有限元分析中网格划分前需要考虑些什么？

纵横CAE

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在有限元分析中，网格划分是直接影响计算精度和效率的核心环节。在之前有分享一篇《网格画得越细，有限元分析结果就越精确吗》，一般理论是这样，但是在实际的情况下，我们操作起来并非完全按照理论执行。

一方面是网格画的越细，其消耗的时间会越多，另一方面是会消耗大量计算资源，还有就是计算精度达不到。况且并不是每一个几何模型进行网格划分都需要那样做，这时候就体现出了有经验的仿真工程师的能力了。

他们在做之前，都会考虑以下这些问题：

1、这是在进行什么类型的分析？

非线性分析对网格的要求通常比线性分析更严格。例如，在处理滑动接触问题时，需要更精细的网格来捕捉变化状态；对于具有塑性、超弹性等高级材料特性的分析，也需更精细的网格以捕捉大应变梯度；大变形分析同样要求更精细的网格以适应形状变化。

2、关注的区域在哪里？

如果事先知道关注区域在哪里，与其细化整体网格，不如将单元集中在关注的区域，粗网格通常足够用于力传递，可以用于不需要应力信息的区域。如果事先不知道要关注的区域，可先进行粗网格分析，再来确定后续分析中需要细化的区域。

3、小特征将会如何影响结果？

小孔、圆角、凸角、窄边等小特征会导致局部化精细网格自动生成，需评估这些特性是否处于关键区域、是否会影响加载路径，以便在求解精度和时间之间做出权衡。

4、需要一个什么样的结果？

对于线性分析，精确的位移结果不需要像应力结果那样精细的网格——如果分析是为了确保位移不会太大，那么可以使用较粗的网格，如果分析需要评估结构的应力，在关键的区域需要加密网格。

5、在使用什么样的单元？

有些单元在弯曲时容易变 “刚”，这时需在零件厚度上加密网格以捕捉弯曲行为，避免出现 “锁定” 问题。一般来说，带中间节点的二次单元比线性单元更不容易被锁定。

此外，不同单元形状对变形的敏感程度也不同，例如，拉长的六面体单元仍能提供良好结果，而四面体单元在某个方向伸长时产生小角度可能会导致结果精度下降。

在网格生成之后，工程师们可以通过观察单元的质量来评估网格。单元的质量是非常主观的，一套网格在一组边界条件和载荷下给出好的结果，在另一组边界条件和载荷下可能给出糟糕的结果。

那么对于单元类型该如何进行网格配置？可以按照下面的表参考进行：

单元类型	网格要求	适用场景
线性单元	需大量单元抵抗“锁定”（如弯曲问题厚度方向≥4层）	简单接触、大变形
二次单元	抗锁定能力强，但大变形时厚度方向建议≥2层单元	超弹性材料、复杂屈曲
六面体单元	可适度拉伸，长宽比≤10:1	规则几何体
四面体单元	避免高长宽比（≤3:1），防止小角度导致精度损失	复杂拓扑

总体来说网格划分需在精度、效率、工程目标间做到动态平衡，其核心逻辑总结如下：

明确目标：应力/位移/模态？关键区域在哪？

按需加密：梯度、接触、小特征处重点细化。

质量优先：控制长宽比、扭曲度，避免畸形单元。

迭代验证：收敛性研究与误差分析必不可少。

虽然CAE软件是一个非常强大的工具，它可以为设计提供详细的“计算模拟分析”，减少工程不确定性。但是，工具会受到输入的限制，如果输入不准确也就无从谈结果的准确性，其中网格是输入中的关键部分。

划分网格之前，工程师们考虑自己分析的条件和关注的因素，有利于防止划分网格时眉毛胡子一把抓的现象，同时通过批判性地评估结果可以帮助我们更好地去提高结果的质量。

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来源：纵横CAE

Ansys Workbench平面应力分析

1 问题描述平面应力问题适合于薄平板结构，受平行于平板方向的外力作用，如下图所示。我们可以做出假设Z轴方向无应力，即Z轴方向应力为0，此时薄平板只受到XY轴方向的应力作用。Ansys Workbench分析平面应力问题时，经常需要构建2D模型，并进行2D分析设置，必须激活2D分析类型。那么如何将分析类型由3D激活为2D？看完本文，你就彻底明白了。2 几何建模首先，采用Solidworks的曲面建模功能构建一个2D平面，如图1所示。点击前视基准面，绘制一个矩形草图—>插入—>曲面—>平面区域。 Fig. 1 几何建模特别需要注意的是，2D平面的草图必须选择前视基准面（即XY平面），如图2所示。Fig. 2 前视基准面绘制草图依次点击“文件”—>“另存为”，将2D平面保存为STP（推荐）或IGS格式，如图3所示。Fig. 3 保存几何模型3 模型导入依次点击开始—>所有应用—>ANSYS—>Workbench，启动并进入Workbench界面，新建静力学分析（Static Structural），如图4所示。Fig. 4 新建静力学分析右击Geometry—>Import Geometry—>Browse—>选择构建的2D平面，将2D平面导入DM界面，如图5所示。Fig. 5 导入几何模型右击Geometry—>Edit Geometry in DesignModeler，进入DM界面，如图6所示。Fig. 6 进入DM界面设置Units为Millimeter。右击模型树中的Import1，选择Generate，生成2D平面，如图7所示。Fig. 7 生成2D平面4 激活2D关闭DM界面，返回到Workbench界面，勾选菜单栏View中的Properties，右侧出现“Properties of Project Schematic”表格，如图8所示。Fig. 8 打开“Properties of Project Schematic”单击Geometry，右侧表格变为“Properties of Schematic：Geometry”，将表格最下方的Analysis Type由3D修改为2D，激活2D分析类型，如图9所示。Fig. 9 激活2D分析类型双击项目流程图Static Structural中的Model，进入Mechanical界面，如图10所示。Fig. 10 进入Mechanical界面单击模型树中的Geometry，在下方的2D Behavior中设置2D分析的问题类型，如图11所示。Fig. 11 分析设置与求解其余步骤与3D分析基本一致，本文不再一一操作，有兴趣可参考前期文章：ANSYS Workbench线性结构静力分析实例操作。Fig. 12 平面应力云图5 注意事项1）2D分析，需要在DM界面新建或打开一个面物体，或者从任意可以创建面物体的CAD软件中导入。2）2D模型必须在XY平面内，2D平面物体可以使用，但是2D线状物体不可使用。3）先激活2D分析类型，然后才能进入Mechanical，否则还是3D分析，并且不能再进行2D激活。一旦激活2D，则不可再把2D分析改成3D分析。4）2D分析不能使用螺栓预紧载荷、线性压力、简单支撑、固定转动；压力只能施加在边界上；载荷和分析结果都是XY平面内的，没有Z方向上的分量。来源：纵横CAE