钮选取几何。

以选取齿面为例，如果要防止误操作可以选择关闭选取菜单上的点和线选取，即点击Select Geometry菜单的倒数第四、五个图标，然后左键选取齿面，可见已选取的面变成了其他颜色，点击中键确认，如下图：

确认以后，可见模型树中的parts多了一项刚刚生成的TOOTH。仿照以上步骤，将齿轮端面的两个面对和齿轮轴孔上的一个面生成WALL，齿面下方两侧的两个面是周期性重复的，分别命名为A和B。命名完毕后左侧树状图如下：

4.开始划分网格，在这里我们有两种选择，一是只对该模型进行网格划分，以A、B面作为周期性边界，在fluent里会以periodic类型显示边界，处理方法是周期性重复的几何专用的；二是划分完整齿轮网格，缺点是模型文件较大，但在CFD中可以采用普通处理。

本例选择第二种方法。ICEM是以“块”思想来逼近真实几何模型。块的初始状态都是六面体，这样就有了初始高质量结构化网格，随后对块进行编辑，网格也会自动变化。

点击选项卡中的建立块，菜单中的type选择3D bounding box。点击OK，生成了初始块如图。

5.接下来对块进行分割操作。分割的目的是使块逼近真实几何。首先点击分割块，此时默认选取了屏幕上所有块，默认的分割方法是通过边分割，点击Edge旁边的选取箭头进入选取边环节，在齿根处点击矩形块的任一条长边，中键确认，则完成了第一次分割。完成后的效果如图：

注意块要随着分割进行的时机选取，否则会对所有块进行分割。选取顶部块，继续进行两次分割，完成后的效果如图：

点击块编辑选项卡中的删除块按钮，删除两个小块，完成后的正视图如下：

6.完成基本的块分割后，进行顶点和边的关联。注意到此时块的各条边显示为黑色，表示尚未关联。点击关联按钮，选择顶点关联，再勾选模型树中的Points，右键点击Points选择Show Dormant，此时显示所有点和构建曲线时的样条控制点。需要关联的点如下图：

关联点的操作为先选一个块上的点，再点击一个几何上的点，如此往复。最后中键确认。完成后如下图：

随后进行边的关联，点击边关联按钮。ICEM中的边在块上称作Edge，在几何上称为Curve。需要关联的即齿形的轮廓部分，操作与点关联类似，不同在于边可以选取多条，选完了想要关联的Edge后点击中键才开始选取Curve，选取完毕再次中键确认。边关联完毕后如图所示：

注意到关联完毕的边以绿色显示。随后点击投影按钮并点击OK确认，边会自动依附到所关联的几何上。此时的z轴视图如下图：

注意紫色线条是几何图形，绿色线条是块的外边界，块的形状已基本接近几何图形。为了更精确逼近，手动调整块的顶点。保持z视图，点击上方选项卡中的移动顶点按钮，在打开的菜单中将Method改为multiple，并点击箭头图标选择要移动的顶点：

要移动的顶点是齿顶的两对端点，可以框选其中一对（指z向看去重叠的两个点）。随后中键点选齿形紫色线上的一点，以几何尽量接近为准则。注意由于上一步已经将边关联，因此点的移动受到边的约束。完成后如下图所示：

至此，点和边的关联已经完毕。

7.接下来进行网格划分。点击选项卡中的Mesh—Global Mesh Setup，在Max Element中输入4，点击OK确认。注意这个值是全局的最大网格尺寸，要根据具体几何调整。随后点击选项卡中的Blocking—Pre-Mesh Params，选择Update All，点击OK。此时图形窗口下方显示预览网格的数目如图：

可见网格数目为800个六面体网格，可以接受。勾选左侧模型树中的Pre-Mesh，点击yes确认，显示预览网格如图：

从图中可见网格都为六面体，点击预览网格质量显示，单击Apply确认。网格质量都在0.65以上，一般在0.1以上即可被求解器接受。如果网格质量没有达到，本例中通过调整顶点位置可以比较容易的达到。点击直方图中的低质量块，图形窗口中会显示其具体在模型中所处的位置（要看清楚需取消勾选pre-mesh）。

对于预览网格可以做出很多调整，这些可以通过Edge params进行，也可以通过全局网格设置来进行，不再赘述。

8.网格复制。划分完一个齿形后，需要对网格进行周期性复制。由于上一步生成的只是预览网格，并非真正网格，因此需要点击File—Mesh—Load from Blocking。操作完毕后真正的网格生成，点击上方选项卡中的Edit Mesh—Transform Mesh按钮，点击select按钮，框选全部网格，中键确认。输入网格的复制参数，如下图。

复制完毕后整体网格如下图所示：

整体网格质量通过点击选项卡下的Edit Mesh—Display Mesh Quality，再点击Apply确认。网格总数为12728个，质量如下图所示：

9.网格导出。网格划分完毕后，点击上方选项卡中Output—Select solver按钮，选择求解器为Ansys Fluent，结构求解器为Ansys，点击OK确认。随后点击write input按钮，按照默认设置将网格输出，输出格式在选择求解器时就已指定，这里只能更改网格的名称。

总结

使用ICEM划分网格时，一般是采取分而化之的理念。比如齿轮有多个齿，就分成单个齿再划分。齿轮有时又带有轴，那么应该把齿轮和轴分开划分（轴的划分要利用O-GRID技术）。不过，如果齿轮的辐板等处高度和齿面不一致，形成高低不同的结构，那么只需要将块进行拉伸以达到高度即可。

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