3.6 延伸和掃掠生成有限元模型

下面介紹一些相對前面方法而言更為簡便的劃分網格模式——拖拉、旋轉和掃掠生成有限元網格模型。其中延伸方法主要用于利用二維模型和二維單元生成三維模型和三維單元，如果不指定單元，那么只會生成三維幾何模型，有時它可以成為布爾操作的替代方法，而且通常更簡便。掃掠方法是利用二維單元在已有的三維幾何模型上生成三維單元，該方法對于從CAD中輸入的實體模型通常特別有用。延伸方法與掃掠方法最大的區別在于，前者能在二維幾何模型的基礎上生成新的三維模型同時劃分好網格，而后者必須是在完整的幾何模型基礎上來劃分網格。

3.6.1 延伸（Extrude）生成網格

先用下面方法指定延伸（Extrude）的單元屬性，如果不指定，后面的延伸操作都只會產生相應的幾何模型而不會劃分網格。另外注意的是，如果想生成網格模型，在源面（或者線）上必須劃分相應的面網格（或者線網格）。

    命令：EXTOPT
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Elem Ext Opts

執行上述命令后，彈出Element Extrusion Options對話框，如圖3-37所示，指定想要生成的單元類型（TYPE）、材料號（MAT）、實常數（REAL）、單元坐標系（ESYS）、單元數（VAL1）、單元比率（VAL2），以及指定是否要刪除源面（ACLEAR）。

圖3-37 Element Extrusion Options對話框

用以下命令可以執行具體的延伸操作。

（1）面沿指定軸線旋轉生成體。

          命令：VROTATE
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Areas > About
    Axis

（2）面沿指定方向延伸生成體。

          命令：VEXT
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Areas > By XYZ
    Offset

（3）面沿其法線生成體。

          命令：VOFFST
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Areas > Along
    Normal

注意：當使用VEXT或者相應的GUI時，彈出Extrude Areas by XYZ Offset對話框，如圖3-38所示，其中DX、DY、DZ表示延伸的方向和長度，而RX、RY、RZ表示延伸時的放大倍數，示例如圖3-39所示。

圖3-40 用延伸方法生成空心圓球

圖3-40 用延伸方法生成空心圓球

（4）面沿指定路徑延伸生成體。

          命令：VDRAG
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Areas > Along
    Lines

（5）線沿指定軸線旋轉生成面。

          命令：AROTATE
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Lines > About
    Axis

（6）線沿指定路徑延伸生成面。

          命令：ADRAG
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Lines > Along
    Lines

（7）關鍵點沿指定軸線旋轉生成線。

          命令：LROTATE
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Keypoints > About
    Axis

（8）關鍵點沿指定路徑延伸生成線。

          命令：LDRAG
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Keypoints > Along
    Lines

如果不在EXTOPT中指定單元屬性，那么上述方法只會生成相應的幾何模型，有時可以將它們作為布爾操作的替代方法，如圖3-40所示，可以將空心球截面繞直徑旋轉一定角度直接生成。

圖3-40 用延伸方法生成空心圓球

3.6.2 掃掠（VSWEEP）生成網格

在激活體掃掠之前按以下步驟進行。

（1）確定體的拓撲模型能夠進行掃掠，如果是下列情況之一則不能掃掠：體的一個或多個側面包含多于一個環；體包含多于一個殼；體的拓撲源面與目標面不是相對的。

（2）確定已定義合適的二維和三維單元類型。例如，如果對源面進行預網格劃分，并想掃掠成包含二次六面體的單元，應當先用二次二維面單元對源面劃分網格。

（3）確定在掃掠操作中如何控制生成單元層數，即沿掃掠方向生成的單元數。可用如下方法控制。

    命令：EXTOPT, ESIZE, Val1, Val2
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volume Sweep > Sweep Opts

執行上述命令后，彈出Sweep Options對話框，如圖3-41所示。該對話框中各選項的含義依次如下：是否清除源面的面網格；在無法掃掠處是否用四面體單元劃分網格；程序自動選擇源面和目標面還是用戶手動選擇；在掃掠方向生成多少單元數；在掃掠方向生成的單元尺寸比率。其中關于源面、目標面、掃掠方向和生成單元數的含義示意圖如圖3-42所示。

圖3-41 Sweep Options對話框

圖3-42 掃掠示意圖

（4）確定體的源面和目標面。ANSYS在源面上使用的是面單元模式（三角形或者四邊形），用六面體或者楔形單元填充體。目標面是僅與源面相對的面。

（5）有選擇地對源面、目標面和邊界面劃分網格。體掃掠操作的結果會因在掃掠前是否對模型的任何面（源面、目標面和邊界面）劃分網格而不同。典型情況是用戶在掃掠之前對源面劃分網格，如果不劃分，則ANSYS程序會自動生成臨時面單元，在確定了體掃掠模式之后就會自動清除。

在掃掠前確定是否預劃分網格應當考慮以下因素。

如果想讓源面用四邊形或者三角形映射網格劃分，那么應當預劃分網格。

如果想讓源面用初始單元尺寸劃分網格，那么應當預劃分。

如果不預劃分網格，ANSYS通常用自由網格劃分。

如果不預劃分網格，ANSYS使用有MSHAPE設置的單元形狀來確定對源面的網格劃分。MSHAPE,0,2D生成四邊形單元，MSHAPE,1,2D生成三角形單元。

如果與體關聯的面或者線上出現硬點則掃掠操作失敗，除非對包含硬點的面或者線預劃分網格。

如果源面和目標面都進行預劃分網格，那么面網格必須相匹配。不過，源面和目標面并不要求一定都劃分成映射網格。

在掃掠之前，體的所有側面（可以有連接線）必須是映射網格劃分或者四邊形網格劃分，如果側面為劃分網格，則必須有一條線在源面上，還有一條線在目標面上。

有時盡管源面和目標面的拓撲結構不同，但掃掠操作依然可以成功，只需采用適當的方法即可。如圖3-43所示，將模型分解成兩個模型，分別從不同方向掃掠即可生成合適的網格。

圖3-43 掃掠相鄰體

用戶可用如下方法激活體掃掠。

    命令：VSWEEP, VNUM, SRCA, TRGA, LSMO
    GUI:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volume Sweep > Sweep

如果用VSWEEP命令掃掠體，須指定下列變量值：待掃掠體（VNUM）、源面（SRCA）、目標面（TRGA），另外可選用LSMO變量指定ANSYS在掃掠體操作中是否執行線的光滑處理。

如果采用GUI途徑，則按下列步驟。

（1）選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volume Sweep > Sweep命令，彈出體掃掠選擇框。

（2）選擇待掃掠的體并單擊Apply按鈕。

（3）選擇源面并單擊Apply按鈕。

（4）選擇目標面，單擊OK按鈕。

如圖3-44所示為一個體掃掠網格的示例，圖3-44（a）、圖3-44（c）表示沒有預網格直接執行體掃掠的結果，圖3-44（b）、圖3-44（d）表示在源面上劃分映射預網格然后執行體掃掠的結果，如果用戶覺得這兩種網格結果都不滿意，則可以考慮圖3-44（e）～圖3-44（g）形式，步驟如下。

圖3-44 體掃掠示意圖

（1）清除網格（VCLEAR）。

（2）通過在想要分割的位置創建關鍵點對源面的線和目標面的線進行分割（LDIV），如圖3-44（e）所示。

（3）按圖3-44（e）將源面上增線的線分割復制到目標面的相應新增線上（新增線是步驟（2）產生的）。該步驟可以通過網格劃分工具實現，可選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor >Meshing > MeshTool命令。

（4）手工對步驟（2）修改過的邊界面劃分映射網格，如圖3-44（f）所示。

（5）重新激活和執行體掃掠，結果如圖3-44（g）所示。