用于强度分析的有限元网格构建基础

文章来自于翻译，原文在：https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=21993

模拟是许多行业的必备工具。根据Grand View Research的数据，全球模拟软件市场预计将在2021年至2028年期间以17.1%的复合年增长率增长。这种显著的增长是由于企业使用模拟软件所获得的众多好处。这些包括降低产品开发、物理测试和有缺陷的物理原型的成本。

在计算机辅助设计应用中，有不同类型的产品分析软件。这些包括有限元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）以及其他许多。进行模拟时，有三个重要的步骤：数据预处理、解决方案和后数据处理。让我们讨论有限元建模中预处理步骤，特别是构建优质网格的重要性。

有限元网格

有限元分析（FEA）是由部件或子组件、材料属性和边界条件组成的物理系统的数学表示。在某些情况下，不能通过简单的手动计算粗略地计算产品在现实世界中的行为。FEA是一种便捷的方法，可以通过使用微分方程精确反映物理现象来表示复杂的行为。有限元分析是一种成熟和民主的方法，因此既可以被设计工程师使用，也可以被其他专家们使用。网格化是精确有限元建模中最重要的步骤之一。网格由元素组成，包含包含节点（可以根据元素类型变化的空间坐标），构建出几何形状。有限元求解器不能处理不规则形状。它更善于处理常见的形状，如立方形。网格化就是将不规则形状”转换”为更规则的形状，称为”元素”的过程。
在建模过程的开始，在创建网格之前，需要将几何图形或CAD模型加载到Ansys Mechanical中。

如何准备网格化的CAD模型或几何图形

在使用有限元建模软件，如Ansys Mechanical时，确定CAD模型的哪些元素可传递和不可传递是很重要的。通常，为制造目的创建的CAD几何图形过于复杂和详细。并非所有部件都可能在建模中需要，所以会将其移除以节省时间。例如，铭牌可以附在产品上，它并不影响产品的增值税，所以可以从模型中移除 - 这将加快网格的创建和问题的解决。

准备CAD模型的另一个重要方面是描述几何图形的两部分或多部分之间的关系。例如，如果几何特征共享节点或边，则决定它将是一个一致的网格还是一个非一致的网格非常重要。一致的网格用于通过胶或焊接连接的部件。非一致的网格用于例如通过铰链或接触连接的部件。在Ansys Mechanical中，你可以混合使用这些方法以满足你的需求。

网格类型：四面体和六面体

有两种主要的网格类型。这就是为什么我们通常将3D模型称为：

• 基于四面体元素的网格，或者称为”tet”。
• 基于六面体（六角）元素的网格，或者称为”hex”。
  与tet元素相比，从六面体或”砖”元素的网格化通常可以用更少的元素得到更准确的结果。然而，如果我们谈论的是复杂的几何形状，那么最好选择tet元素。这些默认可用的方法可能足以达到预期的结果。然而，还有额外的技术可以让你对网格有更多的控制。

混合网格

在Mechanical中，你可以使用Multizone方法。这是一种hex元素和tet元素的混合方法，允许你使用不同的方法创建几何体的不同部分。这使得可以加快几何体准备阶段，并且可以更灵活地管理元素的尺寸，无论是在局部还是在体积方面。

通过扫描方法构造的网格

使用扫描方法，网格实际上会沿着一个指南“拉动”体积和面，这有助于构建一个规则的网格。

网格化方法的选择通常取决于分析的类型（显式或隐式）或者你正在处理的物理现象，以及你想要达到的准确度级别。还有一些其他的选项，如绘制笛卡尔网格或四面体网格。它们用于特定类型的分析，如在添加性制造中。

网格控制

网格控制可以让你得到更好的网格。Ansys Mechanical提供了在局部调整网格的能力，而不是使用全局的网格大小。局部控制包括局部尺寸调整，基于元素尺寸的几何粒度，定制区域等等。

以摩托车车架为例。假设你想要根据一个通用原则对所有几何体进行网格划分。但是，在焊接和螺栓接头的地方，你想要使用不同的网格划分方法。使用局部控制可以让你在正确的地方创建一个更详细的网格，而不是将整个模型划分为更小的元素。