ANSYS Workbench 局部网格控制

本文以Ansys Workbench 2022R1为基础介绍，2020版本往后基本没啥变化，2020版本以前的会有些许不同。

上期我们学习了ANSYS Workbench 全局网格控制，全局控制可通过Mesh分支来实现。

本期我们学习ANSYS Workbench 局部网格控制，局部控制通过Mesh局部网格控件来实现。局部网格控制主要用于细化仿真中比较关注的部位，同时对于存在大曲率、多连接相贯等位置处的网格进行细化处理，保证获得质量较高的网格单元。局部网格控制工具通过右击Mesh—Insert调出。局部网格控制包含了以下多个工具。

其中比较重要的是Method（网格划分方法）、Sizing（网格尺寸调整）、Contact Sizing（接触网格尺寸）、Refinement （细化加密）、Face Meshing（映射面网格）、Match Control（匹配控制）、Pinch（收缩）、Inflation （膨胀）。

1. Method （网格划分方法）

1.1 Automatic （自动网格划分）

程序基于几何的复杂性，自动检测实体，对可以扫掠的实体采用扫掠方法划分六面体网格，对不能扫掠划分的实体采用协调分片算法划分四面体网格。自动划分法是软件默认的网格划分技术，通常简单的分析模型可以直接使用自动划分技术，复杂模型为了获得较高质量的网格，不建议直接自动划分。

Element Order （单元的阶）用来设置是否采用高阶单元来划分网格。低阶、高阶单元详情请见上期的ANSYS Workbench 全局网格控制一文。

1.2 Tetrahedrons （四面体）

四面体网格划分适用于几乎所有几何体，尤其是几何模型比较复杂，无法直接生成六面体网格的模型。

优点：适用于任意体，适应性强。能快速生成。在关键区域容易使用曲率和近距细化网格。可使用膨胀细化实体边界的网格。

缺点：在近似网格密度下，单元节点数高于六面体网格。不能使网格在一个方向排列。不适合于薄实体或环形体。

四面体网格生成提供两种算法，分别为协调修补算法/补丁适形（Patch Conforming）和独立修补算法/补丁独立（Patch Independent ）。

协调修补/补丁适形算法（Patch Conforming）基于自下而上的网格划分技术，在划分过程中充分考虑几何体的微小特征，对于包含倒角、圆孔等特征的几何模型也能获得较好的网格质量；（考虑几何的线和面生成表面网格，然后由表面网格生成体网格）

独立修补/补丁独立算法（Patch Independent ）采用自上而下的网格划分技术，由内而外，由体至面，划分网格时忽略对几何特征的处理，适合对网格尺寸要求较为统一的几何模型。（先生成体网格，再映射到面和线产生表面网格）

对于独立修补算法，在其详细设置窗口中还可以设置容差值，对是否清除几何体特征进行操作；另外通过Growth Rate控制网格生成速率，利用Refinement选项细化网格。网格细化可以通过基于特征位置处的曲率以及邻近程度来控制，在曲率较大或者存在缝隙的地方采用较小的网格，最小单元通过Min Size Limit设置；网格生长率则用来控制内部网格形成的大小。

此处设置具体含义请见上期的ANSYS Workbench 全局网格控制一文。

1.3 Hex Dominant （六面体主导）

六面体主体法主要用于控制几何体表面生成六面体网格，几何内部如果无法划分六面体网格，则采用四面体或者锥形网格代替，相比扫掠法，该方法可以用于略微复杂的无法进行扫掠划分的几何模型。如果几何内部充满四面体及椎体等网格，不能生成高质量的网格，则在模型无法直接扫掠的情况下才使用该方法。

六面体主导网格法先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、棱柱和四面体单元。此方法对于不可扫掠的体，要得到六面体网格时被推荐；对内部容积大的体有用；对体积和表面积比小的薄复杂体无用；对于CFD无边界层识别。

1.4 Sweep （扫掠网格）

对可以扫掠的实体在指定方向扫掠面网格，生成六面体单元或棱柱单元，扫掠划分要求实体在某一方向上具有相同的拓扑结构，实体只允许一个目标面和一个源面，但薄壁模型可以有多个源面和目标面。

-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

如何知道几何体哪些部位能被Sweep？

右键树形窗中的 Mesh—Show—Sweepable Bodies（可被扫掠体）”满足条件的部位会变成绿色。注意：通过 Show —Sweepable Bodies 可能显示没有部位可以被Sweep的体。但我们仍旧可以手动设置来找到源面和目标面，另外源面和目标面不必是平面或平行面，也不必是等截面的。

在设置窗口中，Source和Target分别表示源面和目标面，通过设置Src/Trg Selection来指定源面和目标面的选择方式，包含Automatic、Manual Source、Manual Source and Target、Automatic Thin和Manual Thin 5种，默认选择Automatic。其中的Automatic Thin（自动薄壁扫略）和Manual Thin（手工薄壁扫略）用于对薄壁实体进行扫掠划分。

Free Face Mesh Type用来指定自由面的单元类型，可以指定全部为三角形、四边形或者三角形与四边形的混合。Type用于限定扫掠的形式，可以按照划分数量，也可以按照单元大小来进行，如果选择Number of Divisions，则设置Sweep Num Divs（扫掠的层数），一般默认即可；如果选择Element size，则定义Sweep Element Size（扫掠网格单元的尺寸）。

选择薄壁扫掠划分选项时，需指定Element Option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(Solid Shell)。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。

1.5 Multizone （多区网格划分）

多区域法网格划分技术是软件自动将几何体进行切块，将几何体自动归类为映射区域和自由区域，其中映射区域存在可映射的拓扑形状，能够直接进行扫掠划分；自由区域则无法进行扫掠划分，用四面体或者其他椎体网格填充。

多区域法对映射区域和自由区域分别存在多种网格设置，其中映射区域划分网格类型（Mapped Mesh Type）包括六面体（Hexa）、棱柱（Prism）以及两者混合（Hexa/Prism），自由区域划分网格类型包括四面体（Tetra、四面体及椎体混合（Tetra/Pyramid），六面体主导（Hexa Dominant）等。

对比扫掠和多区方法：

多区方法：自由分解方法；多个源面对多个目标面。

扫掠方法：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。

1.6 Cartesian （笛卡儿法）

用于生成六面体及棱柱网格，主要针对CFD而开发设计，该方法将对几何边界进行自动修改，但无法与其他方法同时使用。

1.7 Layered Tetrahedrons （分层四面体）

分层四面体网格方法基于指定的层高度在层中创建非结构化四面体网格，并使其适合几何体。该方法可用于模拟增材制造中的打印过程，因为构建零件必须符合在全局Z方向上具有固定步长的网格。

2. Sizing（局部网格尺寸调整）

局部网格控制主要用于细化仿真中比较关注的部位，同时对于存在大曲率、多连接相贯等位置处的网格进行细化处理，保证获得质量较高的网格单元。

通过插入Sizing控制局部网格尺寸的方式有四种，分别如下：

① Element size（单元大小）：直接选择希望细化的边、面、实体，然后在该项中设置单元大小，生成较为均匀一致的网格。

② Number of Divisions（分段数量）：定义边的单元份数。

③ Sphere of Influence（球体影响范围）：通过建立虚拟球体，对几何体中包含在所见球体域内的部分进行局部细化，如下图所示，建立局部球体，将单元网格设置为1mm划分，可以看到包含在红色球体域内的几何实体被细化。

在进行影响球的局部网格划分操作中，可以选择只影响某一单独面（要插入局部坐标系，球心为局部坐标系原点）

下表列出了选择不同作用对象时所对应的属性窗格中的选项。

当选择 Element size 或 Number of Divisions 时，会出现 Advanced 选项，包含 Behavior 和 Bias Type 。

① Behavior 包含 Soft 和 Hard 两个选项。

Soft 表示软件参与计算，为保证网格质量，最后边上的网格数量可能不等于设置的分段数。

Hard 表示强制按定义规则划网，不需要软件自动参与，最后边上的网格数量严格等于设置的分段数。

② Bias Type 偏置类型，提供了5种偏置方式。

1.先疏后密

2.先密后疏

3.中间稀疏两边密集

4.中间密集两边稀疏

5.不偏置（等分）

3. Contact Sizing 接触网格尺寸

Contact Sizing主要控制接触区域的几何面的网格细化，当模型中存在接触面时，通过插入Contact Sizing可以保证接触面上的网格大小统一，有利于接触面之间的求解计算和收敛。Contact Sizing控制方式有两种，分别是Element Size和Relevance.

4. Refinement 网格细化

Refinement 针对几何体的线和面进行操作，达到细化网格的目的。Refinement可选参数为1、2、3三个数，数值越大，作用的对象网格划分越细。

5. Face Meshing 映射面网格划分

Face Meshing 映射可得到方向一致，分布均匀的高质量网格。但如果因为某些原因不能进行映射面网格划分，网格划分仍将继续，但可从树状略图的图标上看出。右键单击Mesh，可以通过Show高亮显示进行Face Meshing的可映射几何面。如下图所示，其中高亮面为可映射面，其网格划分明显比其他面生成的网格更加规则。

6. Match Control 匹配控制

Match Control常用于对具有阵列性、周期性拓扑形状的网格结构进行划分控制，如旋转机械、涡轮等结构。定义此类划分应在High Geometry Selection和Low Geometry Selection中指定模型的周期性边界，同时定义旋转的圆柱坐标系。

旋转周期需要指定两个周期面，同时指定旋转轴。通常需要创建圆柱坐标系。

（1）创建圆柱坐标系

（2）创建Match并生成网格

7. Pinch 收缩控制

Pich在划分网格时将自动去除模型上面的微小特征，如小孔、细缝等。该控制方法仅对点和线起作用，对面和体不起作用。指定了Pinch控制后，满足准则的小特征将被“挤”掉，Pinch Tolerance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）。需要注意，该方法不支持笛卡儿法网格划分。

以下网格方法支持收缩特性：

（1）Patch Conforming 四面体

（2）薄实体扫掠

（3）六面体控制划分

（4）四边形控制表面网格划分

（5）所有三角形表面划分

8. Inflation 膨胀

Inflation被称为膨胀控制，当分析项目中关注边界位置处的结果时，尤其是对于流体分析中模拟不同边界层之间的作用关系时，需要在边界位置进行网格的细化，保证在边界位置生成细化的高质量网格，可以采用Inflation进行参数控制。

Inflation设置有三种选择，分别为Total Thickness、First Layer Thickness以及Smooth Transition，通过设置边界位置膨胀的层数、厚度或者过渡等级实现较高质量网格的划分。

①Geometry：作用的几何体，上图中选择了整个几何体；

②Boundary：边界层所在的面（CFD 中就是流体场中对应的管壁，即物理参量变化很大的界面），上图中选择了整个几何体的内表面，如红色部分所示；

③Inflation Option-膨胀选项：

（a）Smooth Transition：平滑过渡（默认），使用局部四面体单元尺寸计算每个局部的初始高度和总高度以达到平滑的体积变化比。每个膨胀的三角形都有一个关于面积计算的初始高度，在节点处平均。这意味着对一均匀网格，初始高度大致相同，而对变化网格初始高度也是不同的；

（b）总厚度，用Number of Layers 的值和Growth Rate 控制以获得 Maximum Thickness 值控制的总厚度。不同于 Smooth Transition 选项的膨胀，Total Thickness 选项的膨胀其第一膨胀层和下列每一层的厚度是常量；

（c）第一层厚度，用 First Layer Height，Maximum Layers 和 Growth Rate 控制生成膨胀网格。不同于 Smooth Transition 选项的膨胀，First Layer Thickness 选项的膨胀其第一膨胀层和下列每一层的厚度是常量。

④Transition Ratio：过渡比，指膨胀层最后单元层和四面体区域第一单元层间的体尺寸改变。当求解器设置为 CFX 时，默认的 Transition Ratio 是 0.77。对其它物理选项，如设置为Fluent 的 CFD，默认值是 0.272。（因为 Fluent 求解器是单元为中心的，其网格单元等于求解器单元，而 CFX 求解器是顶点为中心的，求解器单元是双重节点网格构造的，因此会发生不同的处理）

⑤Maximum Layers：边界层的层数；

⑥Growth Rate：指后一层比前一层厚几倍，如设置成 1 则每一层的厚度都是一样的。

⑦Inflation Algorithm：膨胀算法：

Pre：前处理，采用 TGrid 算法，为默认设置。首先表面网格膨胀，然后生成体网格。不支持邻近面设置不同的层数，可应用于扫掠和 2D 网格划分。

Post：后处理，ICEM CFD 算法，使用一种在四面体网格生成后作用的后处理技术，只对 Patching Conforming 和 Patch Independent 四面体网格有效。

上面解释在 ANSYS Workbench 全局网格控制 一文中有详细介绍。

9.Gasket 垫圈

垫片作为结构部件之间的密封部件，通常非常薄，垫片可以是钢这样的弹塑性材料，也可以是橡胶这样的超弹性材料，也可以是其他复合材料，在软件中，垫片被假设为率不相关的。从力学的角度来看，垫片的作用是在配合部件之间传递力。垫片材料通常处于压缩状态。受压材料表现出高度非线性。垫片材料也表现出相当复杂的卸载行为。垫片的主要变形通常局限于一个方向，即厚度方向。膜（平面内）和横向剪切的刚度要小得多，并且可以忽略不计。

垫片可以通过以下两种方式之一定义：

① 通过将“刚度行为”设置为“垫片”。在这种情况下，将在模型树中添加垫片网格控件作为垫片主体的子对象。需要在“垫片网格控制”中定义垫片的源面，以定义垫片材料方向。还必须在“工程数据”中指定具有有效垫圈模型的材料。

② 通过将“刚度行为”设置为“柔性”。在这种情况下，需要在网格文件夹中定义垫片网格控件。网格文件夹中的垫圈网格控件可以应用于多个实体，因此如果有多个垫圈实体，此选项可能是设置垫圈的更方便的方法。还必须在“工程数据”中指定具有有效垫圈模型的材料。

Gasket具体使用下面视频：

10.Weld 焊接

焊接控制允许您在焊接面（帐篷面和延伸面）、帐篷面和扩展面之间以及沿着帐篷面和延长面共享的边焊接在一起的面上生成四元元素层。当选择“源为网格”（Source as Mesh）并使用“曲线”（Curves）、“曲线和实体”（Curve and Bodies）或“曲线和面”（Curies and Faces）等选项创建时，将使用定义的“焊接曲线”（Weld Curve）在网格期间创建帐篷面和延伸面。这些面与在啮合期间创建的焊接体相关联。焊接主体在“几何体”树对象下可用。焊接主体名称与焊接控件的名称相同。每个焊接曲线将创建一个焊接体。

Type：允许您选择焊接控制的类型。可用类型包括：

Intermittent Seam：连续接缝

Intermittent Seam：间歇接缝，可以进行不连续焊接

接下来是网格编辑功能，这些功能对提高网格划分质量及网格编辑提供了方便快捷的途径，虽然相比ANSA、HyperMesh等专业的网格划分工具，其功能稍逊色一些，但是完全能够满足使用者对划分完的网格进行设置及调整，以达到提高网格质量的目的。

这里汇总了一些网上的一些教程和视频感兴趣的自行观看学习

浅谈ANSYS Workbench平台中Mesh Editing的方法

https://www.jishulink.com/content/post/433702

Ansys 2021R2结构网格编辑新功能介绍

https://mp.weixin.qq.com/s/-xbpshsiRaLZRnDOtYA2QA

END

致谢：参考的书本及网站比较多，例如公众号：安世亚太，CAE中学生等；论坛：技术邻等；书本：Ansys Workbench 有限元分析实例详解（周炬）等；官方帮助文档等。就不一一列出了，反正对这些作者表示感谢！

——祝收敛！