ABAQUS中的网格划分方法

ABAQUS中的网格划分方法应该是所有通用有限元分析软件中最强大的。本文将对其网格划分做较全面的叙述。

首先介绍一下网格划分技术，包括：结构化网格、扫掠网格、自由网格：

1)结构化网格技术(STRUCTURED)：将一些标准的网格模式应用于一些形状简单的几何区域，采用结构化网格的区域会显示为绿色(不同的网格划分技术会对相应的划分区域显示特有的颜色标示)。

2)扫掠网格技术(SWEEP)：对于二维区域，首先在边上生成网格，然后沿着扫掠路径拉伸，得到二维网格;对于三维区域，首先在面上生成网格，然后沿扫掠路径拉伸，得到三维网格。采用扫掠网格的区域显示为黄色。

3)自由网格划分技术(FREE)：自由网格是最为灵活的网格划分技术，几乎可以用于任何几何形状。采用自由网格的区域显示为粉红色。自由网格采用三角形单元(二维模型)和四面体单元(三维模型)，一般应选择带内部节点的二次单元来保证精度。

4)不能划分网格：如果某个区域显示为橙色，表明无法使用目前赋予它的网格划分技术来生成网格。这种情况多出现在模型结构非常复杂的时候，这时候需要把复杂区域分割成几个形状简单的区域，然后在划分结构化网格或扫掠网格。

注意：使用结构化网格或扫掠网格划分技术时，如果定义了受完全约束的种子(SEED)，网格划分可能不成功，这时会出现错误信息们，可以忽略错误信息，允许ABAQUS去除对这些种子的约束，从而完成对网格的划分。

使用Quad单元或Hex单元划分网格时，有两种可供选择的算法：Medial Axis(中性轴算法)和Advancing Front(进阶算法)。两种方法划分同一个模型时的对比图如图1和图2，从图中可以很明显的看出：Medial Axis算法生成的网格的质量要优于Advancing Front算法生成的网格，但是这不是绝对的。有时，使用前者生成的网格会发生严重的畸形，应看具体情况而选择是哪种方法。

Medial Axis算法：该算法首先要把划分网格的区域分为一些简单的区域，然后使用结构化网格划分技术来划分这些简单的区域。该算法主要有一下特征：

① 使用Medial Axis算法更容易得到形状规则的网格单元，但网格与种子的位置吻合得较差。

② 在二维模型中使用Medial Axis算法时，选择Minimize the mesh transition(最小化网格过渡)可以很大程度的提高网格的质量，但是有利必有弊，用这种方法更容易使网格偏离种子位置。

③ 在模型的一部分边上设置了受完全约束的种子时，Medial Axis算法会自动为其他的边选择最佳的种子分布。

④ 如果从CAD软件中导入的模型不精

确，则该算法是不支持。同时，该算法也不支持虚拟拓扑。

Advancing Front算法：该算法首先在边界上生成四边形单元，然后再向区域内部扩展。它具有一下特征：

① 使用该算法得到的网格可以与种子的位置吻合的很好，但在较窄的区域内，精确匹配每个种子可能会使网格发生歪斜，导致网格的质量下降。

② 使用该算法很容易得到单元大小均匀的网格，但不代表网格质量一定好(如图1)。有些情况下，单元尺寸均匀是很重要的，例如在ABAQUS/Explicit中，网格中的小单元会限制增量步长。

③ 使用该算法很容易实现从粗网格到细网格的过渡，所以建议在网格过渡区使用该算法。

④ Advancing Front算法克服了Medial Axis算法的缺点，它支持从CAD软件导入的不精确模型和二维模型的虚拟拓扑。

当模型非常复杂时，一般使用Tet(四面体)单元来划分网格。在划分Tet单元网格时，ABAQUS会首先在实体的外表面上划分三角形网格，作为Tet单元网格的基础。如果模型规模是非常大，划分Tet单元网格会花费很长的计算机时，可以在开始划分Tet单元网格之前，首先预览外表面上的三角形网格，以便尽早可以发现错误，缩短建模时间。

如果无法成功划分Tet网格，可以尝试一下下面的措施：1)在Mesh功能模块中，选择geometry diagnostic，检查模型中是否有自由边、短边、小平面、小尖角。如果几何部件是由CAD软件导入的，则应该检查模型本身是否就有这种问题。2)在Mesh功能模块中，可以使用virtual topology来合并小的边或小的面，也可以忽略某些边或者顶点。3)在无法生成网格的地方加密种子，可能得到意想不到的效果。

在网格划分时，有时会出现网格划分失败的对话框，原因有很多，例如：几何模型有问题，例如模型中有自由边或很小的边、面、尖角或缝隙等，这可以使用虚拟拓扑进行修补;种子布置得太稀疏，通过加密种子同样可以解决这个问题。