1、第第4 4章章 有限元網格劃分與模型建立有限元網格劃分與模型建立已經建立的幾何模型，需要對其劃分網格，生成包含結已經建立的幾何模型，需要對其劃分網格，生成包含結點和單元的有限元模型。有限元網格劃分過程包括以下三個點和單元的有限元模型。有限元網格劃分過程包括以下三個步驟：步驟：（1）設定單元屬性。包括單元類型、分配實常數或者截）設定單元屬性。包括單元類型、分配實常數或者截面屬性（對有些單元類型）、分配材料屬性等。面屬性（對有些單元類型）、分配材料屬性等。（2）設置網格控制（可選擇的）。）設置網格控制（可選擇的）。（3）生成網格。）生成網格。在在ANSYS里提供了自由網格和映射網格兩種網格。里提供

2、了自由網格和映射網格兩種網格。4.1 4.1 網格類型和應用場合網格類型和應用場合在對模型劃分網格之前，確定是采用自由網格還是采用映在對模型劃分網格之前，確定是采用自由網格還是采用映射網格進行有限元分析。自由網格對于單元形狀沒有限制，并射網格進行有限元分析。自由網格對于單元形狀沒有限制，并且對幾何模型沒有特定的要求；映射網格對其包含的單元形狀且對幾何模型沒有特定的要求；映射網格對其包含的單元形狀有限制，而且要求幾何模型必須滿足特定的規則，即必須有相有限制，而且要求幾何模型必須滿足特定的規則，即必須有相當規則的體或面，才能進行映射網格劃分。映射面網格只能包當規則的體或面，才能進行映射網格劃分。映

3、射面網格只能包含四邊形和三角形單元，映射體網格也只能包含六面體單元。含四邊形和三角形單元，映射體網格也只能包含六面體單元。一般情況下映射網格往往比自由網格得到的結果更加精確，而一般情況下映射網格往往比自由網格得到的結果更加精確，而且在求解時對且在求解時對CPU和內存的需求也相對低些。和內存的需求也相對低些。4.2 4.2 有限元網格劃分的主要指導思想有限元網格劃分的主要指導思想ANSYS網格劃分的指導思想是首先進行總體模型規劃，包括網格劃分的指導思想是首先進行總體模型規劃，包括物理模型的構造、單元類型的選擇、網格密度的確定等多方面的物理模型的構造、單元類型的選擇、網格密度的確定等多方面的內容。

4、在網格劃分和初步求解時，要遵循先簡單后復雜，先粗后內容。在網格劃分和初步求解時，要遵循先簡單后復雜，先粗后精，精，2D單元和單元和3D單元合理搭配使用的指導思想。為提高求解的效單元合理搭配使用的指導思想。為提高求解的效率，要充分利用重復與對稱等特征，由于工程結構一般具有重復率，要充分利用重復與對稱等特征，由于工程結構一般具有重復對稱或軸對稱、鏡象對稱等特點，采用子結構或對稱模型可以提對稱或軸對稱、鏡象對稱等特點，采用子結構或對稱模型可以提高求解的效率和精度。高求解的效率和精度。4.3 4.3 有限元網格劃分的基本方法有限元網格劃分的基本方法由于分析問題的復雜性，所以有限元網格劃分很少一由于分析

5、問題的復雜性，所以有限元網格劃分很少一次性成功。最好在劃分前先保存數據庫。條件和時間允許的次性成功。最好在劃分前先保存數據庫。條件和時間允許的情況下應盡量多試一些劃分網格劃分方案，以求得到精度和情況下應盡量多試一些劃分網格劃分方案，以求得到精度和計算代價的均衡。有限元網格劃分方法一般可為自由網格劃計算代價的均衡。有限元網格劃分方法一般可為自由網格劃分、掃掠網格劃分、映射網格劃分和混合網格劃分等方法。分、掃掠網格劃分、映射網格劃分和混合網格劃分等方法。1自由網格劃分自由網格劃分2掃掠網格劃分掃掠網格劃分3映射網格劃分映射網格劃分4混合網格劃分混合網格劃分4.4 4.4 有限元單元屬性的設定有限元

6、單元屬性的設定有限元單元屬性的設定主要包括選擇單元類型、設置單有限元單元屬性的設定主要包括選擇單元類型、設置單元的實常數如面積（元的實常數如面積（AREA）、高度（）、高度（HEIGHT）、慣性矩（）、慣性矩（IZZ）、剪切變形常數（）、剪切變形常數（SHERZ）、初始應變（）、初始應變（ISTRAN）和）和單位長度質量（單位長度質量（ADDMAS）等。材料屬性設定，如楊氏模量）等。材料屬性設定，如楊氏模量、熱傳導率等，以及設定單元坐標系等任務。、熱傳導率等，以及設定單元坐標系等任務。4.4.1 4.4.1 選擇單元類型選擇單元類型ANSYS單元庫中提供了超過單元庫中提供了超過180種的不同單

7、元類型，每種單元種的不同單元類型，每種單元類型有一個特定的編號和一個標示單元類型的前綴，例如類型有一個特定的編號和一個標示單元類型的前綴，例如BEAM4表示表示4號梁單元，號梁單元，PLANE82表示表示82號板單元），號板單元），SOLID95表示表示95號號實體單元。單元類型決定了單元的結點數和自由度、單元位于二維實體單元。單元類型決定了單元的結點數和自由度、單元位于二維空間還是三維空間。在開始分析問題前，需要在通用處理器空間還是三維空間。在開始分析問題前，需要在通用處理器PREP7（預處理器）中定義單元類型。（預處理器）中定義單元類型。命令：命令：ETGUI：Main Menu|Prep

8、rocessor|Element Type|Add/Edit/Delete4.4.2 4.4.2 單元設置單元設置對應于特定單元類型，每組實常數有一個參考號，與每組對應于特定單元類型，每組實常數有一個參考號，與每組實常數對應的參考號組成的表稱為實常數表。在創建單元時，實常數對應的參考號組成的表稱為實常數表。在創建單元時，可以為要創建的單元分配實常數號。在分配實常數號時，要注可以為要創建的單元分配實常數號。在分配實常數號時，要注意實常數參考號和要創建單元的單元類型參考號的對應性，這意實常數參考號和要創建單元的單元類型參考號的對應性，這種對應性是由用戶保證的，否則在劃分網格時將會報錯或出現種對應性

9、是由用戶保證的，否則在劃分網格時將會報錯或出現不可預知的錯誤。單元設置可以采用如下命令：不可預知的錯誤。單元設置可以采用如下命令：命令：命令：RGUI：Main Menu|Preprocessor|Real Constants|Add/Edit/Delete4.4.3 4.4.3 材料屬性設定材料屬性設定絕大多數單元類型都需要定義材料屬性。根據應用的絕大多數單元類型都需要定義材料屬性。根據應用的不同，材料屬性可以有以下幾種：不同，材料屬性可以有以下幾種：線性或者非線性；線性或者非線性；彈性（各向同性、正交異性）或非彈性；彈性（各向同性、正交異性）或非彈性；不隨溫度變化或者隨溫度變化。不隨溫度變

10、化或者隨溫度變化。4.4.4 4.4.4 單元坐標系設定單元坐標系設定單元坐標系用來確定材料屬性的方向。用戶可以通過單元坐標系用來確定材料屬性的方向。用戶可以通過ANSYS幫助文檔中的單元類型描述來查看該單元的坐標系幫助文檔中的單元類型描述來查看該單元的坐標系方向。一般設置單元坐標系的方法如下：方向。一般設置單元坐標系的方法如下：命令：命令：LOCALGUI：Utility Menu|WorkPlane|Local Coordinate Systems|Create Local CS4.5 4.5 有限元網格劃分的控制方法有限元網格劃分的控制方法一般情況下，一般情況下，ANSYS使用默認的網格

11、控制，可以生成讓使用默認的網格控制，可以生成讓分析模型滿足要求的網格。如果生成的網格不能滿足要求，則分析模型滿足要求的網格。如果生成的網格不能滿足要求，則必須在對模型劃分網格前設定網格劃分控制，如單元形狀、中必須在對模型劃分網格前設定網格劃分控制，如單元形狀、中間結點位置、單元大小等。間結點位置、單元大小等。4.5.1 4.5.1 有限元網格劃分工具有限元網格劃分工具網格工具提供了最常用的網格劃分控制和最常用的網網格工具提供了最常用的網格劃分控制和最常用的網格劃分操作。從主菜單中選擇格劃分操作。從主菜單中選擇Preprocessor|Meshing|Mesh Tool菜單，打開網格劃分工具，一

12、旦打開了它，它就保持打菜單，打開網格劃分工具，一旦打開了它，它就保持打開狀態直到單擊關閉它或離開預處理器（開狀態直到單擊關閉它或離開預處理器（PREP7）為止。）為止。4.5.2 4.5.2 選擇自由或映射網格劃分選擇自由或映射網格劃分自由網格劃分操作，對實體模型無任何特殊要求，即自由網格劃分操作，對實體模型無任何特殊要求，即使是不規則的，也可以進行網格劃分。使是不規則的，也可以進行網格劃分。面的自由網格劃分：自由網格可以是三角形或者是四面的自由網格劃分：自由網格可以是三角形或者是四邊形單元組成，也可由兩者混合組成，當面邊界上總的單元邊形單元組成，也可由兩者混合組成，當面邊界上總的單元劃分數目

13、為偶數時，面的自由網格將全部生成四邊形網格，劃分數目為偶數時，面的自由網格將全部生成四邊形網格，當單元劃分數目為奇數時將可能生成三角形單元。當單元劃分數目為奇數時將可能生成三角形單元。體的自由網格：只能包含四面體單元（三棱錐）。體的自由網格：只能包含四面體單元（三棱錐）。4.5.3 4.5.3 單元屬性分配設置單元屬性分配設置1為實體模型圖元分配單元屬性為實體模型圖元分配單元屬性2修改單元屬性修改單元屬性4.5.4 4.5.4 單元尺寸控制單元尺寸控制針對網格單元的尺寸控制，可以通過指定所有線上的份數決定單針對網格單元的尺寸控制，可以通過指定所有線上的份數決定單元的尺寸，它可以考慮線的曲率，孔

14、洞的接近程度和其它特征，以及單元的尺寸，它可以考慮線的曲率，孔洞的接近程度和其它特征，以及單元階次。單擊元階次。單擊MeshTool菜單條（菜單條（Preprocessor | MeshTool），打開智能），打開智能網格劃分，設置需要的尺寸級別，或使用網格劃分，設置需要的尺寸級別，或使用SMRT，Level命令。尺寸級別命令。尺寸級別的范圍從的范圍從1（精細）到（精細）到10（粗糙），默認級別為（粗糙），默認級別為6。對所有體（或所有面。對所有體（或所有面）一次劃分網格，將優越于逐個地劃分網格。）一次劃分網格，將優越于逐個地劃分網格。4.5.5 4.5.5 局部網格劃分控制局部網格劃分控制1

15、總體單元尺寸總體單元尺寸2默認尺寸默認尺寸4.5.6 4.5.6 內部網格劃分控制內部網格劃分控制網格劃分尺寸通常集中在實體模型邊界的外部單元尺網格劃分尺寸通常集中在實體模型邊界的外部單元尺寸定義上。然而，也可以在內部沒有可以引導網格劃分的尺寸定義上。然而，也可以在內部沒有可以引導網格劃分的尺寸線處控制網格劃分?？梢杂孟铝蟹椒▽崿F：寸線處控制網格劃分?？梢杂孟铝蟹椒▽崿F：命令：命令：MOPT。GUI：Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|Manual Size|Area Cntrls。4.5.7 4.5.7 細化網格控制細化網格控制在在Refin

16、e at下拉列表框中選擇網格細化的對象，可以再下拉列表框中選擇網格細化的對象，可以再單元上細化，也可以在節點、關鍵點上細化，還可以在線、單元上細化，也可以在節點、關鍵點上細化，還可以在線、面上細化。對應的命令如下：面上細化。對應的命令如下：在某個面對象上進行細化：在某個面對象上進行細化：AREFINE。在某個線對象上進行細化：在某個線對象上進行細化：LREFINE。在某個關鍵點對象上進行細化：在某個關鍵點對象上進行細化：KREFINE。在某個單元對象上進行細化：在某個單元對象上進行細化：EREFINE。在某個點對象上進行細化：在某個點對象上進行細化：NREFINE。4.5.8 4.5.8 網格

17、質量控制網格質量控制網格質量是指網格幾何形狀的合理性。質量好壞將影網格質量是指網格幾何形狀的合理性。質量好壞將影響計算精度。壞的網格會終止計算。一般情況下，網格面不響計算精度。壞的網格會終止計算。一般情況下，網格面不過分扭曲、各邊或各內角相差不大、邊節點位于邊界等分點過分扭曲、各邊或各內角相差不大、邊節點位于邊界等分點附近的網格質量較好。網格形狀在大多數情況下應該與所選附近的網格質量較好。網格形狀在大多數情況下應該與所選擇的單元相一致。擇的單元相一致。4.5.9 4.5.9 細小結構的網格劃分細小結構的網格劃分對一些幾何體上面的細小結構，例如孔洞，如何進行對一些幾何體上面的細小結構，例如孔洞，

18、如何進行網格劃分取決于對該結構分析的目的，必須對結構的預期行網格劃分取決于對該結構分析的目的，必須對結構的預期行為有足夠的理解，從而可以以對模型應包含多少細節做出適為有足夠的理解，從而可以以對模型應包含多少細節做出適當的決定。例如一些小的細節對分析來說不重要，就不必在當的決定。例如一些小的細節對分析來說不重要，就不必在模型中體現，使模型結構簡化，如果小的細節會產生最大應模型中體現，使模型結構簡化，如果小的細節會產生最大應力，則此處必須進行精細的網格劃分。力，則此處必須進行精細的網格劃分。4.6 4.6 實體模型的網格劃分實體模型的網格劃分本節講述的實體模型網格劃分的重點是映射網格劃分本節講述的

19、實體模型網格劃分的重點是映射網格劃分的操作和如何對實體模型進行網格劃分。劃分實體模型包括的操作和如何對實體模型進行網格劃分。劃分實體模型包括定義單元、屬性定義網格生成控制和生成網格等過程，劃分定義單元、屬性定義網格生成控制和生成網格等過程，劃分完有限元網格后，如果生成的有限元模型不能滿足分析的要完有限元網格后，如果生成的有限元模型不能滿足分析的要求，可以修改已經建立的有限元模型。求，可以修改已經建立的有限元模型。4.6.1 4.6.1 映射網格劃分方法映射網格劃分方法映射網格劃分是對單元形狀有限制，而且必須滿足特映射網格劃分是對單元形狀有限制，而且必須滿足特定的規則。映射網格只包含四邊形或三角

20、形單元，體單元只定的規則。映射網格只包含四邊形或三角形單元，體單元只包含六面體單元。映射網格具有明顯規則的形狀，成排的單包含六面體單元。映射網格具有明顯規則的形狀，成排的單元。元。1劃分面對像劃分面對像2體對象體對象4.6.2 4.6.2 劃分實體模型劃分實體模型針對實體模型劃分網格，生成節點和單元的網格劃分針對實體模型劃分網格，生成節點和單元的網格劃分過程包括三個步驟：過程包括三個步驟：1定義單元屬性定義單元屬性2定義網格生成控制定義網格生成控制3生成網格生成網格4.6.3 4.6.3 有限元模型的修改有限元模型的修改劃分完有限元網格后，檢查建立的有限元模型是否能劃分完有限元網格后，檢查建立

21、的有限元模型是否能夠滿足分析的要求，如果不滿足，則需要修改已經建立的有夠滿足分析的要求，如果不滿足，則需要修改已經建立的有限元模型。常用的修改有限元模型的方法主要包括：限元模型。常用的修改有限元模型的方法主要包括：1局部細化網格局部細化網格2移動和復制節點和單元移動和復制節點和單元3控制面、線和單元的法向控制面、線和單元的法向4修改單元屬性修改單元屬性4.7 4.7 直接生成有限元模型直接生成有限元模型直接生成有限元模型的方法適合于，較簡單的實體模直接生成有限元模型的方法適合于，較簡單的實體模型的有限元分析問題。直接生成有限元模型實際上是直接定型的有限元分析問題。直接生成有限元模型實際上是直接

22、定義有限元模型中的節點和單元。對于一個簡單模型，這是一義有限元模型中的節點和單元。對于一個簡單模型，這是一種很直接方便的方法，但對于一個復雜的模型，采用這種方種很直接方便的方法，但對于一個復雜的模型，采用這種方法的數據量將非常大并且操作也非常繁瑣。法的數據量將非常大并且操作也非常繁瑣。4.7.1 4.7.1 節點節點采用直接生成有限元模型方法必須按照固定步驟來完采用直接生成有限元模型方法必須按照固定步驟來完成模型的創建。首先需要定義好節點，然后按照節點的順序成模型的創建。首先需要定義好節點，然后按照節點的順序構造單元。生成節點的方法：構造單元。生成節點的方法：1定義單個節點定義單個節點2從已定

23、義的節點派生另外的節點從已定義的節點派生另外的節點3查看和刪除節點查看和刪除節點4.7.2 4.7.2 單元單元本節介紹如何由節點生成單元的內容，具體包括以下本節介紹如何由節點生成單元的內容，具體包括以下內容：內容：1定義單元的前提條件定義單元的前提條件2設置單元屬性設置單元屬性3分配單元屬性給單元的方法分配單元屬性給單元的方法4定義單元的方法定義單元的方法5查看和刪除單元查看和刪除單元6從已有單元生成另外的單元從已有單元生成另外的單元7通過改變節點修改單元通過改變節點修改單元8通過改變單元屬性修改單元通過改變單元屬性修改單元4.7.3 4.7.3 通過節點和單元生成有限元模型通過節點和單元生成有限元模型本節以梁為例，說明如何通過節點和單元生成梁的有本節以梁為例，說