CAE工程師需要掌握的網格劃分原則

2016-08-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

劃分網格是建立有限元模型的一個重要環節,它要求考慮的問題較多,需要的工作量較大,所劃分的網格形式對計算精度和計算規模將產生直接影響。為建立正確、合理的有限元模型,這里介紹劃分網格時應考慮的一些基本原則。

1.網格數量

網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規模的大小。一般來講,網格數量增加,計算精度會有所提高,但同時計算規模也會增加,所以在確定網格數量時應權衡兩個因數綜合考慮。

圖1中的曲線1表示結構中的位移隨網格數量收斂的一般曲線,曲線2代表計算時間隨網格數量的變化。可以看出,網格較少時增加網格數量可以使計算精度明顯提高,而計算時間不會有大的增加。當網格數量增加到一定程度后,再繼續增加網格時精度提高甚微,而計算時間卻有大幅度增加。所以應注意增加網格的經濟性。實際應用時可以比較兩種網格劃分的計算結果,如果兩次計算結果相差較大,可以繼續增加網格,相反則停止計算。

在決定網格數量時應考慮分析數據的類型。在靜力分析時,如果僅僅是計算結構的變形,網格數量可以少一些。如果需要計算應力,則在精度要求相同的情況下應取相對較多的網格。同樣在響應計算中,計算應力響應所取的網格數應比計算位移響應多。在計算結構固有動力特性時,若僅僅是計算少數低階模態,可以選擇較少的網格,如果計算的模態階次較高,則應選擇較多的網格。在熱分析中,結構內部的溫度梯度不大,不需要大量的內部單元,這時可劃分較少的網格。

2. 網格疏密

網格疏密是指在結構不同部位采用大小不同的網格,這是為了適應計算數據的分布特點。在計算數據變化梯度較大的部位(如應力集中處),為了較好地反映數據變化規律,需要采用比較密集的網格。而在計算數據變化梯度較小的部位,為減小模型規模,則應劃分相對稀疏的網格。這樣,整個結構便表現出疏密不同的網格劃分形式。

圖2是中心帶圓孔方板的四分之一模型,其網格反映了疏密不同的劃分原則。小圓孔附近存在應力集中,采用了比較密的網格。板的四周應力梯度較小,網格分得較稀。其中圖b中網格疏密相差更大,它比圖a中的網格少48個,但計算出的孔緣最大應力相差1%,而計算時間卻減小了36%。由此可見,采用疏密不同的網格劃分,既可以保持相當的計算精度,又可使網格數量減小。因此,網格數量應增加到結構的關鍵部位,在次要部位增加網格是不必要的,也是不經濟的。

劃分疏密不同的網格主要用于應力分析(包括靜應力和動應力),而計算固有特性時則趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因為固有頻率和振型主要取決于結構質量分布和剛度分布,不存在類似應力集中的現象,采用均勻網格可使結構剛度矩陣和質量矩陣的元素不致相差太大,可減小數值計算誤差。同樣,在結構溫度場計算中也趨于采用均勻網格。

3. 單元階次

許多單元都具有線性、二次和三次等形式,其中二次和三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計算精度,因為高階單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結構的曲線和曲面邊界,且高次插值函數可更高精度地逼近復雜場函數,所以當結構形狀不規則、應力分布或變形很復雜時可以選用高階單元。但高階單元的節點數較多,在網格數量相同的情況下由高階單元組成的模型規模要大得多,因此在使用時應權衡考慮計算精度和時間。

圖3是一懸臂梁分別用線性和二次三角形單元離散時,其頂端位移隨網格數量的收斂情況。可以看出,但網格數量較少時,兩種單元的計算精度相差很大,這時采用低階單元是不合適的。當網格數量較多時,兩種單元的精度相差并不很大,這時采用高階單元并不經濟。例如在離散細節時,由于細節尺寸限制,要求細節附近的網格劃分很密,這時采用線性單元更合適。

增加網格數量和單元階次都可以提高計算精度。因此在精度一定的情況下,用高階單元離散結構時應選擇適當的網格數量,太多的網格并不能明顯提高計算精度,反而會使計算時間大大增加。為了兼顧計算精度和計算量,同一結構可以采用不同階次的單元,即精度要求高的重要部位用高階單元,精度要求低的次要部位用低階單元。不同階次單元之間或采用特殊的過渡單元連接,或采用多點約束等式連接。

4. 網格質量

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。質量太差的網格甚至會中止計算。直觀上看,網格各邊或各個內角相差不大、網格面不過分扭曲、邊節點位于邊界等份點附近的網格質量較好。網格質量可用細長比、錐度比、內角、翹曲量、拉伸值、邊節點位置偏差等指標度量。

劃分網格時一般要求網格質量能達到某些指標要求。在重點研究的結構關鍵部位,應保證劃分高質量網格,即使是個別質量很差的網格也會引起很大的局部誤差。而在結構次要部位,網格質量可適當降低。當模型中存在質量很差的網格(稱為畸形網格)時,計算過程將無法進行。圖4是三種常見的畸形網格,其中a單元的節點交叉編號,b單元的內角大于180°,c單元的兩對節點重合,網格面積為零。

5. 網格分界面和分界點

結構中的一些特殊界面和特殊點應分為網格邊界或節點以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應使網格形式滿足邊界條件特點,而不應讓邊界條件來適應網格。常見的特殊界面和特殊點有材料分界面、幾何尺寸突變面、分布載荷分界線(點)、集中載荷作用點和位移約束作用點等。圖5是具有上述幾種界面的結構及其網格劃分形式。

6. 位移協調性

位移協調是指單元上的力和力矩能夠通過節點傳遞相鄰單元。為保證位移協調,一個單元的節點必須同時也是相鄰單元的節點,而不應是內點或邊界點。相鄰單元的共有節點具有相同的自由度性質。否則,單元之間須用多點約束等式或約束單元進行約束處理。圖6是兩種位移不協調的網格劃分,圖a中的節點1僅屬于一個單元,變形后會產生材料裂縫或重疊。圖b中的平面單元和梁單元節點的自由度性質不同,粱單元的力矩無法傳遞到平面單元。

7. 網格布局

當結構形狀對稱時,其網格也應劃分對稱網格,以使模型表現出相應的對稱特性(如集中質矩陣對稱)。不對稱布局會引起一定誤差,如在圖7中,懸臂粱截面相對y軸對稱,在對稱載荷作用下,自由端兩對稱節點1、2的撓度值本應相等。但若分圖b所示的不對稱網格,計算出的y1=0.0346,y2=0.0350。若改用圖c所示的網格,則y1和y2完全相同。