3.3 網格劃分的控制

網格劃分控制能建立用在實體模型劃分網格的因素，例如單元形狀、中間節點位置、單元大小等。此步驟是整個分析中最重要的步驟之一，因為此階段得到的有限元網格將對分析的準確性和經濟性起決定作用。

3.3.1 ANSYS網格劃分工具（MeshTool）

ANSYS網格劃分工具（GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool）提供了最常用的網格劃分控制和最常用的網格劃分操作的便捷途徑。其功能主要包括以下幾方面。

控制SmartSizing水平。

設置單元尺寸控制。

指定單元形狀。

指定網格劃分類型（自由或映射）。

對實體模型圖元劃分網格。

清除網格。

細化網格。

3.3.2 單元形狀

ANSYS程序允許在同一個劃分區域出現多種單元形狀，例如同一區域的面單元可以是四邊形，也可以是三角形，但建議盡量不要在同一個模型中混用六面體和四面體單元。

下面簡單介紹單元形狀的退化，如圖3-4所示，用戶在劃分網格時，應該盡量避免使用退化單元。

圖3-4 四邊形單元形狀的退化

用下列方法指定單元形狀。

          命令：MSHAPE, KEY, Dimension
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool
              Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesher Opts
              Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volumes > Mapped > 4 to 6 sided

如果正在使用MSHAPE命令，維數（2D或3D）的值表明待劃分的網格模型的維數，KEY值（0或1）表示劃分網格的形狀。

KEY=0，如果Dimension=2D, ANSYS將用四邊形單元劃分網格，如果Dimension=3D, ANSYS將用六面體單元劃分網格。

KEY=1，如果Dimension=2D, ANSYS將用三角形單元劃分網格，如果Dimension=3D, ANSYS將用四面體單元劃分網格。

有些情況下，MSHAPE命令及合適的網格劃分命令（AMESH、YMESH或相應的GUI路徑：Main Menu > Preprocessor >Meshing > Mesh > Meshing Option）就是對模型劃分網格的全部所需。每個單元的大小由指定的默認單元大?。ˋMRTSIZE或DSIZE）確定。例如圖3-5左邊的模型用VMESH命令生成右邊的網格。

圖3-5 默認單元尺寸

3.3.3 選擇自由或映射網格劃分

除了指定單元形狀之外，還需指定對模型進行網格劃分的類型（自由劃分或映射劃分），方法如下。

          命令：MSHKEY
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool
              Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesher Opts

單元形狀（MSHAPE）和網格劃分類型（MSHEKEY）的設置共同影響網格的生成，如表3-1所示為ANSYS程序支持的單元形狀和網格劃分類型。

表3-1 ANSYS支持的單元形狀和網格劃分類型

3.3.4 控制單元邊中節點的位置

當使用二次單元劃分網格時，可以控制中間節點的位置，有以下兩種選擇。

邊界區域單元在中間節點沿著邊界線或者面的彎曲方向，這是默認設置。

設置所有單元的中間節點和單元邊是直的，此選項允許沿曲線進行粗糙的網格劃分，但是模型的彎曲并不與之相配。

可用如下方法控制中間節點的位置。

    命令：MSHMID
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesher Opts

3.3.5 劃分自由網格時的單元尺寸控制（SmartSizing）

默認情況下，DESIZE命令方法控制單元大小在自由網格劃分中的使用，但一般推薦使用SmartSizing，為打開SmartSizing，只要在SMARTSIZE命令中指定單元大小即可。

ANSYS中有兩種SmartSizing控制，即基本的和高級的。

1．基本的控制

利用基本的控制，可以簡單地指定網格劃分的粗細程度，從1（細網格）到10（粗網格），程序會自動設置一系列獨立的控制值用來生成想要的網格大小，方法如下。

    命令：SMRTSIZE, SIZLVL
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool

如圖3-6所示為利用幾個不同的SmartSizing設置所生成的網格。

圖3-6 對同一模型面SmartSize的劃分結果

2．高級的控制

ANSYS還允許用戶使用高級方法專門設置人工控制網格質量，方法如下。

    命令：SMRTSIZE and ESIZE
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > SmartSize > Adv Opts

3.3.6 映射網格劃分中單元的默認尺寸

DESIZE命令（GUI路徑：Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Global > Other）常用來控制映射網格劃分的單元尺寸，同時也可用在自由網格劃分的默認設置，但是對于自由網格劃分，建議使用SmartSizing（SMRTSIZE）。

對于較大的模型，通過DESIZE命令查看默認的網格尺寸是明智的，可通過顯示線的分割來觀察將要劃分的網格情況。預查看網格劃分的步驟如下。

（1）建立實體模型。

（2）選擇單元類型。

（3）選擇容許的單元形狀（MSHAPE）。

（4）選擇網格劃分類型，即自由或映射（MSHKEY）。

（5）輸入LESIZE、ALL（通過DESIZE規定調整線的分割數）。

（6）顯示線（LPLOT）。

下面結合如圖3-7所示實例來說明。

圖3-7 粗糙的網格

如果覺得網格太粗糙，可用通過改變單元尺寸或者線上的單元份數來加密網格，方法如下。

    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Layers > Picked Lines

彈出Elements Sizes on Picked Lines拾取菜單，用鼠標單擊拾取屏幕上的相應線段，單擊OK按鈕，彈出Area Layer-Mesh Controls on Picked Lines對話框，如圖3-8所示，在SIZE Element edge length文本框中輸入具體數值（即單元的尺寸），或者在NDIV No.of line divisions文本框中輸入正整數（即所選擇的線段上的單元份數），單擊OK按鈕。然后重新劃分網格，效果如圖3-9所示。

圖3-8 Area Layer-Mesh Controls on Picked Lines對話框

圖3-9 預覽改進的網格

3.3.7 局部網格劃分控制

在許多情況下，對結構的物理性質而言用默認單元尺寸生成的網格不合適，例如有應力集中或奇異的模型。在這種情況下，需要將網格局部細化，詳細說明如下。

（1）通過表面的邊界所用的單元尺寸控制總體的單元尺寸，或者控制每條線劃分的單元數。

    命令：ESIZE
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Global > Size

（2）控制關鍵點附近的單元尺寸。

          命令：KESIZE
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Keypoints > All KPs
              Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Keypoints > Picked KPs
              Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Keypoints > Clr Size

（3）控制給定線上的單元數。

          命令：LESIZE
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Lines > All Lines
              Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Lines > Picked Lines
              Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Lines > Clr Size

以上敘述的所有定義尺寸的方法都可以一起使用，但遵循一定的優先級別，具體說明如下。

用DESIZE定義單元尺寸時，對任何給定線，沿線定義的單元尺寸優先級是用LESIZE指定的為最高級，KESIZE次之，ESIZE再次之，DESIZE為最低級。

用SMRTSIZE定義單元尺寸時，優先級是LESIZE為最高級，KESIZE次之，SMRTSIZE為最低級。

3.3.8 內部網格劃分控制

前面關于網格尺寸的討論集中在實體模型邊界的外部單元尺寸的定義（LESIZE和ESIZE等），然而也可以在面的內部（即非邊界處）沒有可以引導網格劃分的尺寸線處控制網格劃分，方法如下。

    命令：MOPT
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Global > Area Cntrls

1．控制網格的擴展

MOPT命令中的Lab=EXPND選項可以用來引導在一個面的邊界處將網格劃分較細，而內部則較粗，如圖3-10所示。

圖3-10 網格擴展示意圖

在圖3-10中，左邊網格是由ESIZE命令（GUI路徑：Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls >Global > Size）對面進行設定生成的，右邊網格是利用MOPT命令的擴展功能（Lab=EXPND）生成的，其區別顯而易見。

2．控制網格過渡

圖3-10（b）中的網格還可以進一步改善，MOPT命令中的Lab=TRANS項可以用來控制網格從細到粗的過渡，如圖3-11所示。

圖3-11 控制網格的過渡（MOPT, EXPND,1.5）

3．控制ANSYS的網格劃分器

可用MOPT命令控制表面網格劃分器（三角形和四邊形）和四面體網格劃分器，使ANSYS執行網格劃分操作（AMESH和VMESH）。

    命令：MOPT
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesher Opts

執行上述命令后彈出的Mesher Options對話框如圖3-12所示，在該對話框中，AMESH后面的下拉列表框中的選項對應三角形表面網格劃分，包括Program chooses（默認）、main、Alternate和Alternate2共4個選項；QMESH后面的下拉列表框中的選項對應四邊形表面網格劃分，包括Program chooses（默認）、main和Alternate共3個選項，其中main又稱為Q-Morph（quad-morphing）網格劃分器，多數情況下能得到高質量的單元，如圖3-13所示，另外，Q-Morph網格劃分器要求面的邊界線的分割總數是偶數，否則將產生三角形單元；VMESH后面的下拉列表框中的選項對應四面體網格劃分，包括Program chooses（默認）、Alternate和main共3個選項。

圖3-12 網格化選項對話框

圖3-13 網格劃分器

4．控制四面體單元的改進

ANSYS程序允許對四面體單元做進一步改進，方法如下。

    命令：MOPT, TIMP, Value
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesher Opts

彈出的Mesher Options對話框如圖3-12所示，在該對話框中，TIMP后面的下拉列表框表示四面體單元改進的程度，從1～6,1表示提供最小的改進，5表示對線性四面體單元提供最大的改進，6表示對二次四面體單元提供最大的改進。

3.3.9 生成過渡棱錐單元

ANSYS程序在下列情況下會生成過渡的棱錐單元。

用戶準備對體用四面體單元劃分網格，待劃分的體直接與已用六面體單元劃分網格的體相連。

用戶準備用四面體單元劃分網格，而目標體上至少有一個面已經用四邊形網格劃分。

如圖3-14所示為一個過渡網格的示例。

圖3-14 過渡網格示例

當對體用四面體單元進行網格劃分時，為生成過渡棱錐單元，應事先滿足以下條件。

設定單元屬性時，需確定給體分配的單元類型可以退化為棱錐形狀。

設置網格劃分時，激活過渡單元表面讓三維單元退化。

激活過渡單元（默認）的方法如下。

    命令：MOPT, PYRA, ON
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesher Opts

生成退化三維單元的方法如下。

    命令：MSHAPE,1,3D
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesher Opts

3.3.10 將退化的四面體單元轉化為非退化的形式

在模型中生成過渡的棱錐單元之后，可將模型中的20節點退化四面體單元轉化成相應的10節點非退化單元，方法如下。

    命令：TCHG, ELEM1, ELEM2, ETYPE2
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Modify Mesh > Change Tets

不論是使用命令方法還是GUI路徑，用戶都應按表3-2轉換合并的單元。

表3-2 允許ELEM1和ELEM2單元合并

執行單元轉化的好處在于節省內存空間，加快求解速度。

3.3.11 執行層網格劃分

ANSYS程序的層網格劃分功能（當前只能對二維面）能生成線性梯度的自由網格。

（1）沿線只有均勻的單元尺寸（或適當的變化）。

（2）垂直于線的方向單元尺寸和數量有急劇過渡。

這樣的網格適于模擬CFD邊界層的影響以及電磁表面層的影響等。

用戶可以通過ANSYS GUI也可以通過命令對選定的線設置層網格劃分控制。如果用GUI路徑，則選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool命令，顯示網格劃分工具，單擊Layer相鄰的設置按鈕，打開選擇線對話框，接下來是Area Layer Mesh Controls on Picked Lines對話框，可在其上指定單元尺寸（SIZE）和線分割數（NDIV）、線間距比率（SPACE）、內部網格的厚度（LAYER1）和外部網格的厚度（LAYER2）。

注意：LAYER1的單元是均勻尺寸的，等于在線上給定的單元尺寸；LAYER2的單元尺寸會從LAYER1的尺寸緩慢增加到總體單元的尺寸；另外，LAYER1的厚度可以用數值指定，也可以利用尺寸系數（表示網格層數），如果是數值，則應該大于或等于給定線的單元尺寸，如果是尺寸系數，則應該大于1，如圖3-15所示為層網格的示例。

圖3-15 層網格示例

如果想刪除選定線上的層網格劃分控制，選擇網格劃分工具控制器上包含Layer的清除按鈕即可。

用戶也可以用LESIZE命令定義層網格劃分控制和其他單元特性，在此不再贅述。

用下列方法可查看層網格劃分尺寸規格。

    命令：LLIST
    GUI:Utility Menu > List > Lines