Deform网格划分原则及方法

[原]Deform网格划分原则及方法

2009-04-04 23:48

引言：划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立正确、合理的有限元模型，这里介绍网格划分时的一些基本原则及方法。

关键词： Deform 网格局部细化

一、网格划分的原则

1 网格数量

网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。图1中的曲线1表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2代表计算时间随网格数量的变化。可以看出，网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。

图1 位移精度和计算时间随网格数量的变化

在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。在热分析中，结构内部的温度梯度不大，不需要大量的内部单元，这时可划分较少的网格。

2 网格疏密

网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。图2是中心带圆孔方板的四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分原则。小圆孔附近存在应力集中，采用了比较密的网格。板的四周应力梯度较小，网格分得较稀。其中图b中网格疏密相差更大，它比图a中的网格少48个，但计算出的孔缘最大应力相差1%，而计算时间却减小了36%。由此可见，采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。

划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力)，在结温度场计算中采用趋于均匀网格。

图2 带孔方板的四分之一模型

二、网格划分的方法

1、基本网格划分方法

在Deform中划分网格方式有两种。一种是相对网格划分方法，一种是绝对网格划分方法。

相对网格划分方式：使用相对网格划分方式用户仅需要指定固定单元的数目。无论物体形状多么复杂，单元的数量必须是恒定。

绝对网格划分方式：使用绝对网格设置方式，系统决定网格划分总数，随着物体的复杂，单元数也随之增加。

无论相对划分网格方式还是绝对网格划分方式，两者都有依靠划分网格权重来分配物体上各部分的单元大小，默认的划分网格权重在Detailed setting--weight factors下面，此权重在大多数模拟中效果很好。相对网格划分方式是系统默认设定，用绝对网格划分方式目的在于增加模拟的正确性，这是因为网格尺寸设定后自始至终不变，随着物体形状越来越复杂，单元数的增加可以更好的描述物体的表面。使用绝对网格划分方式，为了决定网格划分的最小尺寸，需通过测量模具的最小特征尺寸，这个最小特征必须满足的条件是成形过程中它的形状会反映在工件上，也就是非曲直说有工件材料要流过此特征。最小特征的选取是指整个模拟过程的最小特征。

Mesh分为两个步骤，先surface mesh，然后再solid mesh。在相对网格划分中，preview是surface mesh,而generate mesh是surface mesh和solid mesh两步。在绝对网格划分中直接分为surface mesh和solid mesh 两个命令。

2、局部细化网格方法

在一些高梯度地区，即应变，应变速率，温度，几何尺寸等变化比较剧烈的地区，网格需要细化。

这里可以设置权重因子，还有一个重要的设置是mesh density windows（网格密度窗口）因子，这个选项与后面介绍的网格密度有关，为了在一些地方设置更为细密的网格，光靠上面滑杆设置的几个因子还不行

（注：前面四个因子相加之和必须是“1”，在调整权重因子时，可以用键盘上的向左，向右键来进行微调。）还需要用户设置来调节网格密度的分配，将mesh density windows后的滑杆设为非零数字（注：设置的数值越大表示考虑的越多。），就可以启动下的的mesh windows选项，在下面选项所控制的窗口中，数字都要乘以这个非零因子。

接着在windows区域内点击Add在屏幕的图形显示窗口左下方弹出一个小窗口，可以定义局部区域，在定义调整Mesh windows时鼠标必须是获取点的状态，不能是缩放观察的状态。Size Ratio to Elem Outside Window用来调整窗口内部单元与外部单元的比率。速度栏：此项表明局部细化网格的窗口是以该速度向其矢量方向运动，这个参数的设置与模具和工件的接触变形区有关。局部细化网格的目的在于让变形大的地区得到较小的网格，以有利于反映真实的变形并节省计算时间，如果接触变形区是随着时间变化的，想要变化的接触变形区始终都得到局部细化网格，那么窗口的速度就应该等于接触区变化的速度。有时你会发现网格窗口没有发挥作用，这有几个原因：一、Wight Factor中因子设置为零；二、总体网格的数量太少；

三、可能是Mesh Windows中定义的网格密度比例太大。

九个按钮分别是：矩形网格划分工具、圆柱形网格划分工具、环形网格划分工具、比例缩放、移动、旋转、调整比例、预览、清除。大小调整方法：将拖动按钮点红然后进行调整。移动：将图形调整到方便观察的方位，拖动细化分区域沿轴向移到想要的位置。旋转：将图形调整到方便观察的方位，拖动细化分区域绕某一个轴进行旋转到想要的位置。

参考文献：DEFORM 5.03金属成形有限元分析实例指导教程李传民, 王向丽, 闫华军等编著