导读:网格生成是有限元分析前处理的重要组成部分。一般来说，你需要先设置网格控制选项，然后划分网格。在ANSYSMechanical界面中，网格划分的控制选项可以分为两类：整体控制和局部控制。全局控制可以通过网格分支实现，局部控制可以通过网格分支的上下文菜单或者网格工具栏实现。本文将向读者介绍ANSYSWorkbench结构分析中常用的网格划分选项及其工作原理。更多相关内容请关注《ANSYSWorkbench结构分析理论详解与高级应用》(中国水利水电出版社，2020年版)尚小江博士等人主编。

一、网格划分总体控制选项

常见的总体控制包括默认值、规模、质量、高级等。质量是网格质量评价的信息，有兴趣的读者可以参考之前发表的文章：ANSYSMechanical中的网格质量评价方法及应用。膨胀选项主要用于CFD边界层的网格控制，但较少用于结构分析。统计数据是指网格统计数据，例如节点和单元的总数。下面对Defaults、Sizing及Advanced等总体选项进行介绍。

1、Defaults总体控制选项

如下图所示，Defaults是网格划分的默认选项。

其中，ElementOrder用于控制单元的阶次(旧版本中的ElementMidsideNodes选项)，可以选择ProgramControlled、Linear或Quadratic。对于实体结构，辅助单元186和187通常被自动选择。ElementSize用来设置默认的整体网格大小，直接定义一个数值就行了。在旧版本的Mechanical中，整体栅格的相对大小由“关联性”选项设置，新版本中不再采用该选项。

2、Sizing总体控制选项

调整大小包括网格划分的整体大小控制，具体选项与UseAdaptiveSizing设置相关。当UseAdaptiveSizing设置为Yes(默认)时，大小选项如下图所示。

当UseAdaptiveSizing设置为“否”时，大小选项如下图所示。

下面对Sizing总体控制选项作简单的说明。

UseAdaptiveSizing选项。

该选项用于控制“自适应大小”选项，默认值为“是”。

Resolution选项。

当UseAdaptiveSizing选项设置为“是”时出现，网格从0到7变得越来越密集。

GrowthRate和MaxSize选项。

当UseAdaptiveSizing选项设置为“否”时出现，GrowthRate表示相邻两层单元的边长增长率。MaxSize是最大像元大小，可以使用默认值或用户指定的值。

MeshDefeaturing和DefeatureSize选项。

MeshDefeaturing选项用于设置细节特征的消除。默认值为Yes，并且需要指定DefeatureSize值。DefeatureSize值是一个正数，用户可以指定一个具体的值。几何小特征去除支持的网格生成方法有PatchConformingTetrahedron、PatchIndependentTetrahedron、MultiZone、ThinSweep、HexDominant、QuadDominant、AllTriangles、MultiZoneQuad/Tri/Tri等。对于PatchIndependentTetrahedron、MultiZone和MultiZoneQuad/Tri/Tri分区方法，此处指定的默认大小将填充到方法本地控制选项中。如果稍后修改本地控件，本地控件将覆盖此处指定的整体DefeatureSize。

Transition选项

当UseAdaptiveSizing选项设置为“是”时出现，该选项用于影响相邻单元格的大小转换速率。可以选择慢或快，慢会形成平滑的过渡网格，快会使大小过渡更突然。

SpanAngleCenter

SpanAngleCenter选项仅在UseAdaptiveSizing选项设置为Yes时出现，该选项用于在使用AdaptiveSizeFunction时根据曲率设置细化目标。对于弯曲区域，网格将沿曲率细分，直到单个元素穿过该角度。粗略选项中一个单元的最大交叉角为90度，中等选项中一个单元的最大交叉角为75度，精细选项中一个单元的最大交叉角为36度。这里，单元跨越的角度是指法线角度的变化，如下图所示的。

InitialSizeSeed

仅仅

⑧CaptureCurvature选项

CaptureCurvature选项为曲率捕捉选项，仅当UseAdaptiveSizing选项设为No时出现。当CaptureCurvature选项设置为Yes时，可指定CurvatureMinSize和CurvatureNormalAngle参数。CurvatureMinSize为曲率附近的最小尺寸，CurvatureNormalAngle为单元法向的最大跨角，网格将细化有曲率的区域直至单个单元跨过此角度，其意义与SpanAngleCenter中的法向角度改变量相同。

⑨CaptureProximity选项

当UseAdaptiveSizing选项设为No时出现。设置此选项为Yes时，可指定ProximityMinSize和NumCellsAcrossGap参数。ProximityMinSize为间隙附近的最小单元尺寸，NumCellsAcrossGap指定在狭窄的间隙中的单元数。ProximitySizeFunctionSources则决定面和边之间的哪个区域是proximitySizeFunction起作用的区域，可指定边（Edges）、面（Faces）或面和边（FacesandEdges）。指定为Edges时，仅边之间的狭窄面区域的网格被细化，而指定为Faces时，仅距离相近的表面之间的体积被细化。

3、Advanced总体控制选项

Advanced部分提供了一些网格的高级总体控制选项，如下图所示。

①NumberofCPUsforParallelPartMeshing

此选项用于设置并行部件分网使用的处理器个数。可选择0到256之间的数值。

②StraightSidedElements

StraightSidedElements选项用于指定单元为直边，可选择Yes或No，此选项可影响二次单元（ElementOrder设为Quadratic时）中间节点的放置。如下图(a)所示，设置此选项为Yes，所形成的二次单元均具有直边。如下图(b)所示，设置此选项为No，则形成的单元均具有曲边。

③RigidBodyBehavior

此选项用于指定刚体的网格划分选项，如果Geometry分支下没有被设置为刚性的体，则此选项为不可编辑状态。一般结构分析中缺省为DimensionallyReduced，仅形成表面接触网格。

④TriangleSurfaceMesher

此选项控制patchconforming划分方法将使用哪一种三角形面网格划分策略。可选择的选项包括ProgramControlled以及AdvancingFront。一般来说，advancingfront算法可提供更平滑的尺寸变化和更好的skewness以及orthogonalquality指标。

⑤TopologyChecking

此选项控制在patchindependent划分方法后续是否执行拓扑检查。缺省选择No，patchindependent方法试图捕捉到受保护的拓扑并进行印记，但当网格尺寸过粗或由于受到限制不能捕捉特征时，跳过拓扑检查。选择Yes时，网格划分后运行拓扑检查以确保网格与受保护拓扑的正确关联，如果网格不能与拓扑特征正确关联就会报错。支持拓扑检查的网格划分方法包括3D的PatchIndependentTetra、MultiZone以及2D的MultiZoneQuad/Tri、QuadrilateralDominant、Triangles。

⑥Pinch

此选项用于在网格中忽略小的几何特征，以便在这些特征周围生成质量更好的单元。指定了Pinch控制后，满足准则的小特征将被“挤”掉。PinchTolerance选项用于指定pinch操作的容差（小于此容差的小特征将被清除）。

二、网格划分的局部控制选项

网格局部控制主要包括网格划分方法控制以及局部尺寸控制，也包含一些其他的局部控制，这些控制可以通过Mesh分支的鼠标右键菜单Insert来添加，如下图所示。本文将着重介绍其中在结构分析中较为常用的局部控制选项。

1、网格划分方法控制选项

网格划分方法（Method）是最常用的局部控制选项，在Mesh分支的右键菜单中选择Insert>Method，可在Mesh分支下添加网格划分方法控制分支，此分支的缺省名称为“AutomaticMethod”，即：自动网格划分，这时Mechanical缺省采用Automatic方法划分网格，此方法试图对可扫略划分的体进行扫略（Sweep）划分，而对不能扫略的体采用四面体划分（PatchConforming方法）。在AutomaticMethod网格划分方法的Details中，首先选择几何对象并在Geometry选项中单击Apply，在Method选项的下拉列表中选择网格划分方法，如下图所示。如果选择了其他网格划分方法，Method分支的名称随之改变。

Mechanical中提供了五种适合于结构分析的网格划分方法，每一种划分方法（Method）及其技术简介列于表1中。

上述各种划分方法的具体选项均比较直观，这里不再逐一讲解，仅针对Sweep划分方法作简单的说明。Sweep方法的Src/TrgSelection选项用于选择源面以及目标面，可通过下拉列表选择，如下图所示，有5种可供选择的选项，其中的AutomaticThin（自动薄壁扫略）和ManualThin（手工薄壁扫略）用于对薄壁实体进行扫掠划分。

选择薄壁扫掠划分选项时，需指定ElementOption附加选项，如下图所示，这个附加选项用于选择生成体单元（SOLID）还是实体壳单元（SOLIDSHELL）。实体壳单元可以用于模拟变厚度壳体，是一种很实用的单元。

2、局部尺寸控制选项

局部的尺寸控制选项包括针对几何对象的尺寸控制、接触区域的网格尺寸控制以及局部加密控制。

①几何对象尺寸

在Mesh分支的鼠标右键菜单中选择Insert>Sizing，在Mesh分支下添加Sizing分支。Sizing分支用于对几何对象的网格划分尺寸进行控制。在Sizing分支的Details中选择不同的几何对象类型，Sizing分支会根据所选择的对象类型自动改变名称，例如：VertexSizing、EdgeSizing、FaceSizing、BodySizing。

对各种Sizing控制，根据其Type选项的不同，有两种不同的设置方式。如下图所示，选择Type为ElementSize时，可直接指定单元尺寸ElementSize。Behavior选项选择Hard将比Soft采用更加严格的尺寸控制。

如下图所示，选择Type为SphereofInfluence（影响球），通过定义影响球的球心（指定坐标系，其原点作为球心）及其半径，再指定影响球内的ElementSize，这时尺寸控制仅作用于影响球的半径范围内。

利用影响球可以仅在关注的区域内细分单元，而不用在全域上细分，如下图所示。

②接触区域网格尺寸ContactSizing

在Mesh分支的鼠标右键菜单中选择Insert>ContactSizing，或拖拉一个ContactRegion分支到Mesh分支上，都将在Mesh分支下形成一个ContactSizing分支，此分支用于在接触区域两侧表面形成相对一致尺寸的单元。ContactSizing可以通过ElementSize方式或Relevance方式控制接触区域的网格尺寸。选择ElementSize方式时需要指定一个具体的单元尺寸数值，而选择Relevance方式时则通过指定Relevance值设置一个接触区域的相对单元尺寸,Relevance数值在-100到100之间变化，越接近-100网格越粗，反之越接近100则网格越细。

③Refinement

在Mesh分支的右键菜单中选择Insert>Refinement，在Mesh分支添加Refinement分支，可以用于网格加密设置。Refinement的Details如下图所示，Scope部分的Geometry选项用于选择需要加密的局部几何对象，Definition部分的Refinement选项用于指定最大加密次数，可选择1到3之间。

3、其他的局部控制选项

通过Mesh分支的鼠标右键菜单，还可以添加其他的局部控制选项，下面对这些控制选项作简单的介绍。

①FaceMeshingControl

选择Mesh分支的右键菜单Insert>FaceMeshing，可以在Mesh分支下加入FaceMeshing分支，此分支用于生成面上的映射网格，改善表面网格的质量。FaceMeshing支持的网格划分方法包括3D的Sweep、PatchConformingTetrahedron、HexDominant、MultiZone以及2D的QuadrilateralDominant、Triangles和MultiZoneQuad/Tri。下图为表面映射网格和自由网格的对比，显然，添加了FaceMeshingControl的网格质量更好。

②MatchControl

MatchControl选项用于匹配两个或多个面上的网格，支持使用MatchControl的网格划分方法包括3D的Sweep、PatchConforming、MultiZone以及2D的QuadDominant和AllTriangles。使用MatchControl时，选择Mesh分支，在其右键菜单中选择Insert>MatchControl，在Mesh分支下添加一个MatchControl分支，然后在其Details中进行相关选项设置。根据Details中Transformation选项的不同，有cyclic和arbitrary两种类型的匹配控制选项。

（1）cyclic类型的选项设置

对于ScopingMethod为GeometrySelection需指定High和Low的几何对象，对于ScopingMethod为NamedSelection需指定HighBoundary和LowBoundary。Transformation选项选择为Cyclic，在AxisofRotation选择一个坐标系，其z轴与几何旋转轴一致。

（2）arbitrary类型的选项设置

对于ScopingMethod为GeometrySelection需指定High和Low的几何对象，对于ScopingMethod为NamedSelection需指定HighBoundary和LowBoundary。Transformation选项选择为Arbitrary，HighCoordinateSystem和LowCoordinateSystem分别选择对应于High和Low边界的局部坐标系。

③PinchControl

除总体控制中的自动pinch控制外，还可通过Mesh分支的鼠标右键菜单中Insert>Pinch添加Pinch分支，进行局部pinch控制，其Details如下图所示。在Pinch分支的Details需要定义MasterGeometry（保留的几何）和SlaveGeometry（被简化的特征），被选择的MasterGeometry和SlaveGeometry分别显示为红色和蓝色，如果需要可改变Tolerance（缺省值为总体的PinchTolerance）。

综上所述，以上就ANSYSWorkbench结构分析网格划分的总体和局部控制选项进行了解析。更多Workbench高级结构分析理论与应用技术细节，推荐小伙伴们参考尚晓江博士等编著的《ANSYSWorkbench结构分析理论详解与高级应用》（中国水利水电出版社，2020年版）。

（完）

作者简介：尚晓江，仿真秀金牌讲师，工学博士，力学和有限元分析理论功底扎实，长期从事ANSYS软件应用与技术咨询工作，累计为国内用户开展培训或讲座逾3000人次，编著有《ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用（第三版）》、研究生教材《工程结构优化设计方法与应用》、《ANSYSWorkbench结构分析理论详解与高级应用》等。

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