有限元六面体网格的典型生成方法及发展趋势

有限元六面体网格的典型生成方法及发展趋势

吕 军,王忠金,王仲仁

(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘 要:工程问题三维有限元仿真的主要困难是模型的建立,而模型的建立需要采用合适的方法来生成高质量的三维有限元网格.以金属塑性成形过程的三维有限元仿真为例,说明了采用六面体单元的必要性.针对典型的有限元六面体网格生成方法,系统地分析了各种方法的实现原理和发展趋势,并探讨了六面体网格生成总的发展趋势.分析结果说明,复杂域内六面体网格全自动生成的实现是全自动网格生成真正走向实用化、通用化必须解决的难题.

关键词:数值仿真;有限元法;网格生成;六面体网格

中图分类号:T G302 文献标识码:A 文章编号:0367-6234(2001)04-0485-06

G eneration of finite element hexahedral mesh

and its trend of development

L Jun,WANG Zhong -jin,WANG Zhong -ren

(School of M aterials Science and Engineering,Harbin Institute o f T echnology ,Harbin 150001,China)

Abstract:The major difficulty w ith the 3-D finite element simulation of an engineering problem lies in the construction of models,w hich needs the proper generation of 3-D finite element hex ahedral mesh of high quality.The necessity to use a hex ahedral unit is justified by taking the 3-D finite element simulation of

the plastic formation of metals as an ex ample.T he theories behind and trends of development of different w ays of generating finite element hexahedral meshes are systematically analysed,and the general trend of development for generation of hexadedral mesh is discussed as w ell.It is concluded that the full automatic g eneration of hexahedral mesh in com plex domains is the key to the popularization of full automatic genera -tion of hexahedral mesh.

Key words:numerical simulation;finite element method;mesh generation;hexahedral mesh

有限元法是求解工程问题的一种近似数值方法,近年来在工程领域中得到了广泛的应用

[1,2]

.

有限元仿真的一个重要步骤是对连续体进行离散化,为使离散出的网格能更精确地逼近连续区域和有限元计算的结果在预定误差范围内,应保证离散化后得到质量较高的网格.为此提出了许多方法来生成有限元网格

[35]

.目前,二维有限元

收稿日期:2001-01-20.

基金项目:金属精密热加工重点实验室基金资助项目.作者简介:吕 军(1974-),男,博士研究生;

王仲仁(1934-),男,教授,博士生导师.

网格生成方面已比较成熟,提出了许多行之有效的方法.但在三维有限元网格尤其是六面体网格的生成方面还没有通用的算法,存在许多难点问

题需进一步解决.本文论述了采用六面体单元的必要性,并分析了有限元六面体网格的典型生成方法.最后,对六面体网格生成的发展趋势进行了探讨.

1 采用六面体单元的必要性

在有限元仿真过程中,单元类型的选择对整个有限元仿真的计算效率、自动化程度、计算精度等都将产生重要影响.因此单元类型的选择在各

第33卷 第4期 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报

Vol.33,No.42001年8月

JOURNAL OF HARBIN INST IT UTE OF T ECH NOLOGY

Aug.,2001

个领域的有限元仿真中都占有重要地位.在体积成形刚塑性/刚粘塑性有限元仿真中,单元类型选择的重要性尤为突出.这是因为刚塑性/刚粘塑性有限元仿真有三个突出的特点:(1)塑性成形往往是一个大变形过程,有限元计算中通常需要进行多次网格重划分,而网格重划分需要耗费大量的时间,且每次都会损失一定的精度.(2)塑性变形过程是一个非线性问题,需要进行迭代求解,计算效率问题更为突出.(3)刚塑性/刚粘塑性有限元仿真时必须进行多次工件与模具间的动态接触处理,每一次的处理都会使得工件的有限元模型产生一定的体积损失而影响计算精度.这三种问题的处理都与单元类型的选择密切相关.选择合理的单元类型,就可用较少的网格重划分次数、相同或较少的高斯积分点数来达到较高的计算精度和计算效率,这在有限元仿真中是非常重要的.

六面体单元由于变形特性好、计算精度高等优点而在很多三维有限元仿真领域中得到了广泛的应用.在金属体积成形的三维有限元仿真中,要求单元既要有一定的 刚性 (即抗畸变能力)以避免频繁的网格重划分,又要有一定的 柔性 (即良好的变形特性)以准确地仿真变形过程,还必须有较高的计算精度.在体积成形三维有限元仿真中常采用四面体和六面体单元.大量计算结果表明:采用六面体单元进行三维有限元仿真可采用较少的网格重划分次数达到较高的计算精度,故六面体单元是金属体积成形过程三维有限元仿真的首选单元[6,7].

2 有限元六面体网格的典型生成方法

六面体网格在三维有限元仿真中有四面体网格无法比拟的优越性,但现有的有关三维有限元网格生成方法的文献往往偏重于介绍四面体网格的生成方法,对六面体网格生成方法介绍得很少.实现可靠的、高质量的六面体有限元网格自动生成是三维有限元仿真领域的瓶颈问题.当前,有限元六面体网格的典型生成方法主要有以下几种.

2.1 映射单元法

映射单元法是三维网格生成中最早使用的方法之一.这种方法先把三维实体交互地分成几个大的20节点六面体区,然后使用形函数映射技术把各个六面体区域映射为很多细小的8节点六面体单元[8]

.这种方法易于实现,可以生成规整的结构化网格;缺点是当三维实体的表面是十分复

杂的自由曲面时,该方法的逼近精度不高,且人工

分区十分麻烦、难以实现自动化.近年来,一些研究者采用 整体规划技术(Integer programm ing technique) 来进行实体的自动分区[9],但该技术很难对复杂形体(如塑性加工中的复杂锻件)进行自动分区.

曲面映射是三维映射的特例,采用曲面映射技术可以对几何曲面进行离散化处理[10,11].文献[12]详细研究了基于映射单元法的有限元六面体网格自动生成技术,采用加权因子控制网格生成过程中自然坐标的分割,可以生成密度不同的有限元网格.对原域为单连通凸区域的简单形体及原域为复连通凹区域的复杂形体,该种方法均可生成质量较高的网格,生成的六面体网格如图1所示.

图1 映射单元法F ig.1 M apped element method

映射单元法的发展趋势是:实现简单、规则形状形体的自动分区,提高手工分区的交互性,能方便地进行复杂的三维形体的分区.

2.2 基于栅格法

这种方法预先产生网格模板,然后将要进行网格化的物体加到其上,并在实体内部尽可能多地填充规则的长方体或正方体网格,在实体的边界上根据实体边界的具体特征更改网格的形状和相互连接关系,使得边界上的六面体单元尽可能地逼近物体的边界形状.文献[13]采用这种方法生成了六面体单元.这种方法能实现网格生成的自动化,网格的生成速度也非常快.其最大弱点是边界单元的质量较差;另一个缺点是所生成的单元尺寸相近,网格密度很难得到控制.

1998年发布的MARC/H exM esh 模块中采用了基于栅格法,并对这种方法进行了改进,使得初始填充在实体内部的单元尺寸较大、实体边界单元的尺寸较小,这样可以较好地控制网格密度[14]

.但是,对于复杂三维形体,MARC/HexM esh 模块产生的边界六面体网格的质量仍然不够理想.Tekkaya [15]将改进八叉树法与基于

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