Série de 10 perguntas e respostas da ANSYS: Dicas de divisão de malhas

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Este tópico foi editado pela última vez por Freestyle-sky em 18/04/2018, às 18:09. A divisão em malhas é um passo importante no processo de pré-processamento para análises e projetos no ANSYS. Por um lado, ela serve para avaliar a capacidade dos profissionais responsáveis pelo processamento dos modelos； Em segundo lugar, a qualidade da grade determina diretamente o tempo de cálculo do modelo, sua precisão, bem como a possibilidade de se resolver o problema. Portanto, para os analistas de design, é extremamente importante dominar as técnicas de divisão em malhas, a fim de melhorar a capacidade de processamento do modelo. Isso é essencial para aumentar a eficiência e a precisão dos cálculos. Atualmente, o AWB integra ferramentas profissionais de divisão em malhas, como ICEM CFD, Tgrid e GAMBIT, o que lhe confere grandes capacidades nessa área. No entanto, o sucesso no uso dessas ferramentas depende, em última análise, da compreensão que o operador tem do modelo e da habilidade com que consegue utilizar as ferramentas disponíveis no software. Este artigo apresenta, principalmente, algumas dicas de divisão de malhas utilizadas na indústria para análise e projeto com AWB, na esperança de poder ser um pequeno auxílio para todos. 1. Qual é o significado da ferramenta de divisão em grade no AWB? 【Automático】: O programa divide automaticamente a malha. Geralmente, a malha criada de forma automática é do tipo tetraédrica. Além disso, o programa não detalha a malha nas áreas que são importantes para a análise e o design do modelo. Trata-se de um método simples de divisão da malha; recomenda-se não utilizá-lo ； 【Tetraedros】: Utiliza uma malha tetraédrica para a divisão do espaço. Em análises e projetos de reservatórios sob pressão, geralmente não se utiliza malhas tetraédricas; portanto, esse método de divisão também não é aplicável ； 【Hex Domiant】: Utiliza uma malha hexagonal como base, mas em formas complexas ou em áreas de transição entre estruturas, são utilizadas malhas em formato de pirâmide ou tetraédrio, que são mais fáceis de serem criadas. Como a análise e o design de reservatórios sob pressão exigem o uso de malhas exclusivamente hexagonais, esse método geralmente não é recomendado. No entanto, ele pode ser utilizado em modelos nos quais é difícil criar malhas hexagonais, ou em áreas que não são pontos críticos em termos de tensões. Desde que a precisão dos cálculos nos pontos críticos seja garantida, esse método também pode ser viável ； 【Sweep】: Método de divisão por varredura. Este é o método de divisão mais utilizado. Para volumes que podem ser varridos, é possível criar uma malha hexagonal completa, partindo de uma superfície de partida e seguindo um caminho de varredura até uma superfície de destino. No entanto, isso só é possível se todos os volumes puderem ser varridos. Após a divisão do modelo, é possível clicar com o botão direito em “Show Sweepable Bodies” para verificar se todos os volumes são realmente passíveis de varredura. Como mostrado na figura abaixo, as áreas verdes indicam que esses volumes podem ser varridos, enquanto as áreas cinzentas indicam que não podem ； O método 【Sweep】 é a melhor maneira de dividir uma malha hexaédrica completa de forma flexível, por meio de controle humano. Dominar esse método já é suficiente para criar malhas hexaédricas muito bonitas e regulares. Já o método 【Multizone】 consiste em uma divisão da malha em várias regiões. Nesse método, não é necessário dividir manualmente as entidades; elas são divididas automaticamente. O sistema determina quais são as entidades que podem ser “varridas” para formar uma malha hexaédrica. Para as regiões que não atendem aos requisitos, são utilizados outros métodos de divisão, como o uso de tetraedros. Portanto, esse método pode ser usado para criar malhas hexaédricas em modelos simples e fáceis de processar. No entanto, em modelos complexos, a malha resultante não será hexaédrica, faltando assim flexibilidade e controle humano. 2. Como dividir todos os modelos complexos em volumes escaneáveis? (1) Primeiramente, os projetistas precisam entender claramente quais são as formas que podem ser escaneadas. Com base nesse entendimento, é possível analisar e decompor um modelo complexo, para então saber quais estruturas precisam ser divididas em partes separadas. Isso é fundamental e uma condição prévia ； (2) Utilize de maneira inteligente a função “Slice”. Para modelos tridimensionais com formas geométricas complexas, é necessário primeiro ter uma compreensão clara do modelo e realizá-la análise. É preciso determinar em quais partes o modelo deve ser dividido para que ele possa ser transformado em entidades que possam ser “varridas”. Em seguida, métodos como “Slice by surface” e “Slice by plane” podem ser utilizados para dividir adequadamente essas entidades. A divisão do modelo em entidades que podem ser varridas ainda exige que o analista tenha uma boa compreensão do modelo e das técnicas de análise necessárias ； Por exemplo, no modelo de caixa de fechadura mostrado na figura abaixo, a parte correspondente às orelhas da caixa é a mais difícil de ser dividida. Isso acontece especialmente nas conexões entre a placa inferior e as placas de suporte, entre as placas de suporte e a estrutura principal da caixa, e entre as placas de reforço e as placas de suporte. Portanto, é necessário utilizar com inteligência a função “Slice” para dividir essas áreas em partes menores, de modo que todo o volume possa ser dividido em elementos que possam ser “varridos”. No modelo de caixa de fechadura mostrado na figura, a função “Slice” foi utilizada para dividir o volume em 863 elementos que podem ser “varridos”. 3. Em quais situações é necessário usar ferramentas de divisão como “Slice” ao criar uma grade? (1) Para alguns modelos tridimensionais com formas geométricas complexas, a chave para a operação de divisão é: realizar a divisão em todos os pontos onde há mudanças nas seções transversais ； (2) Em áreas com gradientes de tensão complexos e onde é necessário um refinamento da malha, pode-se utilizar a função “slice” para delimitar uma pequena região, na qual é possível definir o tamanho da malha ； (3) Se diferentes regiões de um componente possuem características materiais distintas, é necessário dividir o componente nos pontos em que há mudança de material, atribuindo a cada parte as propriedades materiais adequadas ； (4) Se houver cargas ou condições de borda diferentes em partes distintas de um lado ou de uma face, é necessário realizar uma divisão no ponto em que essas cargas ou condições de borda mudam. Em seguida, devem ser definidas cargas e condições de borda separadas para cada parte ； 4. É necessário realizar a operação “Form new part” após dividir as entidades? Para iniciantes, é fácil negligenciar essa operação de compartilhamento de nós quando não há ninguém para orientá-los. Eu também ignorei isso no início do meu aprendizado. Sem a opção “Form new part”, parecia que dividir a malha era algo muito simples, e as malhas resultantes eram bonitas e regulares. Mas estava completamente enganado. Sem a opção “Form new part”, cada corpo existia como um corpo separado, e a malha era criada para cada corpo individualmente. Isso significava que não havia compartilhamento de nós entre os corpos adjacentes. Ao usar a opção “Form new part”, torna-se necessário que haja os mesmos nós de malha nas bordas dos corpos adjacentes. É difícil compartilhar nós entre corpos de tamanhos diferentes. Portanto, após dividir os corpos, lembre-se de usar a opção “Form new part” em todos eles, para que haja compartilhamento de nós de malha. Somente com o compartilhamento de nós é possível transmitir e calcular valores como deslocamentos e forças. Conforme o modelo de gaveta mencionado acima, foram identificadas 493 entidades no total. É necessário realizar a operação “Form new part” com essas 493 entidades para permitir o compartilhamento de nós. 5. Configuração da grade e ordem de divisão? (1) “Primeiro o grande, depois o pequeno”: A ordem de divisão em grade é a seguinte: primeiro, são feitas as configurações e a divisão em grade para as entidades maiores. Em seguida, são feitas as mesmas operações para as entidades menores que compartilham nós com essas entidades maiores. Depois que o modelo maior é dividido em uma grade hexagonal bonita e regular, fica mais fácil dividir o modelo menor de maneira correspondente ； (2) “Primeiro o difícil, depois o fácil”. “Ordem de divisão em grade: primeiro, os modelos difíceis de serem divididos devem ter suas áreas divididas em grades de maneira organizada. Já os modelos mais fáceis de serem divididos permitem uma divisão mais simples em grades, além de possibilitar a compartilhamento de nós.” ； (3) “Primeiro, a complexidade; depois, as regras”. “Ordem de divisão em grade: primeiro, o modelo complexo é dividido em grades com regras claras. No caso de modelos mais simples, é mais fácil criar essas grades, além de possibilitar o compartilhamento de nós.” ； 6. Usar de forma flexível “Sweep+Sizing” para dividir a grade? Quando um modelo tridimensional complexo é dividido em todas as entidades que podem ser “varridas”, pode-se utilizar o método “Sweep” para criar uma malha hexagonal. Além disso, a função “Sizing” permite definir o tamanho da malha para os elementos Body, Face e Edge. Com isso, é possível controlar adequadamente a densidade e a qualidade da malha, obtendo assim uma malha bem organizada e de boa qualidade. Também é possível detalhar a malha em áreas específicas. No entanto, a operação mais comum é a definição do tamanho dos “Edge”, através de parâmetros como “Element Size” e “Number of Divisions”. Isso permite definir um tamanho fixo para as bordas ou dividi-las em partes iguais. Na figura abaixo, as bordas das placas de tubulação e dos tubos de troca de calor foram divididas em partes iguais, o que facilita a criação de uma malha detalhada e de alta qualidade ； Há também uma função muito útil, chamada “Bias Type”, que permite realizar a divisão do gradiente da grade. Como mostrado na figura abaixo, na área ao redor das bordas dos tubos, a distância entre as células da grade é menor; posteriormente, essa distância aumenta. Com essa função, é possível diferenciar a densidade e as exigências de qualidade das grades em diferentes locais. Isso permite que as grades nas áreas onde há maior necessidade de precisão sejam mais detalhadas, enquanto nas áreas menos importantes, as grades podem ser menos densas. Dessa forma, é possível reduzir o número total de grades, aumentando assim a eficiência dos cálculos, sem comprometer a precisão dos resultados. 7. Quais são os indicadores de qualidade da grade? Geralmente, a qualidade da malha pode ser avaliada por meio da massa das células, do grau de distorção da malha (entre 0 e 1), entre outros fatores. Quando a massa média das células é superior a 0,6, pode-se considerar que a qualidade da malha é satisfatória. Quanto ao grau de distorção, quanto maior o valor desse fator, pior é a qualidade da malha. Através desses dois indicadores, é possível determinar completamente a qualidade da grade; os outros indicadores podem servir como referência adicional. 8. Quais são os métodos para avaliar a qualidade da grade e a convergência? (1) O método mais comum é realizar uma nova verificação dos cálculos, através do refinamento da grade. Se os resultados dos cálculos após o refinamento forem semelhantes aos obtidos antes do refinamento, pode-se considerar que os resultados são confiáveis para a densidade e qualidade da grade atual. Por outro lado, se houver grande diferença entre os resultados após o refinamento e aqueles obtidos antes, isso indica que os resultados não são precisos para a densidade da grade atual. Nesse caso, é necessário refinar ainda mais a densidade da grade para obter soluções mais precisas ； (2) O AWB possui uma função de convergência, que permite comparar os resultados obtidos após o refinamento contínuo da grade, definindo-se a tolerância e o número de iterações necessárias. Dessa forma, é possível determinar se houve convergência e qual será o valor final calculado. No entanto, a função de convergência utiliza a função de refinamento para aprimorar a grade, resultando em uma grade tetraédrica. Ou seja, todos os resultados dos cálculos são obtidos com base em uma grade tetraédrica. Esse método não é adequado para modelos que exigem uma grade composta exclusivamente por hexaedros. 9. Como controlar de maneira eficaz a densidade da grade, a fim de aumentar a precisão dos cálculos e reduzir o tempo de processamento? Princípio: Em determinadas áreas de interesse, a divisão da grade é refinada (como em regiões de concentração de tensão, áreas com variações significativas no gradiente de tensão, regiões com grandes deformações plásticas ou nas superfícies de contato), a fim de aumentar a precisão dos cálculos. Em áreas que não exigem tanta atenção ou que são menos importantes, a grade é definida de maneira mais grossa, o que reduz o tamanho do modelo e, consequentemente, o tempo necessário para os cálculos. Na prática de engenharia, costuma ser possível prever quais áreas apresentam maior tensão; assim, ao modelar, é possível detalhar a grade nessas áreas críticas ； Se não for possível saber antecipadamente onde se encontra a maior tensão, pode-se começar dividindo todo o modelo em uma grade mais grossa, para realizar cálculos aproximados e determinar a distribuição geral das tensões. Em seguida, a grade pode ser refinada nas áreas onde as tensões são maiores. Depois disso, o modelo inteiro pode ser analisado novamente, ou pode-se usar a técnica de submodelos para analisar separadamente as regiões de interesse. Para mais conteúdos interessantes, siga a conta oficial “ANSYS Analysis Designer” no WeChat. É uma plataforma de comunicação onde compartilhamos, com dedicação, nossas experiências em análise e design.