ANSYS: Zehn Fragen und Antworten zur Gittergenerierung

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von Freestyle-sky am 1.4.2018 um 18:09 bearbeitet. Die Gitterbildung ist ein wichtiger Schritt im Vorverarbeitungsprozess für Analysen und Designs in ANSYS. Einerseits dient sie dazu, die Fähigkeiten der Analysten beim Umgang mit Modellen zu überprüfen； Zweitens bestimmt die Qualität des Gitters direkt die Rechenzeit und die Rechengenauigkeit des Modells sowie darüber, ob das Problem gelöst werden kann. Daher ist es für Analyse- und Entwicklungsingenieure von großer Bedeutung, die Techniken der Mesh-Generierung zu beherrschen und ihre Fähigkeit zur Verarbeitung von Modellen zu verbessern – schließlich trägt dies dazu bei, die Recheneffizienz sowie die Genauigkeit der Berechnungen zu steigern. AWB integriert derzeit einige professionelle Tools zur Mesh-Generierung wie ICEM CFD, Tgrid und GAMBIT und verfügt somit über leistungsstarke Funktionen in diesem Bereich. Doch ob diese Funktionen effektiv genutzt werden können, hängt letztendlich von dem Verständnis des Benutzers für das Modell sowie von seiner Fähigkeit ab, die vorhandenen Tools flexibel anzuwenden. Dieser Artikel stellt hauptsächlich einige praktische Tipps zur Gitteraufteilung bei der Analyse und Konstruktion in diesem Bereich unter Verwendung von AWB vor – in der Hoffnung, dass er allen etwas helfen kann. 1. Was bedeutet das Gitterteilungstool in AWB? 【Automatisch】: Das Programm teilt das Gitter automatisch auf. Dabei wird in der Regel ein Tetraeder-Gitter verwendet. Zudem wird das Gitter an den Stellen, die für die Analyse und Konstruktion des Modells wichtig sind, nicht weiter verfeinert. Es handelt sich dabei um eine einfache Methode zur Gitterteilung – es wird empfohlen, diese Methode nicht zu verwenden ； 【Tetraeder】: Es wird ein Tetraeder-Gitter verwendet. Bei der Analyse und Konstruktion von Druckbehältern wird in der Regel kein Tetraeder-Gitter eingesetzt; auch diese Methode der Gitterbildung ist daher nicht geeignet ； 【Hex Domiant】: Im Wesentlichen wird eine hexagonale Gitterstruktur verwendet. Bei komplexen Formen oder an Stellen mit strukturellen Übergängen werden hingegen pyramidenförmige oder tetraedrische Gitterstrukturen eingesetzt, da für die Analyse und Konstruktion von Druckbehältern eine reine hexagonale Gitterstruktur erforderlich ist. Deshalb wird diese Methode in der Regel nicht empfohlen. Allerdings kann sie bei Modellen verwendet werden, bei denen eine hexagonale Gitterstruktur nicht realisierbar ist, oder an Stellen, an denen der Druck kein entscheidender Faktor ist. Solange die Berechnungsgenauigkeit an den Stellen, an denen der Druck relevant ist, gewährleistet werden kann, ist diese Methode durchaus geeignet ； 【Sweep】: Die Sweep-Methode ist die am häufigsten verwendete Methode zur Aufteilung von Objekten. Bei Objekten, die geswept werden können, kann durch das Übertragen einer Querfläche entlang eines bestimmten Pfades auf eine Zielfläche eine vollständige Hexahedron-Netzstruktur erstellt werden. Voraussetzung ist jedoch, dass alle Objekte geswept werden können. Nach der Aufteilung des Modells kann man mit der rechten Maustaste auf „Show Sweepable Bodies“ klicken, um zu überprüfen, ob alle Objekte tatsächlich geswept werden können. Wie in der Abbildung dargestellt, sind die grün markierten Bereiche solche Objekte, die geswept werden können, während die grau markierten Bereiche solche Objekte sind, die nicht geswept werden können ； Die Methode „Sweep“ ist die beste Möglichkeit, ein vollständiges Hexahedron-Netzwerk durch gezielte Steuerung flexibel zu erstellen. Wenn man diese Methode beherrscht, kann man sehr schöne und regelmäßige Hexahedron-Netzwerke erzeugen. Die Methode „Multizone“ dient zur Aufteilung in mehrere Bereiche. Dabei muss man die Objekte nicht selbst aufteilen – das geschieht automatisch. Die Methode kann automatisch erkennen, welche Objekte für die Erstellung eines Hexahedron-Netzwerks geeignet sind. Für Objekte, die nicht dafür geeignet sind, werden andere Methoden wie die Verwendung von Tetraedern angewandt. Somit eignet sich diese Methode besonders für einfache Modelle, bei denen es leicht ist, solche Objekte zu erstellen. Bei komplexeren Modellen entstehen jedoch keine hexagonalen Netzwerke – es fehlt an Flexibilität und Kontrolle durch den Benutzer. 2. Wie kann ein komplexes Modell vollständig in skannbare Körper aufgeteilt werden? (1) Zunächst müssen die Entwerfer klar verstehen, welche Körper als zu skannende Körper gelten. Auf dieser Grundlage lässt sich ein komplexes Modell analysieren und zerlegen, um anschließend festzustellen, welche Strukturen in einzelne Objekte aufgeteilt werden müssen. Das ist die Grundvoraussetzung ； (2) Nutzen Sie die „Slice“-Funktion geschickt. Bei dreidimensionalen Modellen mit komplexer Geometrie ist es zunächst notwendig, ein klares Verständnis des Modells zu haben und es zu analysieren. Es muss festgestellt werden, an welchen Stellen das Modell in solche Teile unterteilt werden kann, die als Scanobjekte dienen können. Anschließend können mithilfe von Methoden wie „Slice by Surface“ oder „Slice by Plane“ die Objekte sinnvoll aufgeteilt werden. Die Aufteilung der Scanobjekte erfordert weiterhin ein gutes Verständnis des Scannings sowie eine gute Fähigkeit zur Analyse des Modells ； Wie im untenstehenden Modell des Schlossbehälters zu sehen ist, ist der Bereich der Öse der schwierigste Teil zur Aufteilung. Insbesondere die Verbindungsstellen zwischen dem Boden und der Unterplatte, zwischen der Unterplatte und dem Gehäuse sowie zwischen den Verstärkungsplatten und der Unterplatte erfordern eine geschickte Nutzung der „Slice“-Funktion, um die Objekte sinnvoll aufzuteilen. Nur so kann ein vollständiges Hexahedron-Netzwerk erstellt werden. Im untenstehenden Modell des Schlossbehälters wurden mithilfe der „Slice“-Funktion insgesamt 863 solcher Objekte erstellt. 3. Unter welchen Umständen ist es beim Erstellen eines Rasters notwendig, Werkzeuge wie „Slice“ zur Teilung zu verwenden? (1) Bei dreidimensionalen Modellen mit komplexen geometrischen Formen besteht der Schlüssel zur Teilung darin, an allen Stellen, an denen sich die Querschnitte ändern, eine Teilung vorzunehmen ； (2) In Bereichen mit komplexen Spannungsgradienten sowie an Stellen, an denen eine feinere Gitterstruktur erforderlich ist, kann die Slice-Funktion verwendet werden, um einen kleinen Bereich abzugrenzen. In diesem Bereich kann anschließend die Größe des Gitters festgelegt werden ； (3) Wenn verschiedene Bereiche eines Bauteils unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen, muss an den Stellen des Materialwechsels eine Trennung vorgenommen werden, um diesen Bereichen jeweils unterschiedliche Materialattribute zuweisen zu können ； (4) Wenn an verschiedenen Teilen einer Kante oder einer Fläche unterschiedliche Lasten oder Randbedingungen vorliegen, muss an den Stellen, an denen sich diese Lasten oder Randbedingungen ändern, eine Trennung vorgenommen werden. Anschließend können für jede dieser Bereiche separate Lasten und Randbedingungen festgelegt werden ； 4. Muss nach der Teilung der Entitäten unbedingt die Aktion „Neuen Teil erstellen“ durchgeführt werden? Für Anfänger ist es leicht, diese Operation zur gemeinsamen Nutzung von Knoten zu übersehen, wenn keine Anleitung vorhanden ist. Auch der Autor hat dies zu Beginn seines Lernens übersehen. Ohne die Option „Form new part“ schien es ihm, als wäre das Aufteilen in Gitterstrukturen sehr einfach – und die entstehenden Gitterstrukturen sahen außerdem schön und regelmäßig aus. Doch das war ein großer Fehler. Denn ohne die Option „Form new part“ existieren die einzelnen Objekte als separate Einheiten. Die Gitterstrukturen werden ebenfalls für diese einzelnen Objekte erstellt, wodurch keine gemeinsame Nutzung der Knoten zwischen zwei benachbarten Objekten möglich ist. Wenn man stattdessen „Form new part“ verwendet, bedeutet das, dass an der Grenze zwischen zwei benachbarten Objekten dieselben Gitterknoten vorhanden sein müssen. Es ist nicht einfach, eine gemeinsame Nutzung der Knoten zwischen Objekten unterschiedlicher Form und Größe zu erreichen. Deshalb sollte man nach dem Aufteilen der Objekte unbedingt alle Objekte mit der Option „Form new part“ bearbeiten, damit eine gemeinsame Nutzung der Gitterknoten möglich wird. Nur so kann die Übertragung sowie die Berechnung von Werten wie Verschiebungen oder Kräften erfolgen. Wie im oben beschriebenen Schlossmodell wurden insgesamt 493 Entitäten erfasst. Um einen Datenaustausch zwischen diesen 493 Entitäten zu ermöglichen, muss die Funktion „Form new part“ verwendet werden. 5. Netzwerkeinstellungen und Teilungsrangfolge? (1) „Zuerst das Große, dann das Kleine“ – Reihenfolge der Gitterbildung: Zunächst werden die großen Objekte in ein Gitter unterteilt. Anschließend werden die kleineren Objekte, die mit deren Knoten verbunden sind, ebenfalls in ein Gitter unterteilt. Nachdem das große Modell in ein schönes, regelmäßiges Hexahedrongitter unterteilt wurde, fällt es leichter, auch das kleinere Modell entsprechend in ein Gitter zu unterteilen ； (2) „Zuerst das Schwierige, dann das Einfache“ – Reihenfolge der Gitteraufteilung: Zunächst werden die Modelle, bei denen eine Aufteilung schwierig ist, in sinnvolle Gitter unterteilt. Bei den einfachen Modellen fällt die Gitteraufteilung leichter, und es ist möglich, Knoten gemeinsam zu nutzen ； (3) „Zuerst komplex, dann Regeln“ – Reihenfolge der Gitteraufteilung: Zunächst wird das komplexe Modell in ein logisch strukturiertes Gitter unterteilt. Bei Modellen mit einfacherer Struktur fällt es leichter, ein Gitter zu erstellen und dabei Knoten gemeinsam zu nutzen ； 6. Flexibles Anwenden von „Sweep+Sizing“ zur Gitterteilung? Wenn ein komplexes dreidimensionales Modell in alle berechenbaren Elemente aufgeteilt wird, kann die „Sweep“-Methode zur Erstellung eines Hexahedron-Netzwerks verwendet werden. Dabei wird die Funktion „Sizing“ genutzt, um die Größe der Elemente für Körper, Flächen und Kanten festzulegen. So lässt sich die Dichte und Qualität des Netzwerks gezielt steuern – es entsteht somit ein ordentliches und ansprechendes Netzwerk. Zudem ist es möglich, bestimmte Bereiche des Netzwerks detaillierter zu gestalten. Am häufigsten wird jedoch die Funktion „Sizing“ für Kanten verwendet: Dabei können Einstellungen wie „Elementgröße“ oder „Anzahl der Teilungen“ vorgenommen werden, um die Größe der Kanten festzulegen oder sie in gleich große Teile aufzuteilen. In dem untenstehenden Beispiel wurden die Kanten der Rohrplatten sowie der Wärmeaustauschröhren in gleich große Teile aufgeteilt – dadurch entstand ein detailliertes und hochwertiges Netzwerk ； Außerdem gibt es eine sehr nützliche Funktion namens „Bias Type“, mit der eine graduelle Anpassung der Gitterstruktur möglich ist. Wie im untenstehenden Bild zu sehen ist, ist bei dem Teil des Rohrrohrs in der Nähe der Kante zum Rohrplatte das Abstand zwischen den Gitterpunkten kleiner; danach wird dieser Abstand immer größer. Mit dieser Funktion kann man die Gitterdichte sowie die Anforderungen an die Qualität der Gitter an verschiedenen Stellen unterschiedlich gestalten. Dadurch können die Gitter an den Stellen, an denen auf Spannungen geachtet werden muss, dichter gestaltet werden, während an den anderen Stellen die Gitter spärlicher angeordnet werden können. So lässt sich die Anzahl der Gitter effektiv verringern – ohne dass dabei die Berechnungsgenauigkeit beeinträchtigt wird. Dadurch wird die Berechnungseffizienz verbessert. 7. Welche Indikatoren messen die Qualität des Rasters? Die Qualität des Gitters kann im Allgemeinen anhand der Masse der Elemente sowie des Verzerrungsfaktors des Gitters (zwischen 0 und 1) bewertet werden. Wenn die durchschnittliche Masse der Elemente über 0,6 liegt, kann man davon ausgehen, dass die Qualität des Gitters ausreichend ist. Bei dem Verzerrungsfaktor gilt: Je höher dieser Wert ist, desto schlechter ist die Qualität des Gitters. Anhand dieser beiden Indikatoren lässt sich die Qualität des Rasters vollständig beurteilen; andere Indikatoren können als zusätzliche Referenz dienen. 8. Methoden zur Beurteilung der Gitterqualität und Konvergenz? (1) Am häufigsten wird zur Überprüfung der Ergebnisse eine weitere Berechnung mit einer feineren Gitterstruktur durchgeführt. Wenn die Ergebnisse bei der Verfeinerung des Gitters denen ohne Verfeinerung ähneln, kann man davon ausgehen, dass die Ergebnisse bei der aktuellen Gitterdichte und -qualität zuverlässig sind. Falls die Ergebnisse nach der Verfeinerung stark von denen ohne Verfeinerung abweichen, sind die Ergebnisse bei der aktuellen Gitterdichte ungenau. In diesem Fall muss die Gitterdichte weiter verfeinert werden, um präzisere Ergebnisse zu erhalten ； (2) In AWB gibt es eine Konvergenzfunktion, die durch Festlegung der Toleranz sowie der Anzahl der wiederholten Berechnungen dazu dient, die Ergebnisse zu vergleichen, die durch das stetige Verfeinern des Gitters erzielt werden. Dadurch kann festgestellt werden, ob eine Konvergenz erreicht wurde und welche endgültigen Werte ermittelt wurden. Die Konvergenzfunktion nutzt dabei die Funktion „Refine“, um das Gitter weiter zu verfeinern. Das Ergebnis ist ein Tetraeder-Gitter – alle Berechnungsergebnisse werden also in einem Tetraeder-Gitter dargestellt. Diese Methode eignet sich nicht für Modelle, bei denen ein vollständiges Hexaeder-Gitter erforderlich ist. 9. Wie kann die Gitterdichte sinnvoll gesteuert werden, um die Berechnungsgenauigkeit zu erhöhen und die Berechnungszeit zu verkürzen? Prinzip: In bestimmten, besonders wichtigen Bereichen wird die Gitterunterteilung verfeinert (z. B. in Bereichen mit Spannungskonzentrationen, Bereichen mit Veränderungen des Spannungsgradienten, Bereichen mit hohen plastischen Deformationen oder an Kontaktflächen), um die Rechengenauigkeit zu erhöhen. In Bereichen, die weniger Aufmerksamkeit erfordern oder unbedeutend sind, wird hingegen ein groberes Gitter verwendet, wodurch die Größe des Modells verringert und die Rechzeit verkürzt wird. In der Praxis der Ingenieurwissenschaften lässt sich oft vorhersagen, in welchem Bereich die Spannungen am größten sind. Beim Modellieren kann man daher gezielt das Gitter in diesen wichtigen Bereichen verfeinern ； Wenn im Voraus nicht bekannt ist, an welcher Stelle der maximale Druck auftritt, kann zunächst ein grobes Gitter für das gesamte Modell verwendet werden, um eine erste Schätzung der Stressverteilung zu erhalten. Anschließend kann das Gitter in den Bereichen mit hohem Stressgrad verfeinert werden. Danach kann das gesamte Modell erneut analysiert werden – oder es kann die Submodelltechnik eingesetzt werden, um nur die betreffenden Bereiche einzeln zu analysieren. Für weitere interessante Inhalte suchen Sie bitte im WeChat den offiziellen Account „ANSYS Analysis Designer“ – eine Plattform, auf der Erfahrungen im Bereich Analyse und Design mit anderen geteilt werden.