ANSYS网格划分问题全解析：5大提升仿真准确性的策略


# 摘要
本文系统地介绍了ANSYS网格划分的理论基础、实践技巧、常见问题以及高级应用。首先概述了网格划分的概念和重要性，然后深入探讨了网格类型、密度、质量评估标准以及雅可比矩阵、形状函数、网格尺寸和扭曲度等关键参数。随后，文章着重介绍了ANSYS在网格划分中的实践技巧，包括初始网格划分、细化、优化以及处理多物理场问题的策略。此外，文章还分析了网格划分中可能遇到的问题和解决方案，并通过自动化工具来改善网格划分过程。最后，文章探索了高级网格划分技术及其在提高仿真准确性中的作用，并通过案例研究展示了复杂结构的网格划分策略。

# 关键字
ANSYS；网格划分；网格质量；自动化工具；仿真准确性；多物理场耦合

参考资源链接：[ANSYS错误信息汇总与解决方法](https://wenku.csdn.net/doc/5s7419h2xa?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ANSYS网格划分概述

在计算机辅助工程（CAE）领域，ANSYS作为一款功能强大的仿真软件，其网格划分是进行有限元分析（FEA）不可或缺的第一步。网格划分的质量直接影响到仿真结果的准确性和效率。本章首先简要介绍ANSYS网格划分的基本概念，为读者建立起网格划分的基础框架和重要性认识，随后将详细探讨网格划分的理论基础、实践技巧、常见问题及其解决方法以及进阶应用，帮助读者逐步深入理解并运用ANSYS进行高效的仿真工作。

## 1.1 网格划分的重要性

网格划分的重要性体现在它为结构离散化和后续数值计算提供了基础。在ANSYS中，模型被分割成数个小的、规则或不规则的形状，这些形状称为元素(element)，这些元素的集合称为网格。正确的网格划分能确保分析的精确度，而一个粗糙的网格划分则可能导致结果出现较大的误差。因此，为了使分析结果可靠，选择合适的网格类型、网格密度和网格质量评估标准是至关重要的。

flowchart LR
  A[模型] -->|划分网格| B(网格)
  B --> C[有限元分析]
  C --> D[数值计算结果]
  D -->|检查结果精度| E{是否满足精度要求?}
  E -- "是" --> F[结束分析]
  E -- "否" --> G[网格优化]
  G --> B

如流程图所示，网格划分在仿真分析中的重要性和循环优化过程。

# 2. 网格划分理论基础

## 2.1 网格划分的基本概念

### 2.1.1 网格类型及其特性

在有限元分析（FEA）中，网格是将连续的物理域离散化为有限数量的子域的过程，这些子域通常称为元素（Elements）。网格的类型和特性对于确保分析的准确性和效率至关重要。

- **结构化网格**：结构化网格是由规则形状（如四边形或六面体）的元素构成，相邻元素之间有规律的连接方式。这种网格类型适合于规则的几何形状，计算效率高，但对复杂几何的适应性较差。
- **非结构化网格**：非结构化网格是由不规则形状的元素（如三角形或四面体）构成，元素之间连接方式不规则。这种网格类型对复杂几何形状的适应性强，但计算效率相对较低。
- **混合网格**：混合网格结合了结构化和非结构化的优点，在模型的不同部分使用不同类型的网格，以平衡计算效率和适应性。

### 2.1.2 网格密度的重要性

网格密度，即单位区域内的元素数量，是影响有限元分析精度和计算成本的关键因素之一。增加网格密度可以提高计算精度，但同时会增加计算成本和时间。

- **局部密度**：在模型的关键区域，如应力集中区或梯度变化大的区域，增加网格密度可以更准确地捕捉物理现象。
- **整体密度**：全局增加网格密度虽然可以提高整体模型的精度，但成本的增加可能不成比例。

## 2.2 网格质量的评估标准

为了保证网格的质量，必须根据一系列标准来评估，包括雅可比矩阵、网格尺寸、扭曲度、连续性和正则性。

### 2.2.1 雅可比矩阵和形状函数

雅可比矩阵是一个描述元素中任意点与节点位置关系的矩阵。一个高雅可比值表明节点布局远离奇异点，元素形状更好。形状函数则定义了元素内部场变量的分布情况。高质量的元素应具备良好的雅可比矩阵和合理设计的形状函数。

### 2.2.2 网格尺寸和扭曲度

网格尺寸是元素的特征长度，直接影响计算精度。尺寸越小，精度越高，但计算成本也越大。网格扭曲度是描述元素形状偏离理想形状的程度，高扭曲度的网格可能导致计算结果的不准确。

### 2.2.3 网格连续性和正则性

连续性指元素间的界面光滑性，连续性好可以确保场变量在元素间平滑变化。正则性指元素在形状上的规则性，正则性好有助于提高计算的稳定性。在实际操作中，为了确保模拟的准确性，通常会采用一些软件工具，如ANSYS Workbench，来自动化评估这些标准，并提出优化建议。

graph TD
A[开始] --> B[网格质量评估]
B --> C[雅可比矩阵检查]
C --> D[网格尺寸检查]
D --> E[扭曲度分析]
E --> F[连续性与正则性分析]
F --> G[结束]

在网格生成和优化过程中，上述各个标准都是不可或缺的，必须经过反复的检查和调整才能达到预期的精度要求。在实际工程应用中，这需要结合具体问题的需求，进行细致的网格划分策略设计。

# 3. ANSYS网格划分实践技巧

## 3.1 初始网格划分的操作流程

### 3.1.1 几何清理与简化

在进行ANSYS网格划分之前，几何清理与简化是一个重要的前置步骤。这一步骤对于确保网格生成的质量和准确性具有决定性的作用。复杂的几何模型可能包含很多对分析结果影响不大的细节，比如小孔、凹槽或者倒角等，它们在数值仿真中往往是不必要的，而且还可能导致网格生成失败。

在几何清理的过程中，我们通常会进行以下几个操作：

- 移除不必要的特征，比如小孔和小的凹槽。
- 合并相邻的小面成一个大面，以减少网格数量和提高计算效率。
- 修复拓扑错误，如孔洞、重叠的面和边缘等。
- 对于具有细小特征的模型，可以使用简化工具如“Simplify”来减小模型复杂度。

简化后的模型应保持其主要特征，同时去除可能引起网格划分困难的复杂细节。利用ANSYS Workbench中的几何工具箱（DesignModeler或SpaceClaim），可以方便地执行这些清理和简化操作。

### 3.1.2 网格生成工具的选择与应用

一旦完成几何模型的清理与简化，接下来的步骤就是网格生成。ANSYS提供了多种网格生成工具，可以根据模型的复杂度和分析类型选择适当的工具。

- **Automatic Method**：适用于简单模型，ANSYS自动将模型分为若干区域，并为每个区域选择合适的网格类型和尺寸。
- **Mapped Meshing**：适用于具有规则几何形状的模型，如长方体、圆柱体等，可以生成规则的网格。
- **Tetrahedral Meshing**：适用于复杂几何体，通过分割体素来生成四面体网格，支持自动和手动控制。
- **Patch Conforming**：适用于表面网格生成，能够更好地控制表面网格密度和分布。
- **Patch Independent**：适用于不需要特别关注网格形状，但需要控制网格数量的复杂模型。

每种方法都有其适用的场景，因此需要根据实际情况选择合适的工具。例如，对于流体分析，常常需要在边界层区域设置密度更高的网格，此时使用Patch Independent方法较为合适。

### 3.1.3 实践示例：几何清理与网格生成

下面通过一个简单的示例来展示几何清理和网格生成的整个过程：

1. 打开ANSYS DesignModeler或SpaceClaim，导入原始的几何模型。
2. 使用工具箱中的删除和合并功能，清理不必要的特征。
3. 应用几何修复功能，确保模型没有错误。
4. 设置适当的网格尺寸，选择合适的网格生成方法。
5. 生成网格并进行预览，确保没有问题后提交网格。

在操作时，可以利用ANSYS Workbench平台，从几何模型直接进入网格划分模块。Workbench的几何清理和网格划分工具能够提供实时的预览和反馈，极大地提高了工作效率。

graph LR
A[导入原始模型] --> B[几何清理]
B --> C[几何修复]
C --> D[设置网格尺寸]
D --> E[选择网格生成方法]
E --> F[生成网格预览]
F --> G[提交网格]

在整个过程中，用户可以实时看到网格划分的效果，并根据需要进行调整。通过反复的优化，直到达到理想的网格质量为止。

## 3.2 网格细化与优化策略

### 3.2.1 关键区域的网格细化

在进行仿真分析时，模型中可能会有某些区域对结果的影响更大，如应力集中区域或者热传递的关键路径。在这种情况下，就需要在这些特定区域采用更细小的网格来提高分析的准确性。ANSYS提供了丰富的网格细化工具和策略，帮助工程师在指定区域生成高密度网格。

关键区域网格细化的常用方法包括：

- **局部细化法**：通过手动选择特定区域或通过设定尺寸函数在局部区域生成更细小的网格。
- **尺寸函数法**：通过设置尺寸函数控制网格大小，确保在关键区域生成高密度网格。
- **网格控制区域法**：创建网格控制区域，指定网格大小，然后对选定区域应用自适应细化。

### 3.2.2 网格自动化与手动调整对比

ANSYS支持自动网格划分和手动网格调整两种方式。自动网格划分是快速简便的途径，尤其适合于初始的仿真分析。手动调整网格则更加精细，更适合于对分析结果有严格要求的场合。

在手动调整网格时，用户可以直接控制网格的生成，对特定区域进行自定义设置。但这也增加了操作的复杂性，需要用户具有一定的网格划分经验。自动网格划分依赖于ANSYS的算法，虽然速度快，但可能会生成一些不必要的网格，或者在某些关键区域缺乏足够的密度。

### 3.2.3 网格独立性检验

网格独立性检验是网格划分中非常重要的一个步骤，它确保了仿真结果不会因为网格的不同而产生显著变化。这是通过逐步细化网格，并比较分析结果来实现的。只有当结果不再随网格细化而变化，或者变化在可接受的范围内，网格独立性检验才算通过。

网格独立性检验的步骤包括：

1. 设计网格细化计划，包括初始网格、第一级细化网格和第二级细化网格。
2. 运行仿真，收集各个级别的网格划分结果。
3. 比较结果，分析误差和网格密度的关系。
4. 如果结果变化过大，继续进行下一级的网格细化。
5. 直到结果的变动在可接受的误差范围内，确定最终的网格划分。

网格独立性检验不仅需要时间，还需要消耗计算资源，但是为了保证仿真结果的可靠性，这是一个不可或缺的步骤。

## 3.3 多物理场网格划分的挑战

### 3.3.1 耦合场问题的网格匹配

在多物理场仿真中，不同的物理场之间存在耦合关系。例如，在进行热-结构耦合分析时，需要同时解决热传导方程和结构应力方程。因此，在网格划分时，就需要保证各个物理场的网格相匹配，避免因为网格差异导致的计算误差。

为了实现多物理场网格匹配，通常需要执行以下步骤：

1. 确定每个物理场的主导区域，并根据其特性生成相应的网格。
2. 检查不同物理场之间网格的一致性，调整匹配不良的网格。
3. 使用ANSYS提供的网格链接技术确保网格在耦合区域的一致性。
4. 运行耦合仿真，根据仿真结果调整网格以优化精度。

### 3.3.2 时间依赖性网格的动态划分

在涉及时间依赖性的分析，如瞬态仿真时，模型的网格划分也需要考虑时间的维度。例如，在模拟爆炸或冲击波传播时，波前区域需要更细密的网格来捕捉快速变化的物理量。

时间依赖性网格划分通常包括以下策略：

- **自适应网格细化**：在仿真过程中根据物理量的变化自适应地细化或粗化网格。
- **映射网格移动**：在处理大位移问题时，通过映射技术移动网格，保持网格质量。
- **时间步长控制**：与网格划分相结合的时间步长控制策略，以确保在每个时间步中都能够捕捉到精确的变化。

这些动态划分方法虽然复杂，但在正确实施的情况下，可以大大提高仿真的准确度和效率。

通过本章节的介绍，读者应该对ANSYS网格划分的实践技巧有了更深入的理解。下一章节将详细探讨网格划分问题和解决方案，帮助用户在实践中更好地应用这些技巧，优化仿真过程。

# 4. 网格划分问题与解决方案

网格划分是ANSYS仿真过程中的一个关键步骤，它直接影响到仿真的准确性、效率和最终结果。由于模拟对象的复杂性和多样性，网格划分过程中可能会遇到一系列问题，这些问题若不能妥善解决，将导致仿真的失败或者结果的不准确。本章将重点讨论这些问题，并提出相应的解决方案。

## 4.1 常见网格划分问题分析

### 4.1.1 网格自交叉和重叠问题

网格自交叉和重叠是网格划分过程中比较常见的问题。自交叉的网格会导致仿真软件无法计算出准确的解，重叠的网格则会产生不必要的计算负担和潜在的计算错误。

#### 问题解决方法

要解决网格自交叉和重叠问题，可以采取以下措施：

- 在几何清理阶段要彻底去除多余的几何特征。
- 在网格生成过程中，选择合适的网格类型和细化策略，确保网格之间不发生交叉。
- 如果软件提供了网格交叉检查功能，一定要开启并检查。
- 对于出现交叉或重叠的网格，手动进行调整，或者使用自动修复工具进行修复。

以下是利用ANSYS软件修复网格自交叉和重叠的示例代码块：

! 假设已经导入了需要检查的网格文件
! 对于网格自交叉和重叠进行检查和修复
/prep7
elcheck,all
! 此命令会检查所有单元的交叉情况
! 如果发现交叉和重叠，可以通过以下命令尝试修复
emodif,all,smooth,1
! 此命令会对所有单元进行平滑处理以减少交叉和重叠

### 4.1.2 网格过于稀疏或过于密集的影响

网格密度的控制是确保仿真准确性的重要因素。如果网格过于稀疏，可能会漏失重要的物理现象；相反，网格过于密集会导致计算时间过长和计算资源的浪费。

#### 问题解决方法

- 根据仿真的类型和精确度要求，合理选择网格的初始尺寸。
- 对于关键区域，进行适当的网格细化，而对于非关键区域则可以适当粗化网格。
- 进行网格独立性检验来确定合适网格密度。

以下是一个通过代码实现网格密度调整的示例：

/prep7
! 假设已经完成了初始网格划分
! 对关键区域进行细化
esize,,0.01
! 设置细化区域的网格尺寸为0.01单位长度
smrtsize,1
! 开启智能网格尺寸，以便更好地适应复杂几何
esize,,0.1
! 对其他区域保持较大的网格尺寸，以节省计算资源

! 进行网格独立性检验
solve
! 运行仿真计算
! 比较不同网格尺寸下的结果差异
! 调整网格尺寸直到结果稳定

### 4.1.3 边界层网格的处理

在涉及流体流动的仿真中，边界层网格的处理至关重要。边界层网格需要细化以准确捕捉流体在壁面附近的流动特性。

#### 问题解决方法

- 在网格生成时，特别注意边界层网格的生成，确保网格在壁面附近是细化的。
- 使用边界层网格生成工具，如ANSYS的"Layered Tetrahedrons"工具。
- 调整边界层网格的厚度、层数和增长比例等参数，以获得最佳的网格质量。

代码示例：

/prep7
! 定义边界层网格的参数
lsize,,,0.01,1.2,3,4
! lsize命令定义边界层网格的厚度和增长比例
! 第一个参数定义层的数量，后面分别定义厚度、初始高度和增长比例
latt,1,1
! latt命令应用于指定的边界线，生成边界层网格

## 4.2 网格划分的自动化工具应用

### 4.2.1 自动网格划分技术

现代仿真软件中通常包含了自动网格划分功能，这可以大大节省工程师的建模时间，但同时也可能带来网格划分的问题。

#### 自动网格划分技术的优势和局限

优势：
- 显著提高了网格划分的效率。
- 在处理复杂几何时，自动划分可以简化操作。

局限：
- 自动网格划分可能无法准确捕捉到所有的关键区域。
- 过度依赖自动划分可能导致对网格质量控制的忽视。

### 4.2.2 模型适应性网格划分策略

针对不同的仿真实例，应制定相应的网格划分策略。在某些关键区域可能需要更精细的网格，而在其他区域则可以使用较粗的网格。

#### 模型适应性网格划分的实施

- 根据模型的特性和仿真要求，确定各部分网格的密度和类型。
- 在关键区域采用高密度、高质量的网格，而在非关键区域使用较低密度的网格。

### 4.2.3 网格自适应与再划分

网格自适应是针对仿真过程中需要动态调整网格的技术，以提高仿真的精度和效率。

#### 网格自适应的应用

- 在仿真的某些阶段（如非线性问题迭代中），根据计算误差的大小和分布，自动调整网格密度。
- 再划分网格时，考虑计算的精度和计算成本的平衡。

网格划分在任何仿真软件中都是一项重要技术，且往往是仿真实践中的主要挑战之一。通过采用合适的网格划分策略和工具，工程师可以有效提高仿真的精度和效率。本章节通过介绍常见网格划分问题和解决方案，以及自动化工具的应用，旨在帮助工程师更好地理解和掌握网格划分的艺术和技术。

# 5. ANSYS网格划分进阶应用

## 5.1 高级网格划分技术

高级网格划分技术是提升仿真准确性的关键技术之一，尤其是在处理复杂模型和边界条件时，合理应用这些技术可以显著改善计算结果的可靠性。

### 5.1.1 网格控制与局部细化

在进行网格划分时，控制网格的分布和细化对于捕捉模型的关键物理现象至关重要。局部细化技术允许用户在模型的特定区域生成更密集的网格，以获取更精确的解。例如，在应力集中的区域、流体动力学分析中的边界层或者温度变化剧烈的区域，需要进行局部的网格细化。

使用ANSYS软件，可以通过设置网格控制参数来实现局部细化。以下是一个简单的ANSYS APDL（ANSYS Parametric Design Language）代码示例，展示如何在特定区域应用网格细化：

/PREP7
! 定义一个局部区域，例如一个在(0,0,0)到(100,100,100)的立方体
BLOCK, 0, 100, 0, 100, 0, 100
! 应用网格划分
VMESH, ALL
! 在局部区域生成更细的网格
LESIZE, ALL, , , 0.1

这段代码首先定义了一个立方体区域，并为其生成网格。然后，它通过`LESIZE`命令对整个模型应用了一个更细的网格划分，`0.1`是控制网格尺寸的参数，可以根据需要调整以达到期望的网格细化水平。

### 5.1.2 多尺度网格技术的应用

多尺度网格技术能够同时在一个模型中使用不同大小的网格，这对于跨越不同物理尺度的问题特别有用。在材料内部可能存在微观结构，而在宏观层面上材料表现为均匀连续体。利用多尺度网格技术，可以在不同的尺度上分别进行网格划分，从而在不显著增加计算成本的同时提高模拟的准确性。

ANSYS中可以通过定义多个网格控制区域来实现多尺度网格划分，每个区域可以独立设置网格尺寸和类型。这一技术的应用对于材料科学、生物力学等领域尤为重要。

## 5.2 网格划分在仿真准确性中的作用

### 5.2.1 网格独立解的获取与验证

在进行仿真分析时，验证得到的解是否为网格独立解是非常关键的步骤。网格独立解是指当网格足够细密以至于结果不再因网格变化而有显著改变的解。为了获得网格独立解，通常需要多次对网格进行细化，并运行仿真以比较结果。

验证网格独立解的过程一般包括以下步骤：

1. 生成一系列不同密度的网格。
2. 对每个网格独立执行仿真。
3. 记录关键结果指标，例如位移、应力、温度等。
4. 分析结果指标随网格密度变化的趋势。
5. 确定网格细化对结果影响的阈值，从而确定最小网格密度。

### 5.2.2 网格划分与计算资源平衡

网格划分与计算资源之间的平衡是决定仿真项目成功与否的关键因素之一。过于粗糙的网格可能导致结果的不准确，而过度细化则会显著增加计算成本和时间。因此，在进行网格划分时，需要考虑可用的计算资源，并找到最佳的平衡点。

计算资源包括但不限于CPU时间、内存使用、存储空间等。对于大型复杂模型，可能需要借助高性能计算（HPC）资源进行仿真实验。在设计网格划分策略时，应先进行粗略估计，并通过初始仿真测试来校准模型，确定是否需要优化网格划分或调整计算资源分配。

## 5.3 案例研究：复杂结构的网格划分策略

### 5.3.1 复杂几何形状的网格划分实例

考虑一个具有复杂几何形状的结构，如汽车部件或者飞机机翼。这些结构通常包含许多曲面和曲线，以及各种细节特征，这为网格划分带来了挑战。在实际操作中，设计师和工程师通常会采用以下策略：

1. **几何预处理**：简化不必要的细节，以减少网格划分的复杂性。
2. **逐步细化**：从整体模型开始划分网格，然后逐步细化关键区域。
3. **分区**：将复杂模型划分为几个部分，每个部分分别进行网格划分。
4. **混合网格类型**：使用不同类型的网格（如四面体和六面体）来适应不同区域的几何特性。

### 5.3.2 案例分析与经验总结

通过一个具体的案例来说明复杂结构网格划分策略的应用。假设我们正在分析一个涡轮叶片，它具有复杂的气动外形和内部冷却通道。

- **几何清理**：首先，我们使用CAD软件清理和简化叶片模型，移除不必要的细节。
- **区域划分**：根据流体流动和热传递的特点，将叶片分为几个关键区域：进气边、压力面、吸力面和冷却通道。
- **网格生成**：在ANSYS中，我们对各个区域分别生成四面体网格，保证在边界层和冷却通道附近进行局部细化。
- **仿真验证**：对网格细化不同阶段的结果进行比较，验证网格独立解，并确定最终的网格划分方案。

通过这个案例，我们总结出的经验是：合理地简化模型、分区域处理、以及多尺度网格划分是实现复杂结构网格划分的关键策略。这些策略不仅提高了仿真的准确性，还有效平衡了计算资源的需求。