ABAQUS网格重划分的艺术：5个技巧与最佳实践


参考资源链接：[ABAQUS教程：删除网格与重新化分操作](https://wenku.csdn.net/doc/3nmrhvsu7n?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ABAQUS网格重划分概述

## 1.1 理解网格重划分的需求

在使用ABAQUS进行仿真分析时，模型的准确性很大程度上取决于网格的质量。网格重划分是一种技术，它允许在仿真过程中动态调整网格，以改善网格质量，提升计算精度，或是适应材料和几何的非线性变化。理解何时以及如何实施网格重划分，对于提高仿真结果的可靠性和准确性至关重要。

## 1.2 网格重划分的重要性

网格重划分不仅能够改善局部区域的网格质量，还能够有效地控制分析过程中的计算资源消耗。它在复杂模型和材料非线性问题中尤为重要，因为这些情况往往要求更高的网格密度和更好的网格质量来捕捉关键行为和性能。通过网格重划分，工程师能够确保仿真结果的精度，同时又不至于造成资源的浪费。

## 1.3 网格重划分的步骤

网格重划分通常涉及以下几个步骤：首先，在ABAQUS中定义网格控制参数和重划分条件；然后，根据仿真分析过程中的应力、应变分布和网格质量指标进行重划分；最后，重新生成网格并继续仿真计算。每一步都需要细致的操作和充分的测试，以确保重划分策略的有效性。

flowchart LR
    A[定义网格控制和重划分条件] --> B[根据分析动态调整网格]
    B --> C[重新生成网格]
    C --> D[继续仿真计算]
    D --> E[评估并优化重划分策略]

在本章的后续内容中，我们将详细探讨网格重划分的基础知识和技巧，以帮助读者更好地理解和应用这一关键技术。

# 2. 网格重划分的基础知识

## 2.1 网格重划分的概念和重要性

### 2.1.1 理解网格重划分的定义

网格重划分，也称为网格适应性或网格再生技术，是一种针对计算网格的动态调整过程，用以改进网格质量、提高仿真精度以及提升计算效率。在有限元分析（FEA）中，特别是在ABAQUS等高级仿真软件中，网格重划分技术是至关重要的，因为它允许模型在仿真过程中根据预设的规则和条件重新生成网格。

从一个更具体的角度来看，网格重划分可分为局部重划分和全局重划分两种类型。局部重划分通常用于模型的特定区域，这些区域可能由于变形、应力集中或其他物理现象的出现而需要更细致的网格。全局重划分则是针对整个模型进行，适用于模型的初始网格划分不够精确或是在模型变形过大导致网格质量下降的情况。

### 2.1.2 网格重划分在仿真中的作用

网格重划分技术的引入显著提高了仿真软件对复杂问题的处理能力。它使得仿真模型能够适应于不同的物理和几何变化，从而增加了结果的可靠性和精度。在一些极端变形的仿真中，如金属成型、碰撞模拟和生物力学分析，未进行网格重划分的模型很可能会因为网格的畸变导致计算不收敛或者结果不准确。

网格重划分还可以优化计算资源的使用，减少不必要的计算时间。通过自动重划分，可以减少需要进行手动调整的次数，让工程师将精力集中在模型分析而非网格生成上。此外，当仿真模型在不同阶段需要不同水平的细节时，网格重划分能够提供一个更为高效的方式来实现模型的逐步细化，而不必从头开始重新建立模型。

## 2.2 网格类型及其特点

### 2.2.1 四边形与三角形网格的比较

在有限元分析中，根据问题的性质和模型的几何形状，选择合适的网格类型对于提高仿真效率和精度至关重要。四边形和三角形是最常见的两种网格元素。

四边形网格通常在二维（2D）或三维（3D）结构中使用，因其规则性和易于实现局部细化的优点，四边形网格被广泛用于各种工程应用。四边形网格在平滑区域具有较好的表现，而且在进行网格自适应过程中可以减少不必要的网格数量，从而节约计算资源。

三角形网格则因为具有灵活性，能够更好地适应复杂的几何边界和结构的不规则部分，因此，在模型中有较多曲面或细节时，三角形网格是一种很好的选择。三角形网格较容易生成，但是可能会导致更多的元素数量，从而增加计算成本。

### 2.2.2 高阶元素的优势与限制

在有限元分析中，高阶元素提供了更精确的近似，特别是在描述复杂的场变量分布时。高阶元素具有更多的节点和高阶多项式基函数，能够捕捉更复杂的变化，如应力集中、不连续性和局部效应，这使得它们在解决一些高精度要求的问题时非常有用。

然而，高阶元素也有其局限性。它们通常需要更多的计算资源，因为每个元素的自由度更多，计算过程更为复杂。此外，高阶元素的形状函数更加复杂，这在进行网格自适应过程中可能产生问题，特别是当网格发生畸变时，高阶元素的性能可能会大打折扣。

## 2.3 网格质量评估标准

### 2.3.1 形状和大小指标

网格质量对于仿真的准确性至关重要，一个高质量的网格可以提高计算效率并确保结果的可靠性。评估网格质量的一个重要方面是考虑网格的形状和大小指标。

形状指标主要涉及到网格元素的几何形状，理想情况下，元素应尽可能接近规则形状，例如二维中的正方形或等边三角形，三维中的正方体或正四面体。实际应用中，元素的形状可能会因为模型的复杂性而偏离理想形状。形状指标包括雅可比比值、内角和外角、形状扭曲度等，这些指标有助于评估元素的变形程度。

大小指标通常包括网格元素的尺寸、间距以及元素间的均匀度。均匀的网格分布能够保持模型中各处的分辨率一致性，从而保证仿真的全面性和准确性。在网格重划分过程中，大小指标是调整网格密度的重要依据，确保重要的区域能够获得更多的计算资源。

### 2.3.2 网格密度和渐变的影响

网格密度是另一个评估网格质量的关键因素，它指的是单位长度上的网格数量。高密度的网格能够提供更高的仿真精度，但是也会增加计算成本。网格密度的调整需要根据问题的需要来进行，比如在应力集中的区域可能需要更密集的网格，而在相对变化较小的区域则可以使用较稀疏的网格。

网格密度的渐变也是评估网格质量的一个重要方面，特别是在模型的边缘和角落等重要区域。渐变良好的网格密度能够保证计算结果的连续性和准确性，避免因网格突然变化导致的误差。在网格重划分过程中，控制网格密度的渐变是确保仿真结果可靠性的关键步骤。在ABAQUS等仿真软件中，提供了多种工具和方法来控制网格密度的渐变，工程师可以根据模型的特点和仿真需求，灵活地应用这些工具和方法。

为了深入理解网格密度与渐变对仿真结果的影响，下表展示了网格密度和渐变对典型机械部件应力分析的影响：

| 情景 | 网格密度 | 渐变 | 应力分析结果 |