Abaqus/CAE网格划分详解：从基础概念到高级应用

Abaqus/CAE网格划分详解：从基础概念到高级应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_73816777/article/details/144187651

Abaqus/CAE中的网格划分是有限元分析的重要环节，直接影响到分析结果的准确性和计算效率。本文将详细介绍网格划分的基本概念、功能模块、技术方法以及质量控制等内容，帮助用户更好地掌握Abaqus软件的网格划分功能。

1. 什么是网格？

• 物理部件模型的几何近似。
• 包含许多几何上简单的节点和单元的离散几何体。
• 对于有限元程序进行模拟是必要的。
• 通过作为装配件特征的属性定义。
• 如果用户修改部件或装配件的特征，在网格划分模块定义的特征将被重新生成。

2. 网格划分模块的一般功能

• 允许用户使用不同的自动化程度为装配件划分网格，并且控制网格的划分状况，以适应分析的需要。
• 分配网格属性，并设置网格控制：
• 分网技术
• 单元形状
• 单元类型
• 网格密度
• 生成网格
• 为以下内容查询并确认网格状况：
• 节点和单元的数量
• 单元类型
• 单元质量

3. 独立和非独立的部件实例

部件实例的概念

• 一个部件实例是装配体中部件的一个代表
• 一个部件实例不仅能够独立于原部件，也可以与原部件相关。
• 独立的部件实例可以在装配中分块。
• 多个独立的部件实例可以根据需要独立的剖分 (划分网格,加载荷等等)
• 每个部件实例必须独立的划分网格
• 相关实例不能够在装配中剖分。
• 所有的相关实例都共有一个相同的原始部件
• 因此，只有原始的部件需要划分网格
• 它的所有的相关实例都继承了它的网格
• 任何部件的剖分必须在原始部件中进行.

杂项说明

• 无论是独立还是非独立部件:
• 都能创建不同属性的(载荷，边界等) 和几何/表面.
• 任何实例必须是独立或者非独立实例中的一种.
• 一个部件不可能是两者的混合体.
• 所有孤立网格实例必须是独立的

在创建实例的时候选择生成实例的类型

在下列情况下是不允许生成独立实例的:

• 部件已经被划分了网格
• 非独立的实例已经存在
• 部件是一个独立网格实例

在下列情况下是不允许生成非独立实例的:

• 独立的实例已经存在

能够非常容易的在独立和非独立实例之间转换

在mesh模块中显示部件和装配

• 通过状态栏模型树来切换.
• 所有的Mesh模块功能够对所有部件生效

4. 网格生成技术

自由分网技术

• 自由分网技术不使用预建的网格模式，所以该项技术在创建网格之前不能预见自由网格的模式。
• 对于二维区域使用自由分网技术可用的单元形状包括：
• 四边形（默认） 可以应用到任意平面和曲面。
• 以四边形为主 允许存在三角形单元作为过渡。
• 三角形 可以应用到任意平面和曲面。
• 对于三维区域使用自由分网技术可用的单元形状包括：
• 四面体—如果网格种子不是太粗糙，利用四面体单元可以为任意形状的几何体划分单元。

扫略网格

• 网格在区域的一个表面被创建，该表面被称为源面。
• 网格中的节点沿着连接面，一次拷贝一个单元层，直到达到目标面。
• Abaqus自动选择源和目标面。

二维扫略网格

• 扫略区域全部是四边形网格
• 平面或曲面
• 退化旋转区域的四边形为主的网格
• （退化的区域包含旋转轴）

扫略网格(cont’d)

• 扫略区域能够划分成：
• 六面体网格
• 六面体为主网格
• 楔形网格
• 广义扫略路线

可以用扫略网格来划分的区域需要满足：

• 拓扑
• 源面可以由多个面组成
• 目标面只能由一个面组成
• 连接面可以由多个面组成
• 可以使面成为矩形网格

可以用扫略网格来划分的区域需要满足：

• 几何
• 在源面中，相邻面之间的二面角不能和180°相差太远。

结构化的分网技术

• 结构化的网格划分技术使用简单的、预定义的网格拓扑关系划分网格。
• Abaqus将规则形状区域的网格，比如正方形或立方体，变换到需要进行网格划分的几何体。
• 结构化的网格划分通常给出了对网格的最大的控制。

映射网格

• 结构化网格的特殊例子
• 四表面区域
• 能够提高精度
• 能够用于
• 用波前法扫略划分的六边形或者六边形为主网格
• 用波前法扫略划分自由四边形和四边形为主单元
• 自由四面体或者三角形网格

5. 映射网格例子

虚拟拓扑

• 在某些情况下，装配件的部件实例可能包含一些小的细节，比如表面和边。
• 虚拟拓扑可以忽略这些不重要的细节。

如果部件实例中包含虚拟拓扑，那么它只能使用以下单元通过自由网格技术划分网格：

• 自由网格
• 三角形和四面体单元
• 用波前法划分的四边形为四边形为主单元网格
• 扫略网格
• 六面体或者楔形单元
• 映射网格
• 四边形, 三角形, 或者六面体单元

例子: 虚拟拓扑 + 扫略网格

自动虚拟拓扑

• 基于用户提供的几何参数自动地创建虚拟拓扑

6. 使用不同的分网技术

“哪些区域可以进行网格划分？”

• 基于每个区域的几何体和网格控制信息，Abaqus/CAE自动确定可以进行网格划分的区域。
• 区域的不同颜色表明了它们当前被分配的网格划分技术：
• 如果把单元形状从六面体改为四面体，将把不能划分网格的区域变为可以进行网格划分的区域。

通过分区使区域可以进行网格划分

• 如果需要用六面体网格划分三维部件实例，几乎所有的部件实例都需要进行分区。
• 复杂的几何体经常可以被分区为简单的、可以进行网格划分的区域。
• 分区可以用于：
• 改变和简化拓扑关系，使得区域可以使用结构化的或扫略的网格划分技术中的基本的六面体单元划分网格。
• 通过分区，利用六面体单元为活塞、活塞销和连杆装配件进行网格划分。

7. 自下至上六面体网格划分

作为预先讨论，Abaqus提供了一套强大的“自上而下”的六面体网格划分工具

• 分割实体成为可以应用扫略（黄）或结构（绿）网格划分技术的简单体
• 所有可划分网格的体在一个分析步中自动填充

自下至上六面体网格划分对自上而下技术不能完全解决的任务很有效

• 允许先前不能划分网格的体在多分析步中逐渐增加填充
• 可以在填充简单体内部之前，先选择划分某些边界面

两种方法是互补的，而且共同使用

• 在接下来的例子中，部件被分割成为大部分可以用自上而下技术划分为六面体网格的几何体，留下六个需要使用自下而上技术划分网格的体。

自下至上六面体网格划分应该被认为是最新的工具

• 使用这种技术划分六面体网格需要的时间和精力要高于自上而下的方式
• 自下至上网格划分在这不进一步讨论
• 在“Abaqus/CAE: Geometry Import andMeshing”专题中有更深入的讨论

8. 网格兼容性

• 同一部件实例的不同区域可以使用不同类型的单元类型进行网格划分，比如四面体和六面体。
• 在区域之间自动创建捆绑约束，以保持区域的连接。
• 允许在接触表面附近，或者在精度要求较高的高梯度区域使用六面体，在其它区域使用四面体。
• 当区域进行网格划分之后，附近区域的已有网格将不受影响。
• 目前，还不可以在部件实例之间自动得到兼容的网格。
• 如果要求两个或多个体之间的网格兼容性，首先应该尝试包含所有体的单个部件。
• 在装配件模块，多个部件实例可以被合并为一个部件实例。
• 利用分区，不同的材料区域可以被分离。
• 如果两个对象必须以分开的部件建模，应该考虑使用捆绑约束将两个区域粘在一起，使得它们之间不存在网格兼容性的问题。
• 捆绑约束不是真正的协调，解的局部精度将会受到影响。

合并实例网格成一个一致的独立网格

• 网格拓扑和节点位置必须一致.
• 创建独立网格取代实例
• 可以对任何独立/非独立/自然/独立实例的组合使用该功能

例子

• 步骤1: 连接约束(labor intensive in thiscase)
• 步骤2: 合并网格

9. 控制网格密度和梯度

网格种子

• 网格种子是用户定义的标记。它反应了沿着区域边缘的，期望的或目标的网格密度。

• 使用波前算法的三角形、四面体网格和四边形网格的节点与种子精确的匹配。
• 对于使用中轴算法的六面体或四边形网格， Abaqus为了成功的进行网格划分，必须调整单元的分布。
• 用户可以通过在边上约束种子防止调整。
• 用户可以为部件实例设置典型的总体单元长度。
• 基于典型单元长度，Abaqus/CAE在所有相关的边上自动创建网格种子。
• 由分区创建的新边自动继承总体网格种子。
• 用户可以在选定的边上覆盖全局网格种子，并分配局部网格种子。
• 边的网格种子可以一致或偏置。
• 对于可以用扫略方法可以进行网格划分的区域，边的网格种子从选定的边到匹配边自动传播。
• 全局种子（黑色）和局部种子（红紫色）

分区为不同的网格区域

• 分区创建了附加的边，它们可以对局部的网格密度施加更多的控制。
• 每个网格区域可以施加不同的网格控制。

10. 参数化建模

• 网格划分模块一个非常有用的特征为：在部件被修改之后，分区和网格属性可以被重新生成，比如单元类型、种子和分网控制。
• 在修改模型之后，必须重新生成网格。
• 比如，右边的模型已经被分区为四个区域，并且指定的近似单元尺寸为3。

• 回到部件模块并修改孔的直径，将孔的
• 直径变大。再次回到网格划分模块后，
• 分区和种子被重新生成，如右图所示。
• 另外，Mesh Controls和Element Type
• 对话框（比如单元形状、单元类型和分网
• 技术）的设置也重新生成。（用户可以通过
• 从主菜单选择Mesh ®Controls 和Mesh®
• Element Type 显示这两个对话框。）
• 如果对部件的修改非常大（比如，删除了图中的孔，而不是修改孔的直径），种子和分区将不能重新生成。在这些情况下，回到网格划分模块之后需要重新创建新的种子和分区。

11. 分配单元类型

• 可用的单元类型取决于模型的几何体。
• 在创建网格之前或之后，都可以分配单元类型。
• 可以为模型的不同区域分配不同的单元类型。
• 载荷和边界条件等是基于几何体的，而不是基于网格。所以对模型进行参数化研究，比如改变网格密度或单元类型将变得非常容易。

12. 检查网格质量

网格统计信息

• Abaqus/CAE可以生成图形，高亮显示超过指定限制条件的单元。限制条件包括形状比、最大和最小角度和形状因子等。
• 在消息域将显示如下的信息：
• 单元的总数
• 扭曲单元的数量
• 平均扭曲
• 最差扭曲

尺寸统计信息

• 常规的
• 检查短/长边
• Abaqus/Explicit分析:
• 近似的单元稳定时间增量
• 需要赋予材料和截面属性
• 支持弹性、超弹性和泡沫材料行为
• 声学分析:
• 检查对于模型或Abaqus/Standard稳态分析不合适的单元

网格分析检测

• 在分析过程中产生错误或警告信息的单元将被以高亮的方式显示。
• 在大多数情况下，单元形状就很明显的指出为什么输入文件处理器会给出错误或警告信息。
• 如果必要，可以在作业模块提交数据检查分析，并察看Abaqus 在数据文件中显示的信息。

13. 质量和网格查询

质量查询

• 质量、面积、体积、质心和转动惯量
• 支持实体、壳、点以及非结构质量单元
• 在CLI窗口显示结果

网格统计

• 提供了部件实例名字、每种形状单元的个数和节点个数等信息
• 提供了单元类型和分配给区域的网格划分技术信息