3. ANSYS Mesh应用
3.1 ANSYS Mesh软件
ANSYS Mesh
是ANSYS Workbench中的网格生成模块,其主要负责为ANSYS系列产品提供计算网格。
3.1.1 ANSYS Mesh启动
Mesh作为Workbench的一个模块,只能在Workbench中启动。启动Mesh的方式有两种。
(1)独立模块
Mesh可以以独立模块方式启动,从工具列表中添加Mesh模块到工程面板,双击Mesh单元格即可进入Mesh模块。
(2)附加模块
在一些需要利用到Mesh的应用模块中,会自动附加Mesh模块。
3.1.2 ANSYS Mesh界面
ANSYS Mesh工作界面如图所示,整个界面分为6个部分。
① 工作菜单。一些常用的功能入口,如数据输入输出、视图转换、单位设置等。
② 功能选项卡。功能选项卡中包含了一些网格划分过程中辅助功能按钮。
③ 模型树。模型树是Mesh的核心结构,所有关于网格操作的功能均可以通过模型树进入。
④ 属性窗口。包含各种参数设置界面。
⑤ 图形窗口。主要用于模型显示及几何选择。
⑥ 输出窗口。用于显示一些系统信息。
3.1.3 网格生成流程
利用Mesh划分网格的基本流程如下。
(1)指定目标求解器
当启动Mesh导入几何模型后,第一步要做的操作是指定目标求解器。Mesh支持多种求解器,然而不同的求解器对网格的需求存在差异,因此在生成网格之前指定目标求解器是非常有必要的。
选择模型树中的网格/Mesh,在属性窗口中设置参数物理偏好/Physics Preference即可指定目标求解器。ANSYS Mesh支持6种目标求解器:Mechanical
、Nonlinear Mechanical
、Electromagnetics、CFD
、Explicit
、Hydrodynamics。
(2)指定网格尺寸
ANSYS Mesh中的网格尺寸包括全局尺寸与局部尺寸。
单击模型树中的网格/Mesh,在其属性窗口中的尺寸调整/Size选项中即可设置全局尺寸,如上图所示。
除全局尺寸外,Mesh还可指定局部尺寸,包括体尺寸、面尺寸、线尺寸等。通过鼠标右键选择模型树中的网格 Mesh,选择菜单插入/Insert→尺寸调整/Sizing可插入局部尺寸。
(3)边界命名
边界命名的目的是为了在处理器中更方便地设置边界条件。
在图形窗口中选中几何(2D模型中是线,3D模型中是面)之后,可右键单击窗口区域,选择菜单**创建命名选择/Create Named Selection…**并指定边界名称。
(4)生成网格
当上述工作准备完毕后,即可生成网格。用鼠标右键选择模型树中的网格/Mesh,选择菜单中的生成网格/Generate Mesh选项来生成网格。
(5)检查网格
网格生成完毕后,可检查网格质量。选择模型树中的网格/Mesh,设置属性窗口中选项网格度量标准/Mesh Metric中的内容为单元质量/Element Quality
即可查看网格质量。此时会在消息窗口中列出网格质量直方图,在其中描述各类网格质量及其网格数量。
3.2 网格质量评价
对于不同类型的网格,其质量的评价指标不同。下面简单介绍ANSYS Mesh中关于网格质量的评价体系。对于其生成的网格质量有多种度量指标。
由于存在多种网格类型(三角形、四边形、四面体、五面体、三棱柱、六面体等),因此想要提出一套标准来衡量这么多不同形状的网格质量,并不是一件容易的事情。ANSYS Mesh针对不同类型的网格,采用不同的质量度量标准。
3.2.1 单元质量/Element Quality
从字面上理解,Element Quality就是指网格质量。ANSYS Mesh提供了这样一个指标用于度量各种类型的网格质量,该指标范围为0~1,越接近1表示网格越完美,在具体做分析时,可保证平均值不低于0.7。
该指标的计算方法分为2D和3D。
2D网格计算式为
Q u a l i t y = C A r e a ∑ ( E d g e L e n g t h ) 2 Quality = C\frac{Area}{\sum(EdgeLength)^2}Quality=C∑(EdgeLength)2Area
式中,Quality为质量,Area为面积,Edgelength为边缘长度。
3D网格计算式为
Q u a l i t y = C V o l u m e [ ∑ ( E d g e L e n g t h ) 2 ] 3 Quality = C\frac{Volume}{\sqrt{[\sum(EdgeLength)^2]^3}}Quality=C[∑(EdgeLength)2]3Volume
式中,volume为体积。不同的网格类型所采用的C值不同,如下表所示。
| 网格类型 | C值 | 网格类型 | C值 |
|---|---|---|---|
| 三角形 | 6.928 | 六面体 | 71.5692 |
| 四边形 | 4.0 | 三棱柱 | 62.3538 |
| 四面体 | 124.707 | 金字塔 | 96 |
3.2.2 纵横比/长宽比/AspectRatio
Aspect Ratio(长宽比)常用于评价三角形或四边形网格质量。对于三角形和四边形网格的Aspect Ratio,计算方法略有不同。
(1)三角形网格
三角形的长宽比计算是通过构造矩形来实现的。
矩形构造方法如下。
选择任意网格节点,以此节点与相对应网格边的中点相连形成第一条线。
连接另外两条网格边的中点,构造第二条线。
以这两条线为中心构造矩形。
三角形的长宽比是3个矩形中拉伸最厉害的一个的长边与短边之比,除以3的平方根。
每一个三角形网格可以构造三个矩形,如下图所示。
Aspect Ratio(长宽比)为三个矩形的长宽比的最大值
A s p a c t R a t i o = 长边 3 × 短边 Aspact\ Ratio=\frac{长边}{\sqrt{3}\times短边}Aspact Ratio=3×短边长边
因此正三角形的长宽比为1,其为三角形网格中质量最好的网格。其他形状的三角形网格长宽比均大于1,越大表示网格质量越差。
(2)四边形网格
四边形网格也是通过构造矩形来计算长宽比。其构造方法如下。
取四边形网格的四条边中点,连接起来构造两条相交的线。
以这两条线为中心构造矩形,通过这四个中点。
长宽比为
A s p a c t R a t i o = 长边 短边 Aspact\ Ratio=\frac{长边}{短边}Aspact Ratio=短边长边
3.2.3 对边偏差角/平行度/Parale Deviation
Parale Deviation(平行度)常用于检测四边形网格,矩形的平行度为0°,该值越大表示网格质量越差。单元的形状越接近矩形,偏差角越小,单元形状越好,最好的值为0。
3.2.4 单元最大角度/Maximum Corner Angle
Maximum Corner Angle常用于三角形和四边形网格,表示统计网格中的最大角度,该值越大表示网格越差。对四边形而言,90度最好,对三角形而言,60度最好。
3.2.5 偏度/歪斜率/Skewness
Skewnes(歪斜率)是一种主要的网格度量参数,其用于评价网格趋近于理想网格的程度。该参数值为0~1,值越大表示网格质量越差,质量差的网格单元的特征是节点几乎共面(二维共线) ,歪斜率为0表示理想网格。偏度不能高于0.95,最好在0.90以下,越小越好。
| 偏度值 | 网格质量 |
|---|---|
| 0 | equilateral |
| 0~0.25 | excellent |
| 0.25~0.5 | good |
| 0.5~0.75 | fair |
| 0.75-0.9 | poor |
| 0.9~1 | bad(sliver) |
| 1 | degenerate |
对于2D网格,所有的网格单元都应该为Good或更好的,存在质量为Fair或更差的网格表明边界节点的质量较差,应该尽可能地改进边界网格,因为整体网格的质量不会比边界网格的质量好。
对于3D网格,大多数网格单元都应该为Good或更好的,但有一小部分通常会在Fair范围,甚至有一些Poor的网格。
3.2.6 正交质量/Orthogonal Quality
Orthogonal Quality为评价网格正交质量,取值范围0~1,其中值为1表示质量最高,为0表示质量很差。
3.3 全局网格控制
当启动ANSYS Mesh模块后,可以通过全局网格控制参数为所加载的计算模型指定网格尺寸、网格方法、网格生成控制等参数。需要注意的是,全局网格控制参数的优先级低于局部网格控制参数,只有当局部网格控制参数未设置时,全局参数才能起作用。全局网格参数包括显示/Display、默认值/Defaults、尺寸调整/Sizing、质量/Quality、膨胀/Inflation、高级/Advanced、统计/Statistics。
3.3.1 显示/Display
显示/Display节点下可以设置显示风格/Display Style选项。利用此选项可以指定图形窗口区域网格显示颜色,如可以使用网格质量评价参数显示网格颜色,便于对网格质量进行诊断。
3.3.2 默认值/Default
在Defaults节点中可以指定物理偏好、求解器偏好、网格导出格式、网格阶次等信息。
3.3.3 尺寸调整/Sizing
通过指定Sizing节点下的参数选项可以指定全局网格尺寸。
3.3.4 质量/Quality
Quality节点用于控制生成网格的质量以及网格质量检查的指标。通常情况下采用默认参数设置,如图所示。
3.3.5 膨胀/Inflation
在CFD计算中,常常需要生成边界层网格,如图所示。这种与壁面具有良好正交性的网格可以通过设置Inflation节点下的参数来实现。
3.6.6 高级/Advanced
3.4 局部网格控制
当全局网格控制难以生成高质量的计算网格时,可以使用局部网格控制方法进一步加强对网格生成过程的控制。用鼠标右键选择模型树节点Mesh,弹出的子菜单项Insert下所有菜单项均为局部网格控制项。
3.4.1 方法/Method
选择合适的网格生成方法。用鼠标右键选择模型树节点Mesh,选择子菜单插入/Insert →方法/Method即可插入网格方法。
几何结构/Geometry:指定要应用网格方法的几何体。
Patch Independent:
(2)自由面网格类型/Free Face Mesh Type
指定源面上网格类型,可以为全三角形、全四边形及混合三角形/四边形。当指定源面为全三角形时,生成三棱柱网格;当指定源面为全四边形时,生成六面体网格;当指定源面为三角形/四边形混合网格时,生成三棱柱/六面体混合网格。
(3)分区数量/Number of Divisions
该参数设置拉伸路径上网格分布。可以指定沿路径方向网格节点数量,也可以指定该方向上网格尺寸。
(4)扫掠偏差类型/Sweep Bias Type
利用此功能可以指定路径方向上网格分布规律。当要在路径方向上生成边界层网格时,利用此功能很容易实现。
在MultiZone方法中,可以采用自动或手动指定源面和目标面,允许指定多个面作为源面,该方法可以划分3D膨胀层网格。
(1)映射的网格类型/Mapped Mesh Type
通过此选项设置映射网格类型,可以是六面体Hexa、棱柱Prism及Hexa/Prism。Hexa类型生成全六面体网格;Prism类型生成全三棱柱网格;Hexa/Prism将会在六面体网格中插入三棱柱网格。
(2)表面网格法/Surface Mesh Method
面网格生成方法有Pave、Uniform及Program Controled 3种。
均匀Uniform:使用一种循环递归分裂方法生成高度均匀的网格。
铺设/Pave:在高曲率的面上创建一个高质量的网格。
程序控制/Program Controled:由程序自行决定采用Uniform或Pave方法。
(3)自由网格类型Free Mesh Type
指定自由网格的类型。对于无法划分全六面体网格的区域,可以指定其划分非结构网格。可以设置的网格类型包括四面体/Tetra、六面体主导/Hexa Dominant、六面体内核/Hexa Core及四面体Tetra/金字塔Pyramid。
3.4.2 尺寸/Sizing
Sizing是ANSYS Mesh中最重要的局部网格控制方法,可应用于点、边、面及体,可以指定Element Size(网格尺寸)、Number of Divisions(节点数量)、Body of Influence(影响体)、Spher of influence(影响球)等参数。
(1)类型/Type
在Type选项下可以指定不同的网格尺寸类型。最常用的是单元尺寸/Element Size与分区数量/Number of Divisions。通常这两种方式没有本质的区别,实际操作过程中视方便而定。
(2)影响球/Sphere of influence:可以指定一个球体,在该球体内指定网格尺寸,其中Sphere Center多数情况下需要采用自定义坐标系;Sphere Radius为影响球半径;Element Size为该影响球内网格尺寸。利用Sphere of Influence方法可以很方便地对某一局部区域进行网格加密或加粗。
(3)Factor of Global Size:设置一个缩放因子,将网格尺寸设置为全局尺寸与该缩放因子的乘积。
3.4.3 面网格/Face Meshing
利用Face Meshing方法可以控制指定面生成映射网格,该方法可用于以下几个方面。
Sweep、Patch Conforming、Hexa Dominant方法。
Quad Dominant及Trangles方法。
MultiZone方法。
Uniform Quad/Tri及Uniform Quad方法。
当指定为Face Meshing的面上几何边数少于4时,,此时属性窗口中多出设置参数分区的内部数量Internal Number of Divisions用于设置径向方向网格数。如图中将内部节点数设置为3,则沿着径向方向生成3层网格。
当指定Face Meshing的面上几何边数大于4时,此时属性窗口会多出Advanced选项,通过设定多出的几何点信息,可辅助软件实现几何切分。通过指定几何中两个点为Sides,可顺利实现映射网格划分。
ANSYS Mesh中包括3种顶点类型,如图所示。
① Side:有1个相交的网格点,几何夹角136°~224°选择此类型。
② Corner:有2个相交的网格点,几何夹角225°~314°选择此类型。
如图所示的几何体,通过指定不同几何点类型可形成不同的计算网格。
3.4.4 周期网格/匹配控制/Match Control
匹配控制/Match Control用于创建周期网格,该方式能够控制所指定的面或边上网格节点对应。通过鼠标右键选择模型树节点Mesh,单击菜单Insert → Match Control即可激活此方法,此方法中涉及以下参数。
3.4.5 收缩/Pinch
此方法可以对一些极端几何进行修改(如相切几何、锐角边等)。
3.4.6 膨胀/Inflation方法
与全局Inflation方法功能相同,局部网格控制中的Inflation方法也是用于生成膨胀层网格。通过鼠标右键选择模型树节点Mesh,单击菜单Insert → Inflation即可加入Inflation方法。当激活Inflation方法后,属性窗口中需要指定Geometry与Boundary,以及膨胀层网格参数。
通常情况下,Geometry选择三维几何体,而Boundary则选择需要生成膨胀层网格的几何面。然而当采用Sweep方法划分网格时,Geometry通常选择源面,而Boundary则选择构成源面的几何边。
3.5 边界层划分技巧
3.5.1 扫掠+边界层
3.5.2 多区域Multizone+边界层——类似ICEM块的思想
3.5.3 多区域+面网格+几何切分(Block)
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