【网格划分艺术】：NASTRAN高效网格创建与优化策略


参考资源链接：[PATRAN与NASTRAN安装教程及常见问题解答](https://wenku.csdn.net/doc/2q0e0w0s7r?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. NASTRAN网格创建与优化概述

在有限元分析（FEA）中，网格创建和优化是确保模拟准确性与效率的关键步骤。本章将为读者概述NASTRAN网格创建与优化的必要性及其在整个工程分析流程中的作用。

## 1.1 网格创建的意义

网格是将连续的结构离散化为有限数量的元素和节点的过程。在NASTRAN中，网格创建是一个复杂但至关重要的步骤，它直接影响到后续分析的精确度和计算时间。良好的网格应具备以下特点：
- 足够的单元来模拟复杂的几何形状。
- 合适的单元类型以匹配材料属性和负载条件。
- 较高的网格质量以避免数值误差。

## 1.2 优化的目标

优化的目标是提高网格的效率和精度，同时减少计算资源的消耗。在NASTRAN中，这通常涉及以下活动：
- 减少元素数量，降低求解器的计算需求。
- 提高网格质量，确保数值稳定性。
- 使用自动化工具简化重复性工作，提升生产力。

通过优化网格，工程师能够更加快速地进行迭代设计，并在有限的预算内达到更精确的分析结果。

在后续章节中，我们将深入探讨网格划分的基础理论、实践指南、优化技术以及如何将这些概念应用于实际案例中。通过逐步深入了解，读者将能够掌握NASTRAN网格创建与优化的全面技能。

# 2. NASTRAN网格划分基础理论

### 2.1 网格划分的基本概念

#### 2.1.1 网格类型与特点
网格是数值模拟中的基础，它将连续的物理实体划分为离散的小块，以便于数值分析。在NASTRAN中，网格可以分为多种类型，每种类型都有其独特的应用和特点。

- **线性单元和二次单元**：线性单元在每个边上只有两个节点，而二次单元则拥有额外的节点，这些节点位于边的中点或靠近某些节点的区域。二次单元通常能够提供更精确的结果，但它们的计算成本也更高。
- **一维、二维和三维单元**：一维单元如杆单元，适用于轴向力和弯矩的模拟；二维单元如四边形和三角形，主要用于平面应力和平面应变分析；三维单元则用于空间结构分析。
- **结构化和非结构化网格**：结构化网格具有规则的网格点排列，易于生成和控制，常用于简单的几何形状。非结构化网格则更为灵活，能够适应复杂的几何形状，但生成和处理相对更复杂。

#### 2.1.2 网格质量的重要性
网格质量直接影响到数值分析的准确性。一个高质量的网格应满足以下条件：

- **适宜的网格尺寸**：选择合适大小的网格能够保证计算精度，同时避免过高的计算成本。
- **良好的形状**：理想的网格形状应接近正方形（二维）或正六面体（三维），这样的形状有助于提高数值稳定性和收敛速度。
- **规则的分布**：网格元素在模型中应均匀分布，避免局部元素过于密集或稀疏，这可能会导致局部计算误差过大。

### 2.2 网格划分过程详解

#### 2.2.1 几何清理与预处理
在开始网格划分之前，需要对CAD模型进行几何清理，以确保没有不必要的细节。预处理步骤包括：

- 移除小特征，如小孔、圆角和凹槽。
- 修复拓扑错误，如孔洞、重叠的面或不连续的边缘。
- 简化模型，例如合并可以合并的部分。

这些步骤有助于减少后续网格划分的复杂性和提高计算效率。

#### 2.2.2 网格大小与密度控制
网格密度控制是一个关键因素，它决定了分析的精度和计算时间。适当控制网格大小和密度的方法包括：

- **尺寸函数**：根据几何特征和物理特性，动态调整网格尺寸。
- **网格细化**：在应力集中区域或重要区域使用更小的网格，远离关键区域使用较大网格。
- **自动网格生成**：利用算法自动生成网格，同时提供手动干预以优化网格质量。

#### 2.2.3 自动与手动网格划分技术
网格划分可以采用自动或手动的方式进行，通常两种方式相结合使用效果最佳。

- **自动网格划分**：利用软件的算法快速生成网格，适用于模型简单或者对分析精度要求不高的情况。
- **手动网格划分**：通过用户指定节点和单元，可以实现更细致的网格控制，适用于复杂模型或需要高度精确控制的场景。

### 2.3 网格划分质量评估

#### 2.3.1 质量指标和标准
网格质量评估基于几个关键指标，如雅克比(Jacobian)值、长宽比(Aspect Ratio)、扭曲(Twist)、翘曲(Warp)和形状(Shape)。

- **雅克比值**：描述网格与理想形状的偏离程度。
- **长宽比**：影响数值解的稳定性和精度。
- **扭曲和翘曲**：高扭曲或翘曲的单元可能导致数值不稳定和求解错误。

#### 2.3.2 问题网格的识别与修正
识别和修正问题网格是确保高质量网格划分的重要步骤。一些常见的问题网格包括：

- **悬挂节点**：未被正确连接到相邻单元的孤立节点。
- **不连续网格**：单元边界不对齐，导致计算错误。
- **高曲率区域网格**：在曲率大的区域，网格可能过于扭曲或拥挤。

修正这些问题通常需要重新定义网格参数，或手动调整节点和单元。

# 3. NASTRAN网格划分实践指南

在深入探讨NASTRAN网格划分实践之前，需要了解其重要性与应用背景。在工程和科学计算领域，网格划分是将连续的物理模型转换为离散模型的过程，这是有限元分析（FEA）的基本步骤。高质量的网格划分能够确保分析结果的精确性，而效率的提升则缩短了产品从设计到市场的周期。本章节将着重于如何通过实践提高网格划分的效率和质量。

## 3.1 实例操作：从零开始的网格划分

在本部分，我们将引导您通过实例来掌握从零开始进行NASTRAN网格划分的整个流程。本节的目的是使读者能够熟悉网格划分的基本步骤，并且能够针对不同的结构创建适合的网格模型。

### 3.1.1 选择合适的单元类型

在开始创建网格之前，您需要根据模型的特性选择合适的单元类型。这一步至关重要，因为它将直接影响到计算结果的准确性。在NASTRAN中，常用的单元类型包括四边形壳单元、六面体实体单元等。

示例代码：
SURFACE, ID=1, EID=100, QUAD4
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

在上述代码块中，我们定义了一个具有8个节点的六面体单元。每个节点由数字标识，节点的顺序和连接方式都会影响计算精度和求解效率。在选择单元类型时，需要考虑模型的几何形状、边界条件以及分析类型（如静态、模态、热分析等）。

### 3.1.2 创建复杂结构的网格

对于复杂结构，创建网格需要更加细致的工作。这里，我们将通过一个示例来说明如何使用NASTRAN的网格划分功能来创建复杂结构的网格。

示例代码：
GRID, ID=1, X=0, Y=0, Z=0
GRID, ID=2, X