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1、土木工程数值模拟技术与应用 日程安排n第1讲：数值模拟技术概述与ANSYSn第2讲：数值模型构建技术 n第3讲：数值模型网格划分技术 n第4讲：数值模型边界条件与求解技术 n第5讲：结构非线性分析与单元生死n第6讲：ANSYS在土木工程中的应用第第3 3讲：数值模型网格划分技术讲：数值模型网格划分技术n3.1 3.1 如何对实体模型进行网格划分n生成节点和单元的网格划分过程包括三个步骤：n定义单元属性n定义网格生成控制（可选择的）。n生成网格。n(第二步定义网格生成控制不是必须的，因为缺省的网格生成控制对多数模型生成都是合适的。如果没有指定网格生成控制，程序会在DESIZE命令使用缺省设置生成
2、自由网格。可用Smartsize项替代产生质量更好的自由网格)自由网格还是映射网格？n确定采用自由网格还是映射网格进行分析是十分重要的。自由网格对于单元形状无限制，并且没有特定的准则。n与自由网格相比，映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。n映射面网格只包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。而且，映射网格典型具有规则形状，明显成排的单元。如果想要这种网格类型，必须将模型生成具有一系列相当规则的体或面才能接受映射网格划分。3.2 3.2 定义单元属性n在生成节点和单元网格之前，必须定义合适的单元属性。即必须设定：n单元类型（如：BEAM3，SHELL61等）。n
3、定义实常数（给定诸如厚度或截面积等单元的几何特性）。n定义材料特性（如杨氏模量、热传导率等）。n单元坐标系n截面号n n(参考第一讲)3.33.3在划分网格之前分配单元属性n直接给实体模型图元分配属性3.4 3.4 网格划分控制nANSYS程序使用的缺省网格控制也许可以使用户的分析模型生成足够的网格。在此种情况下，不必指定任何网格划分控制。可是，如果使用网格划分控制，则必须在对模型划分网格前设定网格划分控制。n网格划分控制能建立用在实体模型划分网格的因素，如单元形状、中间节点位置、单元大小等。此步骤是整个分析中最重要的因素之一，因为此阶段对模型生成的决定将对分析的准确性和经济性有决定性的影响。
4、ANSYSANSYS网格划分工具nANSYS网格划分工具n（MainmenuPreprocessorMeshToolMainmenuPreprocessorMeshTool）n提供了最常用的网格划分控制和最常用的网格划分操作。网格划分工具是一个交互的“工具箱”n通过网格划分工具可得的功能包括：控制SmartSizing水平设置单元尺寸控制指定单元形状指定网格划分类型（自由或映射）对实体模型图元划分网格清除网格细化网格n为提高效率，网格划分工具（本章中前面叙述的）是推荐的指定单元形状的方法。可以通过下列GUI途经打开网格划分工具：nMain MenuPreprocessor MeshToolMa
5、in MenuPreprocessor MeshTool。n利用网格划分工具，只在让ANSYS对模型划分想要的单元形状上拾取即可。从网格划分工具中，也可拾取想让ANSYS所用的网格划分的类型（自由或映射）n改变网格划分的另一途径是改变缺省的SmartSize 的级别SMRTSIZESMRTSIZE并重新进行网格划分3.4.1 3.4.1 自由网格划分自由网格划分A自由网格划分中单元的智能单元尺寸n智能的单元尺寸在自动网格生成过程中对生成合理的单元形状提供了机会。n在自由网格划分中推荐使用Smartsizing。为打开Smartsizing,只要在SMRTSIZESMRTSIZE命令中指定单元尺
6、寸级别即可nSmartSizing算法首先对待划分网格的面或体的所有线估算单元边长。然后对几何体中的弯曲和接近区域的线进行细化。n由于所有的线和面在网格划分开始时已指定大小，生成网格的质量将与待划分网格的面或体的顺序无关。n如果用四边形单元来给面划分网格，SmartSizing尽量给每一个面平均分配线数以使全部划分为四边形成为可能。只有在迫使所有的网格都为四边形时会生成形状很差的单元或在边界出现奇异区域时在网格中才会出现三角形单元。nSmartSizing基本的控制n利用基本控制，可以简单地指定网格划分尺寸从1（细网格）到10（粗网格）,程序会自动地设置一系列独立的控制值用来生成想要的尺寸级别
7、。利用下列方法指定单元尺寸的级别：nSmartSizing高级控制n使用高级方法，设置人工控制网格质量。n可以改变诸如小孔和小角度处的粗化选项。网格扩展和过渡因子。而且，可用ESIZE命令给SmartSizing设定初始单元尺寸。用下列方法设置高级SmartSizing控制：n自由网格分操作，对实体模型无特殊要求。任何几何模型，尽管是不规则的，也可以进行网格划分。n所用单元形状依赖于是对面还是对体进行网格划分。对面进行网格划分，自由网格可以只由四边形单元组成，或只由三角形单元组成，或两者混合。对体进行网格划分，自由网格一般限定为四面体单元。金字塔形单元作为过渡也可加入到四面体网格中。B B局部
8、网格划分控制局部网格划分控制n在许多情况下，对结构的物理性质来说用缺省单元尺寸生成的网格不合适。例如有应力集中或奇异的模型。n在这种情况下，需要深入网格划分过程。可用下列定义单元尺寸的方法来更多地进行控制：直接运用直接运用MeshtoolMeshtool3.4.2 3.4.2 映射网格划分映射网格划分n可指定程序全部用四边形面单元、三角形面单元、或全部用六面体（块）单元生成映射网格。映射网格划分要求面或体形状规则，即必须满足一定准则。n对映射网格划分，生成的单元尺寸依赖于当前DESIZE及ESIZE、KESIZE、LESIZE和AESIZE的设置n（Main Menu Preprocessor
9、-Meshing-Size Cntrls-ManualSizeoption），nSmartSizingSMRTSIZE不能用于映射网格划分。A 面映射网格划分面映射网格划分n面映射网格包括全部是四边形单元或全部是三角形单元。n面接受映射网格划分，必须满足以下条件：na、该面必须是三或四条边（有或无连接）nb、面的对边必须划分为相同数目的单元，或其划分与一个过渡形网格的划分相匹配nc、该面如有三条边，则划分的单元必须为偶数且各边单元数相等。nd、网格划分必须设置为映射网格。简化面映射网格划分简化面映射网格划分nAMAPAMAP命令提供了获得映射网格的最简捷途径。nMain Menu Prepro
10、cessor-Meshing-Mesh-Areas-Main Menu Preprocessor-Meshing-Mesh-Areas-MappedBy CornersMappedBy Cornersn使用指定的关键点作为角点并连接关键点之间的所有线。面自动地全部用四边形或全部用三角形单元进行网格划分。B 体映射网格划分n要将体全部划分为六面体单元，必须满足以下条件：A、该体的外形应为块状（有六个面），楔形或棱柱（五个面），四面体（四个面）；B、体的对边上必须划分相同的单元数，或分割符合过渡网格形式适于六面体网格划分。六面体网格的过渡网格形式在本节之后叙述。C、如果体是棱柱或四面体，三角形面上
11、的单元分割数必须是偶数。3.4.3 3.4.3 扫掠网格n利用体扫掠，可从一边界面（称为源面）网格扫掠贯穿整个体将已有未划分网格的体生成单元。如果源面网格由四边形网格组成，体将生成六面体单元。如果面由三角形网格组成，体将生成楔形单元。n在激活体扫掠之前按此步骤进行：n1、确定有多少个体需要由VSWEEPVSWEEP扫掠。2、确定体的拓扑是否能够进行扫掠，如果下列情况成立则不能进行扫掠：体包含多于一个壳；即体内有内腔的情况。体的拓扑中源面与目标面不是相对的面。（由定义，目标面必须与源面相对。）体中有一个不穿过源和目标面的孔。n3、确保已定义了合适的二维或三维单元类型ETET。例如，如果对源面进行
12、预网格划分，并想扫掠包含二次的六面体单元，应当用二次二维单元对源面划分网格。n4、确定在扫掠操作中如何控制生成单元层的数目，即沿扫掠方向生成的单元数（见指定体扫掠）。n5、选择确定体的哪一个边界面作为源面，哪一个面作为目标面。n6、有选择地对源面、目标面和侧面划分网格激活体扫掠器3.5 3.5 网格划分技巧n n3.5.13.5.1实体模型与网格化的配合实体模型与网格化的配合n n由于自由网格与对应网格的差异，故在建立实体由于自由网格与对应网格的差异，故在建立实体模型时，必须先行规划如何进行网格化。以便在模型时，必须先行规划如何进行网格化。以便在建立实体模型时，不违反其规则。建立实体模型时，不
13、违反其规则。3.5.2 网格划分合理n如何判断与如何判定分析结果的收敛性:n建立疏密不同的三至五种网格进行同一条件下的分析，比较主要结果是否稳定，选择适中密度的网格做为最终结果分析用网格。同时注意比较时不能以存在应力集中点处的结果进行对比。n一般网格大小以代表结构力学特征的尺寸大小为宜n不建议使用四面体单元或过密的网格划分方案。应力应力应力应力=0=0度度度度=90=90度度度度MPaMPax x x xy y y yx x x xy y y y理论解理论解理论解理论解0 0-10-1030300 0方案一方案一方案一方案一-1.5542-1.5542-5.6002-5.600227.43327.4331.97111.9711方案二方案二方案二方案二-1.2124-1.2124-7.5661-7.566129.21529.2151.31351.3135方案三方案三方案三方案三-0.0530-0.0530-9.5023-9.502330.02230.0220.054540.054543.5.3 网格检验n网格检验工作：n 一般从网格形状上进行判定，比较好的网格单元比较规整，边长相差不超过5倍，最差不能超过程序的缺省值。网格中锐角宜大于30。n对于建立好的有限元网格，可先用简单的载荷与约束进行试算，如果出现预期的结果，没有异常情况出现，一般情况下网格是可用的。