第二章

ANSYS网格划分简介

2-1

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual概述

• ANSYS Meshing 简介

不同物理对象的网格要求• 不同物理对象的网格要求

• ANSYS 网格划分流程

3D 和 2D 几何网格划分方法• 3D 和 2D 几何网格划分方法

• 作业2.1多体部件的自动网格划分– 多体部件的自动网格划分

– 程序化控制膨胀

– CFX 或 FLUENT的网格转换CFX 或 FLUENT的网格转换

2-2

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualWorkbench 向导原则

• 参数化: 参数驱动系统• 参数化: 参数驱动系统

• 稳定性: 模型通过系统参数进行更新

• 高度自动化: 仅需要有限的输入信息即可完成基本的分析类• 高度自动化: 仅需要有限的输入信息即可完成基本的分析类型

• 灵活性: 能够对结果网格添加控制和影响 (完全控制建模/分• 灵活性: 能够对结果网格添加控制和影响 (完全控制建模/分析)

• 物理相关: 根据物理环境的不同，系统自动建模和分析的物物理相关: 根据物理环境的不同，系统自动建模和分析的物理系统

• 自适应结构: 适应用户程序的开放系统自适应结构 适应用户程序的开放系统– CAD neutral, meshing neutral, solver neutral, 等.

2-3

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual什么是 “ANSYS 网格划分应用程序”?

• ANSYS 集成了行业内最好的源程序:• ANSYS 集成了行业内最好的源程序:– ICEM CFD – TGrid– GAMBIT– CFX– ANSYS Prep/Post– 等

2-4

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualANSYS网格划分应用程序概述

• Workbench中ANSYS Meshing应用程序的目标是提供通用的g网格划分格局。网格划分工具可以在任何分析类型中使用:

FEA Simulations–FEA Simulations• 结构动力学分析• 显示动力学分析

AUTODYN– AUTODYN– ANSYS LS DYNA

• 电磁分析

分析–CFD 分析• ANSYS CFX• ANSYS FLUENT

2-5

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格详述

目的– 对 CFD (流体) 和FEA (结构) 模型实现离散化。

– 划分网格的目的是把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元.– 3D网格的基本形状有 :

四面体 六面体 棱柱 (四面体网格被拉伸棱锥 (四面体和六面体四面体(非结构化网格)

六面体(通常为结构化网格)

棱柱 (四面体网格被拉伸时形成)

棱锥 (四面体和六面体之间的过渡)

2-6

集流管例子 : 热应力气流分析的外部铸件和内部流体的网格划分

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格详述

需考虑的事项

• 细节: – 多少几何细节是和物理分析有关的

– 不必要的细节会大大增加分析需求

有必要划分这里

• 细化– 哪些是复杂应力梯度区域？这些区域需要高密度的网格

有必要划分这里的网格吗？

域需要高密度的网格.

流体边界层的网格在螺栓孔附近进行网格细化

2-7

格细化

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格详述

• 效率

大量的单元需要更多的计算资源 (内存 / 运行时间) 要在分析精度和资源使用方面– 大量的单元需要更多的计算资源 (内存 / 运行时间)。要在分析精度和资源使用方面进行平衡。

2-8

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格详述

• 质量– 复杂几何区域的网格单元会变扭曲。劣质的单元会导致劣质的结果，或者在某些情况无复杂几何区域的网格单元会变扭曲。劣质的单元会导致劣质的结果，或者在某些情况无

结果!

– 有很多方法来检查单元网格质量 (mesh metrics*)。例如 ，一个重要的度量是单元畸变度( )（ Skewness ）。畸变度是单元相对其理想形状的相对扭曲的度量，是一个值在0 (极好的) 到1 (无法接受的)之间的比例因子.

0 0 25 0 25 0 50 0 50 0 80 0 80 0 95 0 95 0 98 0 98 1 000-0.25 0.25-0.50 0.50-0.80 0.80-0.95 0.95-0.98 0.98-1.00

Excellent very good good acceptable bad Unacceptable

2-9

*更多检查网格的信息在培训讲稿的附录文件中。

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格详述

优质和劣质网格区别的例子:

这个例子列举了一个集流管固体铸件中不收敛的热场。很明显劣质单元区域的分析不可能得到切合实际的数据场。

优质单元例子的求解场证明没有问题。

2-10

ANSYS 网格应用程序提供了提高网格质量的工具。

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualFEA 网格划分问题

• 结构网格– 细化网格来捕捉关心部位的梯度

• 例如. 温度, 应变能, 应力能, 位移, 等

– 大部分可划分为四面体网格, 但六面体大部分可划分为四面体网格, 但六面体单元仍然是首选的

– 有些显示有限元求解器需要六面体网格格

– 结构网格的四面体单元通常是二阶的(单元边上包含中节点)( )

2-11

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualCFD网格划分问题

• CFD网格– 细化网格来捕捉关心的梯度细化网格来捕捉关心的梯度

• 例如. 速度, 压力,温度, 等.– 网格的质量和平滑度对结果的精确度至关重要

致较大的 格数 常数 的单• 这导致较大的网格数量, 经常数百万的单元

– 大部分可划分为四面体网格, 但六面体单元仍然是首选的

– CFD网格的四面体单元通常是一阶的(单元边上不包含中节点)

2-12

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

四面体网格和四面体/棱柱混合网格• 四面体网格和四面体/棱柱混合网格

2-13

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

• 六面体网格

2-14

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

• 四面体网格1) 可以快速地、自动地生成，并适合于复杂几何

网格可以由2步生成:网格可以由2步生成:

步骤 1: 定义网格尺寸

步骤 2: 生成网格步骤 2: 生成网格

2-15

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

• 四面体网格2) 等向细化 – 为捕捉一个方向的梯度，网格在所有的三个方向细化– 网格数量

迅速上升

穿孔平板x向应力集中

2-16

x

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

• 四面体网格3) 边界层有助于面法向网格的细化, 但2-D中仍是等向的 (表面网格)

2-17

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

• 六面体网格六面体网格– 大多 CFD 程序中，使用六面体网格可以使用较少的单元数量

来进行求解求解

流体分析中 同样的求解精度 六面体节点数少于四面体网格的• 流体分析中，同样的求解精度，六面体节点数少于四面体网格的一半。

四面体 六面体

2-18

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

• 六面体网格

– 大多 CFD 程序中，使用六面体网格可以使用较少的单元数量来进行求解求解

• 各向异性单元和各向异性物理相匹配(边界层 高曲率区域如同• 各向异性单元和各向异性物理相匹配(边界层,高曲率区域如同导行翼和曳尾边)

2-19

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格类型

• 六面体网格– 对任意几何，六面体网格划分需要多步过程来产生高质高效的网格

– 对许多简单几何，扫掠技术是生成六面体网格的一种简单方式

• 扫掠

• 多区

2-20

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualANSYS网格划分应用程序流程

• ANSYS网格划分应用程序使用‘分割’ 的方法

• 几何体的各个部件可以使用不同的网格划分方法–不同部件的体的网格可以不匹配或不一致

单个部件的体的 格 或 致–单个部件的体的网格匹配或一致

• 所有网格将写入共同的中心数据库

3D 和2D 几何存在很多不同的网格划分方法• 3D 和2D 几何存在很多不同的网格划分方法

2-21

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual3D 几何网格划分方法

• 3D 几何有六种不同网格划分方法:

–自动划分

四面体–四面体

• Patch Conforming• Patch IndependentPatch Independent

– (ICEM CFD Tetra algorithm)– 扫掠划分

– 多区

– 六面体支配的

CFX 网格– CFX-网格

2-22

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual2D几何网格划分方法

• 面体或壳2D几何有四种不同网格划分方法:

– 自动的(四边形支配)(四边形支配)

– 三角形

– 均匀四边形和三角形

– 均匀四边形

2-23

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualPatch Conforming 四面体

• Patch Conforming 算法的四面体方法

考虑面和它们的边界 (边和顶点)– 考虑面和它们的边界 (边和顶点) – 包含膨胀因子的设定, 控制四面体边界尺寸的内部增长率

– 包括CFD的膨胀层或边界层识别

– 同一个组建中可和体扫掠方法混合使用 –产生一致的网格

单元形状

四面体网格

棱柱棱锥

扫掠网格四面

2-24

扫掠网格四面体

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualPatch Independent四面体

• Patch Independent (ICEM CFD Tetra)算法的四面体方法

如没有载荷 边界条件或其它作用 面和它们的边界 (边和顶点) 不必考虑– 如没有载荷,边界条件或其它作用，面和它们的边界 (边和顶点) 不必考虑

– 适用于粗糙的网格或生成更均匀尺寸的网格

– ANSYS Meshing Application可以非常方便的生成四面体网格

ANSYS M hi A li ti 标准的网格尺寸控制– ANSYS Meshing Application 标准的网格尺寸控制

– Tetra 部分也有膨胀应用

粗糙网格，忽略表面模型细节处

单元形状

棱柱棱锥

四面

2-25

CFD膨胀层应用四面体

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualSweep 法

• 生成六面体或棱柱 体分成2部分来扫掠划分网格

• 体必须是可扫掠的

• 一个源面，一个目标面

• 膨胀层可生成纯六面体或棱柱网格

挤压件可用扫掠网格划分

体分成2部分来扫掠划分网格

• 膨胀层可生成纯六面体或棱柱网格

单元形状

棱柱

允许C 膨胀层(边界层识别)

棱柱

2-26

允许CFD膨胀层(边界层识别) 六面体

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual薄实体的扫掠网格划分

• 多个源面/目标面

• 体操作的其它方法• 体操作的其它方法

• 部件厚度方向划分为多个单元

2-27

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual自动划分法

• 自动设置四面体或扫掠网格划分, 取决于体是否可扫掠。 同一部件的体具有一致的网格单元。的体具有 致的网格单元

四面体 (Patch Conforming)扫掠 四面体 (Patch Conforming)

2-28

无膨胀 程序化控制膨胀

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual膨胀

• 典型的CFD中，膨胀是由边界法向的挤压面边界网格转化来实现的

• 从膨胀层到内部网格的平滑过渡

• 避免冲突: St i t i– Stair-stepping

– Layer compression• 膨胀预览

• 膨胀的前处理与后处理

• 所有的方法可以应用到膨胀中除了六面

体主导控制的薄壁结构的扫掠

• 扫掠:– 纯六面体或楔形– 纯六面体或楔形

2-29

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual多区扫掠网格划分

• 12.0版本的新特征

自动几何分解• 自动几何分解

– 用扫掠方法，这个元件要被切成3个体来得到纯六面体网格

用多区划分，可立即对其用多区划分，可立即对其网格划分!

2-30

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual六面体主导方法

• 六面体主导网格法则先生成四边形主导的面网格，然后再得到六面体，再按需要填充棱锥和四面体单元填充棱锥和四面体单元.

– 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– 对体积和表面积比小的薄复杂体无用

– 对于CFD无边界层识别

• 主要对FEA 分析有用

单元形状

棱柱棱锥

六面四面

以上显示的六面体控制网格:19,615 六面体 (60%)

四面体( %)

2-31

六面体

四面体

5,108 四面体(16%)211 棱柱 (1%)

7,671 棱锥 (24%)

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training ManualCFX-网格划分方法

• CFX网格使用自由综合– 不考虑网格尺寸 并转换– 不考虑网格尺寸，并转换

到 CFX-Mesh网格划分界面

– 在 Edit…中Method上点击

Generate Volume Mesh

鼠标右键激活CFX-Mesh 图形用户界面

– 定义网格设置/控制/边界层层

– 预览 & 生成体网格

– 提交网格模型

– 回到ANSYS Meshing界面面

– 也有可能不打开CFX网格

划分界面，而直接生成网格

• 使用默认设置

2-32

膨胀层

作业 2.1

三通管网格划分

2-33

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual目标

• 这个作业举例说明体元件中自动网格划分方法的使用格划分方法的使用

• 示范网格传入FLUENT和CFX

2-34

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual定义几何

1. 从指南文件夹将 pt.agdb 文件复制进

你的工作目录

2. 启动Workbench双击工具箱

C t S t 面板的M h项Component Systems面板的Mesh项

3. 右击项目示图区中Mesh项中

Geometry 并选择 ImportGeometry 并选择 Import Geometry/Browse

4. 浏览复制的pt.agdb文件并点击Open4. 浏览复制的pt.agdb文件并点击Open

5. 注意这时Geometry有一个绿色对号

标记，暗示几何已经被指定

2-35

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual初始网格

6. 双击示图区Mesh或右击并选择Edit，将打开网格

划分应用程序划分应用程序。

7. 在网格选项面板将 Physics Preference 设置为

CFD, Mesh Method设置为 Automatic，并点击CFD, Mesh Method设置为 Automatic，并点击

OK

8. 右击 Mesh 并选择 Generate Mesh

9. 使用视图操作工具和三个坐标轴来检查网格

基于物理选择 (CFD), 网格划分应用程序利用最小的用户输入，自动选择优化的网格方法获得合适曲率合理尺寸的网格 . 有很多控制和改进网格的方法. 现在将示范更多的网格控制方法.

2-36

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual命名选项

10.将the Selection Filter 设置为Faces 并选择如图所示的其中 个管端面

velocity-inlet-1velocity-inlet-2

并选择如图所示的其中一个管端面. 在模型视图中点击鼠标右键并选择

Create Named Selection. 在Selection Name对话框中输入

velocity-inlet-1。

11 对管的另 端面重复以上操作 使11.对管的另一端面重复以上操作，使

用如图所示的名字。

12.展开Named Selections，刚才创建 pressure-outlet展开 刚才创建

的Named Selections在Outline 中列出. 这里指配的名字将传输到

CFD 求解器 所以适当的流动初

pressure outlet

CFD 求解器，所以适当的流动初

始条件可以施加到这些表面。

2-37

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual膨胀

13.选择 Outline中Mesh 并展开 Inflation 的细节

14.设置 Use Automatic Tet Inflation为 Program gControlled, 保留其它的设置

15.右击 Mesh 并选择 Generate Mesh。膨胀层由所

有没指配N d S l ti 的边界形成 膨胀层有没指配Named Selection的边界形成。膨胀层

厚度是表面网格的函数，是自动施加的。

2-38

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual截面位面

16.点击 axis triad (+X 向)给模型定

向。 在创建Section Plane后Section Plane指针工具仍然是激活的. 在视点左击并拖动使Section Plane 沿

17.点击菜单条中New Section Plane 图标。左击，按住并沿图

示箭头方向拖动指针创建Section

然是激活 在视点 并拖动使 沿轴滑动.

点击Plane工具的任一边在每边分别切开网格. 在某边点击两次将改变视图进入平面切面.

示箭头方向拖动指针创建Section Plane。

18.列出了创建的Section Planes (左

位置定下来后, 选择一个视图操作工具

(下方)。 在3D单元视图和2D切面

视图之间，使用检验栏。可以被

单独激活 删除和触发 (需要旋单独激活，删除和触发 (需要旋

转模型来看横截面) 。

2-39

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual网格统计学

19.如果展开Mesh下的Statistics 项, 将列出网格中的节点和单元数列出网格中的节点和单元数

20.在Mesh Metric下选择Skewness，注意报告的网格质量。注意报告的网格质量。

2-40

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual传递网格进入CFD

21. 网格形成后，可以被传递进一个新CFD 分析析

22. 在Workbench 主窗口, 右击项目示图区中

创建的中网格模块中的Mesh 项，看到可以创建的中网格模块中的Mesh 项，看到可以

传输网格进入 一个新 FLUENT 或 CFX 分析 (Transfer Data To New >)。 选择

FLUENT或CFXFLUENT或CFX

23. 注意Mesh项此时有个更新符号，右击Mesh并选择Update。 将把数据传递进入新并选择 p 将把数据传递进 新

FLUENT/CFX 模块.

2-41

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual具有Workbench 网格的Fluent

24. 如果选择了

FLUENT 双击FLUENT，双击

Setup 并接受

FLUENT 发射台的

默认设置

25. FLUENT 将开始网

格加载格加载

26. 从 Workbench 的File 菜单保存项目菜单保存项目

2-42

Introduction to the ANSYS Meshing Application

Training Manual具有Workbench 网格的CFX

27. 如果选择了CFX双击 S t CFX 前击 Setup, CFX 前处理将启动网格加

载

28. 从 Workbench 的File 菜单保存项目

2-43