NASTRAN 2018 网格划分技术：高质量网格创建流程


参考资源链接：[MSC Nastran 2018官方快速参考指南](https://wenku.csdn.net/doc/6401abd2cce7214c316e9a01?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. NASTRAN 2018网格划分技术概述

## 1.1 NASTRAN 2018简介
NASTRAN是一款领先的结构分析软件，被广泛应用于航天航空、汽车、机械等多个行业中。2018版在此前版本的基础上，引入了诸多新功能与改进，尤其是在网格划分技术上，为用户提供了更为强大的工具来提高模型的准确性和仿真效率。

## 1.2 网格划分技术的重要性
在NASTRAN的仿真流程中，网格划分扮演了至关重要的角色。它将连续的模型转化为有限元素的集合，这直接关系到后续计算的精度和效率。一个好的网格划分策略，可以确保仿真结果的可靠性和高性能的计算。

## 1.3 NASTRAN 2018网格划分的革新
2018版的NASTRAN引入了网格质量的自适应技术，改进了混合网格划分的算法，并对多物理场的耦合进行了优化，这些革新大大增强了网格划分的能力，使工程师能够更直观、快速地完成复杂的仿真任务。

该章节旨在为读者提供对NASTRAN 2018网格划分技术的基本了解，并指出其在仿真流程中的重要性，为后续章节中深入探讨网格划分的基础理论、实践操作以及高级技术打下基础。

# 2. 网格划分基础理论

### 网格划分的重要性

#### 网格密度与计算精度的关系

在数值仿真和计算流体动力学中，网格密度直接影响到计算的精度。理论上，网格越密，其计算结果越接近实际物理现象，但这也意味着更高的计算成本和更长的计算时间。为了平衡精度和效率，必须对网格密度进行适当的选择和控制。

graph LR
A[确定分析类型] --> B[选择合适的网格密度]
B --> C[评估计算精度需求]
C --> D[网格细化试验]
D --> E[分析精度和成本]
E --> F{是否满足要求?}
F --> |是| G[最终网格密度]
F --> |否| H[重新评估计算资源]
H --> B

为了达到最优的网格密度，可能需要通过迭代过程，例如从较粗的网格开始，然后逐步细化网格，评估每个阶段的计算结果与预期的误差范围。网格密度的选取往往需要基于经验以及对问题的深刻理解。

#### 网格质量对仿真结果的影响

网格质量对仿真结果的准确性以及收敛性至关重要。一个高质量的网格应当具有以下特点：

- 适当的网格形状：避免极端角度或非常扁平的单元。
- 良好的网格尺寸梯度：平滑过渡的网格尺寸变化可以提高结果的准确性。
- 无重复或交叉的网格节点。
- 避免过度扭曲的单元。

质量差的网格会导致数值解的不稳定或不收敛，影响仿真结果的可靠性。因此，在网格划分过程中，经常需要进行质量检查和优化，以确保网格满足仿真软件的要求。

### 网格类型和元素

#### 常见的网格类型（四面体、六面体、混合网格等）

在有限元分析中，常见的网格类型包括四面体、六面体、以及混合网格。每种类型的网格有其适用性和优势。

- 四面体网格：易于适应复杂几何形状，但计算效率相对较低。
- 六面体网格：计算效率高，但如果几何形状复杂，生成高质量的六面体网格会比较困难。
- 混合网格：结合了以上两种网格类型的优势，适用于复杂结构的分析，但管理上较为复杂。

选择合适的网格类型对于提高计算精度和效率至关重要。这通常取决于分析对象的几何特征和所需的精度等级。

#### 元素的阶数与收敛性

元素的阶数定义了近似解的多项式的最高次幂。高阶元素比低阶元素能够提供更平滑的解和更高的精度，但也带来更高的计算成本。通常情况下，二阶元素比一阶元素有更好的性能表现。

高阶元素的优势：

- 提高解的精度。
- 改善网格单元边界的性能。
- 在分析复杂问题时，减少所需的网格数量。

高阶元素的缺点：

- 增加了计算资源的需求。
- 复杂性增加，可能对计算的稳定性和收敛性造成影响。

### 网格生成方法

#### 自动网格划分技术

自动网格划分技术可以大大减少人工操作的需要，尤其适用于复杂几何体的网格划分。其核心优势在于：

- 提高网格划分的效率。
- 通过算法保证网格的质量。
- 减少人为错误和提高一致性。

自动网格划分技术常见的算法包括Delauany三角剖分、映射法和四叉树/八叉树等。这些算法可以帮助处理复杂边界条件，生成一致且规律的网格。

graph TD
A[选择自动网格划分算法] --> B[定义几何体]
B --> C[设置网格参数]
C --> D[执行网格划分]
D --> E{网格质量检查}
E --> |不合格| F[调整参数并重新划分]
F --> D
E --> |合格| G[完成网格划分]

#### 手动网格划分技巧

尽管自动网格划分技术在许多场景下十分有效，但在特定情形下，手动网格划分是不可或缺的。手动网格划分可以针对特定区域进行精细控制，满足特殊的工程需求。

手动网格划分时应该：

- 识别关键区域：对结果影响大的区域，如应力集中区，应细化网格。
- 网格平滑处理：保持单元形状一致，避免尖锐角度和极端扭曲。
- 使用局部细化：在需要高精度的区域增加网格密度，而非全局细化。

手动网格划分的步骤：

1. 在模型的关键区域手动放置节点。
2. 基于这些节点创建网格。
3. 调整单元的形状和大小，确保满足分析的需求。
4. 对网格进行平滑和优化处理，以提高质量和减少错误。

在进行手动网格划分时，往往需要丰富的经验和专业知识。经验丰富的工程师能够通过直觉判断哪些区域需要更细致的处理，以及如何有效地控制网格质量。

# 3. NASTRAN 2018网格划分实践

## 3.1 预处理设置
### 3.1.1 定义几何模型
在开始进行网格划分之前，定义几何模型是至关重要的一步。在NASTRAN 2018中，构建准确的几何模型是确保后续仿真分析成功的关键。模型的创建应该尽可能地接近实际物体的几何形状。对于复杂的部件或结构，设计师往往需要从计算机辅助设计（CAD）软件中导入模型。

几何模型的导入通常涉及以下步骤：
- **导入CAD模型**：NASTRAN支持多种CAD格式导入，包括常见的IGES、STEP、SAT等。用户应选择适当的格式，确保模型在转换过程中的数据完整性。
- **模型检查**：导入后的模型可能需要进行检查和修改，以确保没有丢失信息，例如检测是否有重叠的表面或未闭合的边界。
- **简化与细节处理**：在NASTRAN中定义几何模型时，要对细节进行简化处理，以减少网格数量