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第 3 章 Workbench 网格划分导言几何模型创建完毕后，需要对其进行网格划分以便生成包含节点和单元的有限元模型。网格划分在ANSYS Workbench 15.0 中是一个独立的工作平台，它可以为ANSYS不同的求解器提供对应的网格文件。有限元分析离不开网格的划分，网格划分的好坏将直接关系到求解的准确度以及求解的速度。网格划分的目的是对CFD（流体）和FEA（结构）模型实现离散化，是把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元。学习目标 ★ 了解ANSYS Workbench网格划分平台 ★ 掌握四面体网格的划分方法 ★ 掌握ANSYS Workbench网格参数的设置 ★ 掌握扫掠网格划分的方法 ★ 掌握多区网格划分的方法 3.1 网格划分平台 ANSYS Workbench中提供ANSYS Meshing应用程序（网格划分平台）的目标是提供通用的网格划分格局。网格划分工具可以在任何分析类型中使用。  FEA 仿真：包括结构动力学分析、显示动力学分析（AUTODYN、ANSYS LS/DYNA）、电磁场分析等。  CFD 分析：包括 ANSYS CFX、ANSYS FLUENT 等。 3.1.1 网格划分特点在ANSYS Workbench中进行网格划分，具有以下特点：  ANSYS 网格划分的应用程序采用的是 Divide & Conquer（分解克服）方法。  几何体的各部件可以使用不同的网格划分方法，亦即不同部件的体网格可以不匹配或不一致。  所有网格数据需要写入共同的中心数据库。  3D 和 2D 几何拥有各种不同的网格划分方法。

ANSYS Workbench 15.0 从入门到精通 3.1.2 网格划分方法 ANSYS Workbench中提供的网格划分法可以在几何体的不同部位运用不同的方法。 1．对于三维几何体对于三维几何体（3D）有如图 3-1 所示的几种不同的网格划分方法。图 3-1 3D 几何体的网格划分法（1）自动划分法（Automatic）自动设置四面体或扫掠网格划分，如果体是可扫掠的，则体将被扫掠划分网格，否则将使用Tetrahedrons下的Patch Conforming网格划分器划分网格。同一部件的体具有一致的网格单元。（2）四面体划分法（Tetrahedrons）四面体划分法包括Patch Conforming划分法（Workbench自带功能）及Patch Independent划分法（依靠ICEM CFD Tetra Algorithm软件包实现）。四面体划分法的参数设置如图 3-2 所示。图 3-2 四面体划分法的参数设置 Patch Independent网格划分时可能会忽略面及其边界，若在面上施加了边界条件，便不能忽略。它有两种定义方法：Max Element Size用于控制初始单元划分的大小；Approx number of Elements用于控制模型中期望的单元数目（可以被其他网格划分控制覆盖）。当Mesh Based Defeaturing设为ON时，在Defeaturing Tolerance选项中设置某一数值时，程序会根据大小和角度过滤掉几何边。 56

第 19 章多物理场耦合分析（3）六面体主导法（Hex Dominant）首先生成四边形主导的面网格，然后得到六面体，最后根据需要填充棱锥和四面体单元。该方法适用于不可扫掠的体或内部容积大的体，而对体积和表面积比较小的薄复杂体、CFD 无边界层的识别无用。（4）扫掠划分法（Sweep）通过扫掠的方法进行网格划分，网格多是六面体单元，也可能是楔形体单元。（5）多区划分法（MultiZone）多区及扫掠划分网格是一种自动几何分解方法。使用扫掠方法时，元件要被切成 3 个体来得到纯六面体网格。 2．对于面体或壳二维几何对于面体或壳二维（2D）几何，ANSYS Workbench提供的网格划分方法有：  四边形单元主导（Quad Dominant）。  三角形单元（Triangles）。  均匀四边形/三角形单元（Uniform Quad/Tri）。  均匀四边形单元（Uniform Quad）。 3.1.3 网格划分技巧不同的软件平台，网格的划分技巧也是不同的，针对ANSYS Workbench网格划分平台，网格的划分技巧如下。 1．对于结构网格  可以通过细化网格来捕捉所关心部位的梯度（包括温度、应变能、应力能、位移等）。  结构网格大部分可划分为四面体网格，但首选网格是六面体单元。  有些显式有限元求解器需要六面体网格。  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．对于CFD网格  可以通过细化网格来捕捉关心的梯度（包括速度、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（提高网格质量和平滑度会导致较大的网格数量，通常以数百万单元计算）。  大部分可划分为四面体网格，但首选网格是六面体单元。  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）。 3．网格划分的注意事项  网格划分时需要注意细节，几何细节是和物理分析息息相关的，不必要的细节会大大增加分析需求。 57

ANSYS Workbench 15.0 从入门到精通  需要注意网格细化，复杂应力区域等需要较高密度的网格。  需要注意效率，大量的单元需要更多的计算资源（内存、运行时间），网格划分是需要在分析精度和资源使用方面进行权衡。  需要注意网格质量，在网格划分时，复杂几何区域的网格单元会变扭曲，由此导致网格质量降低，劣质的单元会导致较差的结果，甚至在某些情况下得不到结果。在 ANSYS Workbench 中有很多方法可用来检查单元网格的质量。 3.1.4 网格划分流程在ANSYS Workbench中，网格的划分流程如下：设置划分网格目标的物理环境。设定网格的划分方法。网格参数的设置（尺寸、控制、膨胀等）。为方便使用创建命名选项。预览网格并迚行必要的调整。生成网格。检查生成的网格质量。准备分析网格。 3.1.5 网格尺寸策略对于划分不同分析类型的分析系统，网格尺寸的控制策略也不同，下面简单介绍力学分析及CFD分析的网格尺寸策略。 1．力学分析网格尺寸策略  利用最小输入的有效方法来解决关键的特征。  定义或接受少数全局网格尺寸并设置默认值。  利用 Relevance 和 Relevance Center 进行全局网格调整。  根据需要可对体、面、边、影响球定义尺寸，可以对网格生成的尺寸施加更多的控制。 2．CFD网格尺寸策略  在必要的区域依靠 Advanced Size Functions（高级尺寸功能）细化网格，其中默认为 Curvature，根据需要可以选择 Proximity。  识别模型的最小特征：设置能有效识别特征的最小尺寸；如果导致了过于细化的网格需要在最小尺寸下作用一个硬尺寸；可以使用收缩控制来去除小边和面，以确保收缩容差小于局部最小尺寸。  根据需要可以对体、面、边或影响球定义软尺寸，可以对网格生成的尺寸设置更多的控制。 58

第 19 章多物理场耦合分析 3.2 3D几何网格划分所有的 3D 网格划分方法都要求组成的几何为实体，若输入的是由面体组成的几何，则需要额外操作，将其转换为 3D 实体方可进行 3D 网格划分，当然表面体仍可以由表面网格划分法来划分。常见的 3D网格基本形状如图 3-3 所示。四面体六面体棱锥棱柱图 3-3 3D 网格的基本形状其中四面体为非结构化网格，六面体通常为结构化网格，棱锥为四面体和六面体之间的过渡网格，棱柱由四面体网格被拉伸时生成。四面体网格划分在三维网格划分中是最简单的，因此本节将着重介绍四面体网格。 3.2.1 四面体网格的优缺点四面体网格具有鲜明的优缺点。  优点：四面体网格可以施加于任何几何体，可以快速、自动生成；在关键区域容易使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格；可以使用膨胀细化实体边界附近的网格（即边界层识别），边界层有助于面法向网格的细化，但在 2D（表面网格）中仍是等向的；为捕捉一个方向的梯度，网格在所有的三个方向细化，即等向细化。  缺点：在近似网格密度情况下，单元和节点数高于六面体网格；网格一般不可能在一个方向排列；由于几何和单元性能的非均质性，故而不适合于薄实体或环形体；在使用等向细化时网格数量急剧上升。 3.2.2 四面体网格划分时的常用参数四面体网格划分时常用的参数如下。  最大、最小尺寸。  面、体尺寸。  高级尺寸（Curvature and/or Proximity）。  增长比（对 CFD 逐步变化，避免突变）。  平滑（有助于获取更加均匀尺寸的网格）。  统计学。  Mesh Metrics。 59

ANSYS Workbench 15.0 从入门到精通 3.2.3 四面体算法在ANSYS Workbench网格划分平台下，有两种算法可以生成四面体网格，而且这两种算法均可用于CFD的边界层识别。 1．Patch Conforming 首先利用几何所有面和边的Delaunay 或Advancing Front 表面网格划分器生成表面网格，然后基于TGRID Tetra算法由表面网格生成体网格。生成体网格的一些内在缺陷应在最小尺寸限度之下。 Patch Conforming算法包含膨胀因子的设定，用于控制四面体边界尺寸的内部增长率， CFD的膨胀层或边界层识别，可与体扫掠法混合使用产生一致的网格。利用Patch Conforming生成四面体网格的操作步骤如下：右击 Mesh，如图 3-4 所示，在弹出的快捷菜单中选择 Insert（插入）→Method（方法）命令，或者如图 3-5 所示选择 Mesh Control（网格控制）→Method（方法）命令。图 3-4 快捷菜单图 3-5 工具栏命令在网格参数设置栏中选择 Scope→Geometry 选项，在图形区域选择应用该方法的体，单击（应用）按钮，如图 3-6 所示。将 Definition 栏的 Method 设置为 Tetrahedrons，如图 3-7 所示，将 Algorithm 设置为 Patch Conforming，如图 3-8 所示，即可使用 Patch Conforming 算法划分四面体网格。图 3-6 Geometry 设置图 3-7 Method 设置图 3-8 Algorithm 设置按照上面的步骤可以对丌同的部分使用丌同的方法。 60

第 19 章多物理场耦合分析多体部件可混合使用 Patch Conforming 四面体和扫掠方法生成共形网格， Patch Conforming方法可以联合Pinch Controls功能，有助于移除短边。 2．Patch Independent 该算法用于生成体网格并映射到表面产生表面网格，如果没有载荷、边界条件或其他作用，则面和它们的边界（边和顶点）无需考虑。该算法是基于ICEM CFD Tetra的，Tetra 部分具有膨胀应用。 Patch Independent 四面体的操作步骤与Patch Conforming 相同，只是在设置Algorithm时选择Patch Independent即可。 Patch Independent对CAD 许多面的修补均有用，包括碎面、短边、较差的面参数等。在没有载荷或命名选项的情况下，面和边无需考虑。 3.2.4 四面体膨胀四面体膨胀的基本设置包括膨胀选项、前处理和后处理膨胀算法等，具体在后面的章节中介绍，这里不再赘述。 3.3 网格参数设置在利用ANSYS Workbench进行网格划分时，可以使用默认的设置，但要进行高质量的网格划分，还需要用户参与到网格的详细参数设置中去，尤其是对于复杂的零部件。网格参数是在参数设置区进行的，同时该区还显示了网格划分后的详细信息。参数设置区包含了Defaults（缺省设置）、Sizing（尺寸控制）、Inflation（膨胀控制）、Advanced（高级控制）、Defeaturing（损伤设置）、Statistics（网格信息）等信息，如图 3-9 所示。划分网格目标的物理环境包括结构分析（Mechanical）、电磁分析（Electromagnetics）、流体分析（CFD）、显示动力学分析（Explicit）等，如图 3-10 所示。设置完成后会自动生成相关物理环境的网格（如Mechanical、FLUENT、CFX等）。图 3-9 网格参数设置图 3-10 目标物理环境在划分网格时，不同的分析类型需要有不同的网格划分要求，结构分析使用高阶单元划分较为粗糙的网格，CFD要求使用好的、平滑过渡的网格、边界层转化，不同的CFD 求解器也有不同的要求，如表 3-1 所示。在网格划分的物理环境设置完成之后，需要设定物理优先项， 61

ANSYS Workbench 15.0 从入门到精通划分后的网格如图 3-11、图 3-12、图 3-13、图 3-14 所示。表 3-1 不同的物理环境在缺省设置下的网格特点自动设置下列各项 Physics Preference Relevance （物理优先项） Center（关联中心 Mechanical（力学分析） CFD（计算流体力学分析） Electromagnetics（电磁分析）缺省值） Coarse（粗糙） Coarse（粗糙） Medium（中等） Smoothing Transition （平滑度）（过渡） Element Midside Nodes（实体单元默认中备注节点） Medium（中等） Medium（中等） Medium（中等） Fast（快） Program Controlled（程序控制）图 3-11 Slow（慢） Dropped（消除）图 3-12 Fast（快） Kept（保留）图 3-13 Explicit（显示分析） Medium（中等） High（高） Slow（慢） Dropped（消除）图 3-14 图 3-11 Mechanical 默认网格图 3-12 CFD 默认网格图 3-13 Electromagnetics 默认网格图 3-14 Explicit 默认网格 62

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