1、Workbench Mesh 网格网格划分分析步骤划分分析步骤 网格划分工具平台就是为 ANSYS 软件的不同物理场和求解器提供相应的网格文件，Workbench 中集成了很多网格划分软件网格划分软件/应用应用程序程序，有 ICEM CFD，TGrid，CFX，GAMBIT，ANSYS Prep/Post 等。网格文件网格文件有两类：有两类：有限元有限元分析分析（FEM）的）的结构结构网格网格：结构动力学分析，电磁场仿真，显示动力学分析（AUTODYN，ANSYS LS DYNA）；计算计算流体力学（流体力学（CFD 分析）分析分析）分析的网格的网格：用于 ANSYS CFX，ANSYS FL
2、UENT，Polyflow；这两类网格的具体要求如下：（1）结构网格：结构网格：细化细化网格来捕捉关心部位的梯度捕捉关心部位的梯度，例如温度、应变能、应力能、位移等；大部分可划分为四面体网格，但六面体单元仍然是首选但六面体单元仍然是首选；有些显示有限元求解器需要六面体网格六面体网格；结构网格的四面体单元通常是二阶的（单元边上包含中节点）；（2）CFD 网格网格：细化网格来捕捉关心的梯度捕捉关心的梯度，例如速度、压力、温度等；由于由于是流体分析，是流体分析，网网格的质量和平滑度对结果的精确度至关重要格的质量和平滑度对结果的精确度至关重要，这导致较大的网格数量，经常数百万的单元；大部分可划分为四面
3、体网格，但六面体单元仍然是首选但六面体单元仍然是首选，流体分析中，同样的求解精度，六面体节点数少于四面体网格的一半。CFD 网格的四面体单元通常是一阶的（单元边上不包含中节点）一般而言一般而言，针对不同分析类型有不同的网格划分要求，针对不同分析类型有不同的网格划分要求：结构分析：使用高阶单元划分较为粗糙的网格；CFD：好的，平滑过渡的网格，边界层转化（不同 CFD 求解器也有不同的要求）；显示动力学分析：需要均匀尺寸的网格；物理物理选项选项 实体实体单元默单元默认中结点认中结点 关联中心关联中心缺缺省值省值 平滑度平滑度 过渡过渡 Mechanical Kept Coarse Medium F
4、ast CFD Dropped Coarse Medium Slow Electromagnetic Kept Medium Medium Fast Explicit Dropped Coarse Fine Slow 注：上面的几项分别对应 Advanced 中的 Element Midside Nodes，以及 Sizeing 中的Relevance Center，Smoothing，Transition。网格划分的目的是对 CFD(流体)和 FEM(结构)模型实现离散化，把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元。用户需要权衡计算成本和网格划分份数之间的矛盾。细密的网格可以使结果更精确，但
5、是会增加 CPU 计算时间和需要更大的存储空间，特别是有些不必要的细节会大大增加分析需求。而有些地方而有些地方，如如复杂应力梯度区域，这些区域复杂应力梯度区域，这些区域需要高密度的网格，需要高密度的网格，如下图所示如下图所示。一般一般而言而言，我们需要，我们需要特别特别留意几何体留意几何体中物理量变化特别大的中物理量变化特别大的区域区域，这些地方的网格需要划分得，这些地方的网格需要划分得细密细密一一些！些！在理想情况下，用户需要的网格密度是结果不再随网格的加密而改变的密度（例如，当网格细化后解没有什么改变），收敛控制可以达到这样的目的。注意注意：细化网格不能弥补细化网格不能弥补模型模型不准确的
6、假设和输入引起的错误不准确的假设和输入引起的错误。网格划分的好坏对后面的求解有十分重要的影响，上图例子列举了一个集流管固体铸件中不收敛的热场。很明显劣质单元区域的分析不可能得到切合实际的数据场。下面下面是是几种典型几种典型网格的形状示意图网格的形状示意图，其中其中“四面体网格四面体网格”和和“六面体网六面体网格格”是主要是主要类型类型：（1）四面体网格：四面体网格：可以快速地、自动地生成，并适合于复杂几何。如选用网格划分方法中的Automatic，对于一般几何体外形不那么规整，难以被 Sweep，因此很难生成六面体网格，这时选用 Automatic 方法能快速生成四面体网格；有等向细化特点，如
7、为捕捉一个方向的梯度，网格将在所有的三个方向细化，这会导致网格数量迅速上升；边界层有助于面法向网格的细化，但 2-D 中仍是等向的（表面网格）。（2）六面体六面体网格网格：大多 CFD 程序中，使用六面体网格可以使用较少的单元数量来进行求解求解。如流体分析中，同样的求解精度，六面体节点数少于四面体网格的一半。对任意几何体，由于其外形通常不是很规整，难以被 Sweep，因此要想得到高质高效的六面体网格，需要许多步骤。如在 ICEM CFD 中划分六面体网格就比较费时，需要对几何体进行切割，如下图所示：但对许多简单几何，用 Sweep 方法是生成六面体网格的一种简单方式，具体可以选用的划分方法是
8、Sweep 和 Multizone。注意注意点点 1：多体多体部件部件“接触面接触面”的的网格网格匹配匹配的问题：的问题：在 Ansys 中，有时候往往需要分析比较复杂的装配体，在 Design Modeler中可以将某些某些零件先组成一个多体部件（Multi-Body Part，实，实体体-Body，部件部件-Part），即一个 Part 下面含有多个 Body，一旦形成一旦形成多体部件后，多体部件后，之前之前相互独立的这些相互独立的这些 Bodies 在在后面后面的设计仿真中的设计仿真中就能拓扑共享就能拓扑共享，在 Mesh 中就表现为它们接触面上的网格是相互匹配的，不像它们相互独立时划分
9、网格是相互间没有任何关联。这个功能是 DM 的亮点，区别于其他 CAD 画图软件。但我们一般画图是在其他 CAD 软件中完成，不再 DM 中。那如果是在Solidworks 中先画了一个单一几何体，如下图中的一个 T 型部件（命名为 T台），然后将其用“分割”命令划分成两部分，之后导入 Workbench 中，在Design Modeler 中我们看到其被组成了一个多体部件，1Parts，2Bodies：在在 Mesh 中我们知道中我们知道，对于对于一个多体部件其划分网格时有如下特点：一个多体部件其划分网格时有如下特点：每一个实体-Body，都独立划分网格，但在实体间的关联仍旧被保留；实体间结
10、点能够共享，意味着两个实体间的两个实体间的接触区接触区网格是连续的网格是连续的。其网格效果就将这些不同的 Bodies 用布尔操作变成一个 Body 后划分网格一样，但实际上它们是无接触的，即没有成为单个 Body，不同 Bodies 间仍旧相互独立；一个多体部件体可以由不同的材料组成；但是我们实际上将上图所示的部件直接导入直接导入 Mesh 中划分网格之后的结果如下图所示：发现两部分实体之间的网格并不连续，这也就是说实际上它们并没有形成一个多体部件，而是两个实体（Body）都各自单独地划分网格，它们它们在接触处在接触处的的结点结点位置也不一样，不共享。位置也不一样，不共享。为什么？我们需要在
11、 DM 中将该几何体重新组成一次多体部件重新组成一次多体部件，如下图所示，在DM 中先将几何体 Explode Part，每个 Body 都独立，变成 2Parts，2Bodies：然后再一次 From New Part，重新变成一个多体部件，1Pat，2Bodies：之后再在 Mesh 中划分网格，会发现两个 Bodies 间的网格匹配了：造成这个的原因可能使 Solidworks 中的多体部件和 DM 中的多体部件不匹配，必须要在 DM 中重新进行一次多体部件的组成操作！如果是在 DM 中直接画几何体，不会出现该问题。那要是我在 SW 中画的是一个装配体，不像上面例子是先画一个单体，然后再
12、“分割”，这会怎么样？如下图所示，是将一个 SW 中画好的装配体直接导入 DM 中后的结果，我们能发现其 10 个 Bodies 之间都是相互独立的，并没组成多体部件（10Parts，10Bodies）：我们将该装配体直接划分网格，由于每一个 Bodies 都是独立的，因此这些不同 Bodies 之间的网格也没有匹配：现在在 DM 中将其组成一个多体部件（1Part，10Bodies）：组成多体部件后我们选取了其中 top-cover，down-base，bolt-1 几三个零部件画网格，结果如下图所示：发现它们之间的网格都匹配，不再是单独划分网格了。注意注意点点 2：多体多体部件采用不同的网
13、格划分方法部件采用不同的网格划分方法 注意点 1 中讲了多体部件接触面之间的网格划分，上面是针对一个多体部件全局网格划分的情况，那要是我一个多体部件不同 Bodies 想采用不同的网格划分方法，该怎么处理？Workbench Mesh 网格划分应用程序可运用“分割”“分割”的思想，即几何体的各个部件可以使用不同的网格划分方法（如 Sweep，Multizone 等）。不同不同部件的体的网格可以不匹配或不一致，部件的体的网格可以不匹配或不一致，单个部件的体的网格匹配单个部件的体的网格匹配一致。一致。那多体那多体部件的网格该怎么部件的网格该怎么操作操作才能使每一才能使每一个个 Solid（在（在
14、DM 中中对应对应Body）都有不都有不同的网格划分同的网格划分方法方法？看下面看下面三通管三通管的的例子例子：既然要选择不同的网格划分方法，Mesh-Insert-Method-选取某一小零件，如下图中我们选择的小零件为 Solid3，其颜色已变成蓝色：这时我们点击工具栏最上方的 Generate Mesh：但却发现虽然上面我们只是选择了 Solid3 这一小部件，但划出来的结果却是把其他的零件也一起划分了网格，即相当于整个装配体一起划分了，如下图所示：这时候可以注意到一点，Solid1Fluid 这 5 个部件前面都变成了绿色小勾上加一横线，这说明这 5 个部件都已经完成了网格划分，其所用
15、的方法就是之前为 Solid3 设定的 Automatic Method。那怎么样才能避免这种状况？关键关键在于我们在选择了在于我们在选择了 Solid3 之后之后，不要不要去点击工具栏最上方的去点击工具栏最上方的 Generate Mesh，那个，那个按钮是针对全局网格划分的，我们只需要在按钮是针对全局网格划分的，我们只需要在 Solid3 右键右键-Generate Mesh 即可即可，这时划分的网格就是针对，这时划分的网格就是针对 Solid3：Solid3 网格划分得到的结果：这时我们发现，只有 Solid3 前面绿色勾加了一横，其余都正常，这说明只有 Solid3 被划分了网格。注意
16、注意，这时这时 Mesh 旁边有一个旁边有一个黄色黄色闪电闪电标记，此时如标记，此时如果点击果点击工具栏工具栏上的上的 Generate Mesh 或者或者是在是在 Mesh 上上右键右键-Generate Mesh，则则剩余剩余的的 4 个个部件都会部件都会以以 Automatic Method 方法被方法被生成生成网格网格：其实不用管这个黄色标记，等我们给这 5 个部件分别划分好网格之后其自动回消失。如下图是我们给 Solid14 按照上面的方法单独划分了网格，这时还剩下 Fluid 没有划分，此时黄色标记还存在：等到 Fluid 也划分好之后，黄色标记自动消失，而且部件前面的绿色小勾也都
17、加上了一横：注意：注意：如果我们在划分网格时有时需要给几个部件一起划分，如下图中一次选中了 Solid1Solid3 三个部件：这时我们一定要在上面同时选中 Solid13，再右键-Generate Mesh，如果只是选取了它们中的一个，则划分出来的网格只是对应那个部件的：三个部件一齐划分网格：除了上面讲的方法，特征抑制特征抑制也可以用来单独划分网格：对其他部件进行特征抑制 Suppress。如下图所示：我们将其他暂时不用划分网格的部件进行抑制，在需要划分网格的部件上面右键-Suppress All Othere Bodies，然后右侧只剩余需要的零部件。这时再Mesh-Insert-Meth
18、od-选取零件，我们用 Hex-Dominant 划分网格。划分完之后再解除抑制，可得到整个装配体只有刚才部件划分了网格：需要对第二个部件进行单独网格划分时，找到对应的部件也一样执行，划分完之后解除抑制，然后得到如下所示结果。可知只有选中的两个部件被划分了网格：1、首先是首先是输入几何体输入几何体，然后点击树形窗口中的 mesh 之后，主要设置一下几大块内容：2、Defaults 设置设置 确定物理场，一共对应四种，Mechanical-结构场，Electromagnetics-电磁场，CFD-流场，Explicit-显示动力学。Relevance-指网格相关度，数值从-100+100，代表网
19、格由疏到密，不同的值对应不同的网格数和节点数：3、Sizing（网格（网格尺寸函数）设置尺寸函数）设置 Sizing 设置中，对于不同的物理场选择会稍有不同，但基本一致，下图以Mechanical 为例。（1）Use Advanced Size Function-高级尺寸函数高级尺寸函数，主要用于控制曲线/曲面在曲率较大地方的网格，其有如下几种设置：off，先从边开始划分网格，在在曲率比较大的地方细化边网格，接下来再产生面网格，最后体网格。Curvature，由曲率法确定（细化）边和曲面处的网格大小。在有曲率变化的地方，网格会做的比较漂亮，会自动地加密。如下图所示：Proximity，这将对网
20、格划分算法添加更好的处理临近部位的网格更好的处理临近部位的网格，即控制模型邻近区网格的生成，主要适用于窄/薄处的网格生成。对于狭长/细长的几何体，网格会做的比较好，但是对于曲面则不好处理，会做的失败。Proximity and Curvature，和情况的综合，适用于比较复杂的几何适用于比较复杂的几何体。体。如下图所示：Fixed，只以设定的大小划分网格，不会根据曲率大小自动细化网格。（2）Relevance Center，关联中心关联中心 代表网格的“粗糙，中等，细化”三种模式。其会和上面的 Relevance-网格相关度（-100+100）一起对网格产生影响，如下图所示：（3）Elemen
21、t Size，全局单元尺寸全局单元尺寸 Element Size 设置用于整个模型使用的单元尺寸。这个尺寸将应用到所有的边、面、体的划分。当上面高级尺寸功能（Use Advanced Size Function）使用的时候这个选项不会出现。其其缺省值（默认值缺省值（默认值）基于基于 Relevance 和和 Initial Size Seed，也可以手动也可以手动可输可输入想要的值入想要的值。（4）Initial Size Seed，初始尺寸种子初始尺寸种子 用于控制每一部件的初始网格种子，对于已定义单元尺寸则被忽略。有如上所示三种模式：Active Assembly，基于这个设置，初始种子放
22、入未抑制部件，网格可改变；Full Assembly，基于这个设置，初始种子放入所有装配部件，不管抑制部件的数量。由于抑制部件网格不改变。Part，基于这个设置，初始种子在网格划分时放入个别特殊部件。由于抑制部件网格不改变。（5）Smoothing 以及以及 Transition，平滑和过渡平滑和过渡 Smoothing 平滑网格，通过移动周围节点和单元的节点位置来改进网格质量，平滑有助于获得更加均匀尺寸的网格平滑有助于获得更加均匀尺寸的网格。下列选项和“网格划分器开始平滑的门槛尺度”一起控制平滑迭代次数，设置判据如下：中等（Mechanical，CFD，Electromagnetics），高
23、（Explicit）。Transition 过渡，用于过渡控制邻近单元增长比，设置判据：缓慢（CFD，Explicit），快速（Mechanical，Electromagnetics）。（6）Span Angel Center，跨度中心角跨度中心角 Span Angle Center 设定基于边的细化的曲度目标，网格在弯曲区域细分，直到单独单元跨越这个角。有以下几种选择：粗糙：9160；中等：7524；细化：3612。4、Inflation（膨胀膨胀）设置）设置 一般而言，这里的 Inflation 我们不会去用它，因此 Use Automatic Inflation设置为设置为 None，即
24、即初始网格无膨胀初始网格无膨胀。等到我们在确定局部网格设置时，如果对几何体边界处的物理条件感兴趣，可以利用 Mesh-Insert-Inflation 来设置具体的膨胀。5、确定、确定局部网局部网格格设置设置 注意，上面介绍的 Defaults，Sizing，Inflation 三项设置是针对 mesh 全局的，对整个几何体都起作用。对于简单的几何体，或者对于网格要求不高的情况，设置好前三项就可以了，后面的几项可以先不用管。可以等网格划分完之后在进行局部网格设定。但是实际上我们往往要对几何体进行局部优化，这时就需要进行“局部网局部网络设置络设置”。也就是说，mesh 的整体思路是的整体思路是“
25、先进行整体和局部网格控制，然后先进行整体和局部网格控制，然后对被选的边、面进行网格细化对被选的边、面进行网格细化”。如下图中左侧致密网格就是由后期局部优化得到的：具体操作为：Mesh-Insert，如下图所示：而且在 Mesh 的基础上每插入一项，都会在树形窗口下面跳出对应的局部网格设置项，以及每一项对应的参数设置窗口，如下图所示：下面列出了可用到的局部网格控制（可用性取决于使用的网格划分方法）：尺寸尺寸-Sizing、接触尺寸、接触尺寸-Contact Sizing、细化、细化-Refinement、映、映射面划分射面划分-Mapped Face Meshing、匹配控制、匹配控制-Matc
26、h Control、收缩、收缩-Pinch、膨胀、膨胀-Inflation。（1）Method，设置网格划分方法设置网格划分方法 Automatic-自动自动划分法划分法，是在四面体和扫掠型网格之间切换，取决于被划分的几何从整体上而言能否被扫掠，遇到不规则的地方遇到不规则的地方（不能被（不能被扫掠）扫掠）程序程序就自动生成四面体，反之生成六面体。就自动生成四面体，反之生成六面体。因为 Automatic 划六面体是根据对“整个几何体”而言能否被扫掠，要达到整个几何体都能被扫的几率是很低的，因为我们用来分析的几何体往往没有那么规整。由此也就带来了一个问题，在用 Automatic 划分网格时，往
27、往划出来的都是四面体，如下图所示：Tetrahedrons-四面体网格四面体网格，在三维网格中，相对而言四面体网格划分是最简单的。四面体网格的优缺点如下：Workbench 中四面体网格的生成主要基于两种算法：TGRID 算法和 ICEM CFD Tetra 算法（Algorithm），这两种这两种算法算法分别分别对应于对应于下面下面的的 Pathch Conforming 和和 Patch Independent，两种四面体算法都可以用于 CFD 的边界层识别。Path Conforming：默认考虑几何面和体生成表面网格，会考虑小的边和会考虑小的边和面面，基于 TGRID Tetra 算法
28、由表面网格生成体网格（表面网格体网格）。此此方法适用于方法适用于多体部件多体部件，可混合使用 Patch Conforming 四面体和扫掠方法共同生成网格，可联合 Pinch Control 功能有助于移除短边，基于最小尺寸具有内在网格缺陷。也正是由于 Patch Conforming 方法会考虑到几何体中比较小的边和面，因此像下图中这种包含太多不同尺寸和形状的面的几何会使 Patch Conforming 方法产生问题，这时可使用 Patch Independent 方法的“虚拟拓扑选项”解决这个问题。而且 Patch Independent 方法本身也更适合于质量差的几何体。Patch
29、Independent：基于 ICEM CFD Tetra 算法，先生成体网格并映射到表面产生表面网格（体网格表面网格）。如果没有载荷或命名，就不考虑面和边界（顶点和边）。此法此法更加更加容许质量差的容许质量差的 CAD 几何几何体体，对对 CAD 许多面许多面的修补有用，的修补有用，如如碎面、短边、差的面参数等。碎面、短边、差的面参数等。如果面上没有载荷或者命名，就不考虑面和边，直接将网格跟其它面作一体划。如果有命名则要单独划分该区域网格 Sweep-扫掠型网格扫掠型网格，这种方法主要是产生六面体网格主要是产生六面体网格，或者或者棱柱型网棱柱型网格格，但要注意被划分体必须是可扫掠的，即是规则
30、几何体：几个重要的设置项目（源面，目标面）：在 Sweep 设置中，上图中的几项表示扫掠“源面/目标面”的选择,以及网格类型。如果选择 Manual Source 则下面的 Source（源面）需要手动选择；如果设置成 Manual Source and Target 则源面和目标面都需要手动选择。当创建六面体网格时，先划分“源面”再延伸到“目标面”，其它面叫做侧面。“扫掠方向”或“路径”由侧面定义，源面和目标面间的单元层是由插值法而建立并投射到侧面。当扫掠几何包含许多扭曲/弯曲时，扫掠划分器会产生扭曲单元导致网格划分失败。如果想知道几何体哪些部位能被 Sweep 的话，可以在树形窗中的 Me
31、sh 上点击右键，Show，可以看到几何体 Sweepable Bodies 和 Mappable Faces 即“可被扫掠”和“可被映射”的部分（满足条件（满足条件的部位会变成绿色，如果没有绿色的部位会变成绿色，如果没有绿色则说明不可以）则说明不可以），如下图所示：一个可扫掠体需满足的条件是：包含不完全闭合空间；至少有一个由边或闭合表面连接的从“源面”到“目标面”的路径；没有硬性分割定义以致在源面和目标面相应边上有不同分割数；虽然虽然我们通过我们通过 Show Sweepable Bodies 可能找不到可扫掠体的轴，可能找不到可扫掠体的轴，即即系统系统显示显示没有部位可以被没有部位可以被
32、Sweep。但但我们我们仍旧仍旧可以手动设置可以手动设置来来找到源面和目标面找到源面和目标面，另外另外源面和目标面不必是平面或平行面，源面和目标面不必是平面或平行面，也也不必是等截面的。不必是等截面的。如果整个几何体在上面 Show 步骤之后显示没有部位可以被 Sweep，则我们在用 Sweep 方法划分网格时用系统 Program Controlled 去设定源面和目标面，则会出现错误：Multizone-多多区区域扫掠域扫掠型，型，主要用来划分六面体网格主要用来划分六面体网格。其特点是有几何体自动分解功能（分割（分割功能功能），从而尽量使每一部分都能被扫掠，多生成六面体六面体网格。如下图，
33、用扫掠方法，这个元件要被切成 3 个体来得到纯六面体网格：我们发现，扫掠 Sweep 和多区 Multizone 方法的目标均是生成六面体网格，对于有些几何体而言这两种方法都可以使用，但这两种方法之间也有很多不同。“扫掠方法”是单个源面对单个目标面的扫掠，很好地处理扫掠方向多个侧面，需要分解几何以致每个扫掠路径对应一个体。“多区方法”是自由分解方法，多个源面对多个目标面。一般满足下列条件时会使用多区：划分对于传统扫掠方法来说太复杂的单体部件；需考虑多个源面和目标面（不能使用 VTs 集成一个源面/目标面）；关闭对源面和侧面的膨胀；注意，使用多区时一般把 Sizing 下的 Advanced Size Function 关闭。Hex Dominant，六面体主导网格法。六面体主导网格法。先在几何体表面生成“四边形主导”的面网格，然后再得到六面体，再按需要填充棱锥和四面体单元。最终往往是在模型
