關于ANSYS mesh網格的精度和一些誤區(qū)

2017-01-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

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1.ANSYS MESH 網格的一些誤區(qū)

盡管當前出現(xiàn)了不少使用無網格方法的FEA及CFD代碼,但是網格劃分依然是大多數CAE工作者們最重要的工作任務,對于高質量網格生成的重要性怎么強調都不過分。

但是如何生成高質量的或更精細的網格呢?查看網格生成軟件所輸出的網格質量報告是最基本的方式,使用者還需要對網格是否適用于自己的物理問題做出自己的判斷。

不幸的是,使用者對于“好網格”存在很多的誤區(qū)。如今已經很難在工程學科中找到關于網格劃分方面的課程,數值算法在大多數工程學科中成了選修課程。因此,新生代CAE使用者對于網格在CAE系統(tǒng)中的工作機理方面的欠缺也不足為怪了。這里有5個最主要的

誤區(qū)1:好的網格必須與CAD模型吻合

越來越多的CAE使用者來自于原來的設計人員,他們在CAD方面受到了良好的培訓,因此他們傾向于CAE模型體現(xiàn)所有的幾何細節(jié)特征,他們認為更多的細節(jié)意味著計算結果能夠更加貼近于真實情況。

然而這種觀點是不正確的,好的網格是能夠解決物理問題,而不是順從CAD模型。

CAE仿真的目的是為了獲取物理量:應力、應變、位移、速度、壓力等。CAD模型應當是從物理對象中提取的。大量與物理問題不相干的或對于仿真模型影響較小的細節(jié)特征在建立CAD模型之前就應當進行簡化。因此,了解所仿真的系統(tǒng)中的物理細節(jié)是最基本的工作任務。好的網格應當簡化CAD模型并且網格節(jié)點是基于物理模型進行布置。

這意味著:只有在充分了解所要仿真的物理系統(tǒng)前提下才可能劃分出好的網格。

誤區(qū)2:好的網格一直都是好的

我們經?？吹紺AE使用者花費大量的心血在改變網格尺寸、拆解幾何及簡化幾何上,以期能夠獲得高質量的網格。他們仔細的檢查網格生成軟件輸出的網格質量報告,這是很有必要的。但是這事兒做得太過也不一定好,因為好的網格也不一定永遠都好,網格的好與壞,還取決于要仿真的物理問題。

例如,你生成了一套非常好的網格,其能夠很好的捕捉機翼的繞流,能夠很精確的計算各種力。但是當你將流動攻角從0°調整到45°,試問這網格還是好的網格嗎?很可能不是了。

好的網格總是與物理問題相關。當你改變邊界條件、改變載荷、改變分析類型、改變流動條件,好的網格也可能變成壞網格。

誤區(qū)3:六面體網格總比四面體網格好

很多老的書籍會說六面體(四邊形)網格要比四面體(三角形)網格要好,同時告訴你說引入四面體(三角形)網格會造成很大的數值誤差。一些情況下這種觀點是正確的,特別是15~20年前。

歷史上,人們熱衷于六面體網格,主要有以下原因:1)在當時,CFD求解器僅能使用結構網格;2)計算條件不允許使用大量網格,為了節(jié)省內存和節(jié)省時間;3)非結構網格還不成熟。

在過去的幾十年里,大部分商用FEA及CFD求解器技術獲得的了極大的發(fā)展,對于絕大多數問題,利用六面體網格及四面體網格都能獲得相同的計算結果。當然,四面體網格通常需要更多的計算資源,但是其能在網格生成階段為使用者節(jié)省大量的時間。對于大多數工程問題,六面體網格在計算精度方面的優(yōu)勢已經不再存在了。

對于一些特殊的應用場合,如wind Turbine,泵或飛機外流場計算,六面體網格依然是首選的網格類型,主要原因在于:1)工業(yè)慣例;2)易于理解的物理情況(大多數使用者都知道應當如何對齊網格;3)對于這類幾何模型,存在專用的六面體網格生成工具。

然而,對于大多數FAE及CFD使用者,如果幾何模型稍微復雜一點,則需要花費大量的時間在六面體網格生成上,計算結果還不一定更好。計算所節(jié)省的時間相對于網格生成所花費的時間,有時候顯得得不償失。

誤區(qū)4:自動網格生成(automatic meshing ) 的方式不可能產生好的網格

當軟件提供商在證明他的軟件是高端的時候(當然價格通常也是高端的),他通常會告訴你說他們的軟件允許手動控制所有的操作參數。潛在意思就是說只有手動控制才能生成好的網格。

當然,對于銷售員來講,好的網格需要手動控制。但是對于工程師來說,他們需要理解這是一個誤導:好的網格軟件應當擁有足夠的智能化以分析幾何模型:計算曲率、尋找縫隙、尋找小的特征、尋找毛刺邊、尋找尖角、擁有智能化的默認設置等…

這些工作都應當是自動網格工具的職責。對于大多數使用者來講,軟件應當對于輸入的幾何模型能夠獲取更多的信息以及更高的精度。因此,軟件應該能夠提供更好的設置以獲取高質量的網格。當然,對于長年累月使用相同的幾何模型及軟件的使用者來說,情況可能有所不同。這些使用者對于物理模型了解得非常清楚,而網格軟件卻沒辦法了解他們的物理問題,因此他們對手動操作的需求更多,而且他們也能更好的駕馭手動操作。

不管怎樣,對于網格質量兩說,一個好的自動網格軟件能夠給予無經驗的使用者更多的幫助。手動控制主要是為一些對物理問題非常了解的有經驗的使用者提供的。

誤區(qū)5:好的網格其數量一定特別多

由于HPC資源很容易獲取,甚至一些學生都能進行千萬級別網格的CFD問題求解,因此在多數CAE使用者眼里,大數量的網格意味著高保真度。

這種看法并不完全正確。打個比方,在CFD計算中,如果使用者使用標準壁面函數,則所有放置于粘性子層內的網格都會失效,這不僅會浪費大量的計算時間,也有可能會造成非物理解。特別對于LES模擬,過于西米的網格可能會造成打的誤差及非物理解。

精細的網格并不意味著好的網格。網格劃分的目的是為了獲取離散位置的物理量。好的網格是為計算目的服務的網格,因此,當你的計算結果具有以下特征時:1)物理真實;2)對于項目來講足夠精確,則你的網格已經足夠好了。

另一個關于此誤區(qū)的例子在于大多數使用者習慣使用全3D模型。在他們的眼里,3D全模型是真實的。然而,當問題對稱的時候,使用部分模型將會獲得更好的計算結果,因為強制施加了對稱約束。當問題是軸對稱的時候,使用2D計算模型往往能夠獲得比3D全模型更精確的結果。很多CAE新手沒有足夠的時間去完全理解仿真系統(tǒng)中的物理模型,因此很難對幾何模型進行任何簡化。

2.關于網格精度的分析

單元形狀對于有限元分析的結果精度有著重要影響,而對單元形狀的衡量又有著諸多指標,為便于探討,這里首先只討論第一個最基本的指標:長寬比(四邊形單元的最長尺度與最短尺度之比),而且僅考慮平面單元的長寬比對于計算精度的影響。

為此,我們給出一個成熟的算例。該算例是一根懸臂梁,在其端面施加豎直向下的拋物線分布載荷,我們現(xiàn)在考察用不同尺度的單元劃分該梁時,對于A點位移的影響。

這五種不同的劃分方式,都使用矩形單元,只不過各單元的長寬比不同。

例如第一種(1)AR=1.1,就是長寬比接近1;

第二種(2)AR=1.5,就是長寬比是1.5,其它類推。

第五種(5)AR=24,此時單元的長度是寬度的24倍。

現(xiàn)在我們看看按照這五種單元劃分方式對于A點位移的影響,順便我們也算出了B點的位移,結果見下表。

我們現(xiàn)在仔細查看一下上表,并分析其含義。

我們先考慮第一行,它是第一種單元劃分情況,此時每個單元的長寬比是1.1,由此我們計算出A點,B點的垂直位移,可以看到,A點的豎直位移是-1.093英寸,而B點的豎直位移是-0.346英寸。而這兩點我們都是可以用彈性力學的方式得到精確解的,其精確解分別是-1.152以及-0.360.這樣,我們可以得到此時A點位移誤差的百分比是[(-1.093)-(-1.152)] / 1.152 = 5.2%.

對于其它情況,也采用類似的方式得到A點位移誤差的百分比。

從上表可以看出來,隨著長寬比的增加,位移誤差越來越大,竟然大到56%。因此,如果我們是用長寬比為24的單元進行劃分的話,那么我們的結果可以說是完全錯誤的。

下面按照上表繪制出一張圖,該圖從形象的角度表達了上表的含義。

由此可見,長寬比越接近于1,那么結算結果越精確,越遠離1,則誤差越大。

因此我們在進行有限元分析時,應該盡量保證劃分的單元長寬比接近1,這意味著,如果我們使用了四邊形單元,則最好是正方形單元;如果使用了三角形單元,則最好是等邊三角形。

當然,對于一個復雜的零件而言,我們很難保證每個單元都滿足這些要求,但是,我們一定要確保,在我們所關注的地方,例如應力最大的地方,單元形狀要接近這一點,否則,我們得到的解就是不可相信的。但是上述結果也告訴我們,即便是最好形狀的單元(情況1,長寬比為1.1),結果的計算精度也不容樂觀,其誤差達到5.2%。

3結構網格和非結構網格的區(qū)別是什么?

目前人們習慣利用網格形狀對結構網格 (Structural Mesh) 與非結構網格 (Unstructral Mesh)進行區(qū)分,往往稱四邊形及六面體網格為結構網格,而將結構網格之外的網格統(tǒng)統(tǒng)稱之為非結構網格。雖然說這在大多數情況下不會有什么問題,但實際上如果深究的話,這種分類方式還是存在很多的問題。那么結構網格與非結構網格到底區(qū)別在哪里?

網格算法中的"結構網格",指的是網格節(jié)點間存在數學邏輯關系,相鄰網格節(jié)點之間的關系是明確的,在網格數據存儲過程中,只需要存儲基礎節(jié)點的坐標而無需保存所有節(jié)點的空間坐標。如圖1所示為典型的二維結構網格。對于二維結構網格,通常用i、j來代表x及y方向的網格節(jié)點(對于三維結構,利用k來代表z方向)。對于如圖所示的網格,在進行網格數據存儲的過程中,只需要保存i=1,j=1位置的節(jié)點坐標以及x、y方向網格節(jié)點間距,則整套網格中任意位置網格節(jié)點坐標均可得到。需要注意的是,結構網格的網格間距可以不相等,但是網格拓撲規(guī)則必須是明確的,如節(jié)點(3,4)與(3,5)是相鄰節(jié)點。

圖中的網格也可以是非結構網格。如果在網格文件中存儲的是所有節(jié)點的坐標及節(jié)點間連接關系的話,那么這套網格即非結構網格。因此所有的結構網格均可以轉化為非結構形式。相反,并非所有的非結構網格均能轉化為結構網格形式,因為滿足結構化的節(jié)點間拓撲關系不一定能夠找得到。因此僅僅從網格形狀來確定網格是結構網格還是非結構網格是不合適的,四邊形和六面體網格也可以是非結構網格,這取決于它們的網格節(jié)點存儲方式。

數值計算需要知道每一個節(jié)點的坐標,以及每一個節(jié)點的所有相鄰節(jié)點。對于結構網格來說,在數值離散過程中,需要通過結構網格節(jié)點間的拓撲關系獲得所有節(jié)點的幾何坐標,而對于非結構網格,由于節(jié)點坐標是顯式的存儲在網格文件中,因此并不需要進行任何的解析工作。

非結構網格求解器只能讀入非結構網格,結構網格求解器只能讀入結構網格。因為非結構網格求解器缺少將結構網格的幾何拓撲規(guī)則映射得到節(jié)點坐標的功能,而結構網格求解器無法讀取非結構網格,則是由于非結構網格缺少節(jié)點間的拓撲規(guī)則。當前完全的結構網格求解器已經不多了(一些古老的有限差分求解器可能還存在),大多數的求解器為非結構求解器,因此網格導出形式常常是非結構的。

因此,對于網格類型:

1. 非結構網格或結構網格與網格存儲方式有關,與網格的形狀無關。

2. 輸出什么類型的網格,取決于目標求解器支持什么類型的網格。

當前,CAE計算結果依然依賴于網格。好的網格應當具備以下特征