盡管 現在 FEA及CFD中出現了一些無網格軟件,然而對于大多數CAE使用者來說,網格劃分依舊是一個非常重要的任務。 怎么強調生成高質量的網格的重要性都不過算過分。

然而“高質量的網格”或者說“足夠好的網格”,該如何定義呢?僅僅依靠網格生成軟件輸出的網格質量報告來評價么?當然分析網格生成軟件輸出的網格質量報告是網格劃分過程中必不可少的一部分,但是僅靠軟件輸出的這些關于網格質量的報告是不夠的,使用者還應當結合自己的物理問題,才能對網格是否足夠好作出準確判斷。

很不幸,人們對于“好網格”存在誤解。如今在工程專業課堂中已經很難找到網格劃分方面的課程了,網格劃分的數值算法在大多數的工程專業中也都變成選修課了。因此,新一代的CAE使用者對于“CAE系統中網格生成器是如何工作的”缺乏認識就不足為奇了。

下面是關于“好網格”的一些認識誤區。

如今,越來越多的CAE使用者是從設計師轉崗或兼職而來,他們通常都接受了良好的CAD培訓,更傾向于分析所有的幾何細節。他們相信細節越多意味著更真實。

這種想法是錯誤的,在更多的情況下,好的網格應該是能更好的反映物理本質,而不是完全貼合CAD模型。

CAE仿真的目的是獲取計算對象上的物理量分布,如應力、應變、位移、速度、壓力等。CAD模型僅僅只是物理對象的簡單近似,其中包含了大量與分析不相關的細節,這些細節對于計算分析準確性貢獻很小,卻會極大的增加計算開銷。因此,了解系統中的物理模型至關重要,好網格應當基于物理模型并對CAD模型進行簡化。

總結來說,就是:只有當對自己系統中的物理模型非常了解,才有可能生成好的網格。

我們常常能看到很多CAE使用者為獲得高質量網格,花費大量時間和精力在改變網格尺寸、分解幾何及簡化幾何等方面,他們仔細地檢查網格劃分軟件中關于網格質量的輸出報告并對網格劃分過程進行精細的控制。
這當然是很有必要的,但是過猶不及,因為好的網格并不一直都是好網格。網格好與壞取決于要模擬的物理問題。

例如,當你劃分了一個非常好的網格,能夠完美的捕捉翼型表面的流動,并且能準確的計算所有的力。但是如果當計算條件發生了改變,比如說流動攻角從0°變成了45°,之前好的網格還是好網格么?很有可能就不是了。

一個好的網格總是與具體的物理問題相關聯。當計算條件發生改變(如改變邊界條件或載荷條件,改變分析類型或流動模型)后,好的網格可能會變為不好的網格,雖然幾何形狀并沒有發生任何改變。

許多老的教科書會告訴你六面體(四邊形)網格要比四面體(三角形)網格更好,并且會告訴你使用四面體或三角形網格會產生多么大的數值誤差。特別是在15或20年前,這可能是事實。
歷史上,人們更喜歡六面體網格,因為:

• 在當時只有結構網格可以用于大多數CFD求解器

• 減少網格數量,節省大量的內存和CPU時間

• 當時非結構網格求解器技術不成熟

隨著求解器技術的發展,對于大多數問題,大多數商業FEA及CFD程序采用四面體網格也能得到六面體網格類似的計算結果。當然,四面體網格通常需要更多的計算資源,但是這也很容易地被在網格生成環節所節省的時間相抵消。對于大多數工程問題,六面體網格的精度優勢實際上已經不再存在了。

對于一些特殊的應用,如風力透平,泵或飛機翼型,仍然優先使用六面體網格。原因在于:

• 行業慣例

• 被理解透徹的物理背景(大多數使用者都知道如何對齊網格)

• 對于此類幾何,有特殊的工具為其生成六面體網格

然而對于大多數FEA及CFD使用者來說,如果幾何表面稍微復雜,在六面體網格生成上花費時間是一種浪費。大多數情況下,計算結果并不會更好。而求解計算節省的時間甚至還不如網格生成花費的時間。

軟件供應商為了證明自己的網格劃分軟件很高端(通常價格也很高端),他們會告訴你他們的軟件允許你進行各種手動控制。潛臺詞就是說只有手動控制才能生成更好的網格。

當然對于銷售人員來說,好的網格需要手動控制。但是對于工程師來講,你需要知道這是一種誤導。好的網格劃分軟件應該能夠智能的分析底層幾何:計算曲率、找到溝槽、找到小的特征、找到硬的邊特征、找到尖銳的夾角等。并能更具這些分析得到的數據采用更合適的網格劃分參數。

這些都是自動網格劃分應該做到的。對于大多數用戶來說,軟件可以收集更多的底層幾何信息。因此,相對于大多數使用者來說,軟件應該能夠設置更優的參數以獲取更高質量的網格。因為軟件能夠獲取更多的信息。

當然對于每天使用網格劃分軟件,并且長時間處理類似的幾何的高級用戶來說,情況又有些不同。這些用戶對于要求解問題的物理背景了解非常透徹,但是網格劃分軟件卻做不到這一點。然而這樣的高級用戶數量是越來越少了。

通常對于網格質量,除非你使用的是非常糟糕的網格劃分軟件,否則自動網格劃分能夠比人做得更好。手動控制是為那些對問題背后的物理原理了解非常清楚的人準備的。

現如今,HPC資源很容易獲得,即便是一個學生也可能嘗試利用1000~2000萬網格求解CFD問題。在大多數CAE使用者的眼中,網格數量多意味著高保真度。

但是這并不是真的,因為一些物理問題必須建立模型。例如在CFD中,如果要使用標準壁面函數,則粘性子層內的任何節點都會使得壁面函數失效,這不僅浪費計算資源,還有可能造成非物理解。即使使用LES,過度細密的網格也可能導致更大的誤差以及非物理解。

細密的網格并不意味著就是好的網格。網格劃分的目的是在離散的位置獲得解,良好的網格應該服務于計算模型,只要計算結果符合物理事實且足夠準確,網格就是好的網格。

另一個關于此誤解的例子。大多數用戶總數喜歡使用完整的3D模型,在他們眼中,全3D模型是最符合現實的。然而如果問題是對稱的,使用部分幾何會得到更好的計算結果,因為對稱條件是強制執行的。如果問題是軸對稱的,則2D結果可能比大多數3D結果更準確。然而,新一代的CAE使用者并沒有充足的時間了解要模擬的系統背后的物理原理,他們很難對模型進行簡化。因此,CAE計算規模沒必要的越來越大也就不奇怪了。

目前,CAE依舊依賴于網格。好的網格應該:

• 能夠求解要研究的物理問題

• 具有合理的質量,使求解器不會掛掉

• 基于物理原理進行幾何簡化

• 網格好與壞要看具體的問題而定

• 滿足項目需求