Серия «10 вопросов и ответов о ANSYS»: советы по созданию сетки

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем Freestyle-sky 18:09, 1 апреля 2018 года. Разбиение на сетку является важным этапом в процессе предобработки данных для анализа и проектирования в ANSYS; с одной стороны, оно служит проверкой способности специалистов к обработке моделей； Во-вторых, качество сетки напрямую влияет на время вычислений модели, на точность результатов, а также на возможность решения задачи. Поэтому для специалистов, занимающихся анализом и проектированием, крайне важно овладеть навыками создания сеток и повысить уровень способности обрабатывать модели. Это необходимо для повышения эффективности вычислений и точности результатов. В настоящее время AWB интегрирует такие профессиональные инструменты для создания сеток, как ICEM CFD, Tgrid, GAMBIT, что позволяет ему обеспечивать высокое качество формирования сеток. Однако эффективность использования этих инструментов в конечном итоге зависит от понимания оператором структуры модели и его умения гибко применять имеющиеся инструменты. В этой статье рассматриваются некоторые простые приемы разбиения сетки, которые используются в данной отрасли при анализе и проектировании с помощью AWB. Надеюсь, это окажет небольшую помощь всем читателям. 1. Что означает инструмент разбиения на сетку в AWB? 【Автоматический】: Программа автоматически формирует сетку. Обычно используется тетраэдрическая сетка, причем она не детализируется в тех областях модели, которые важны для анализа и проектирования. Это упрощенный способ формирования сетки; рекомендуется им не пользоваться ； 【Тетраэдры】: Используется сетка из тетраэдров. В процессе анализа и проектирования сосудов под давлением сетки из тетраэдров обычно не применяются, поэтому этот метод разбиения также не подходит ； 【Hex Domiant】: В основном используется сетка из гексаэдров, однако в случаях сложной формы или участков с переходами в структуре применяются более удобные для моделирования пирамидальные и тетраэдрические сетки. Поскольку при анализе и проектировании резервуаров под давлением требуется использование исключительно сеток из гексаэдров, этот метод обычно не рекомендуется. Тем не менее его можно применять для моделей, в которых создание сетки из гексаэдров затруднено, или в тех участках, где напряжения не являются ключевыми факторами. Если точность расчетов в зонах, где важны напряжения, может быть обеспечена, то этот метод также является приемлемым ； 【Sweep】: Метод разбиения путем сканирования. Это самый распространенный способ разбиения. Для тел, которые можно сканировать, можно создать полноценную сетку из шести граней путем сканирования от исходной поверхности по заданному маршруту до целевой поверхности. Однако для этого все тела должны быть пригодными к сканированию. После завершения разбиения модели можно нажать правой кнопкой мыши на опцию «Show Sweepable Bodies», чтобы узнать, являются ли все тела пригодными к сканированию. Как показано на рисунке, зеленые области означают тела, пригодные к сканированию, а серые области — тела, которые не подходят для этой процедуры ； Метод 【Sweep】 — это лучший способ гибкого разделения сетки из полных гексаэдров под контролем человека. Овладев этим методом, можно создавать очень красивые и правильные сетки из полных гексаэдров. Метод 【Multizone】 представляет собой способ разделения на несколько зон; при использовании этого метода не требуется вручную делить объекты на части — они делятся автоматически. Метод позволяет автоматически определять, какие объекты можно преобразовать в гексаэдры, а для тех объектов, которые не подходят для такого преобразования, используются другие методы разделения, например, на тетраэдры. Поэтому этот метод подходит для простых моделей, которые легко можно преобразовать в гексаэдры. Однако при работе с сложными моделями получается сетка, состоящая не только из гексаэдров; при этом отсутствует гибкость и возможность вручную управлять процессом формирования сетки. 2. Как разделить сложные модели на тела, поддающиеся сканированию? (1) Во-первых, дизайнеры должны четко понимать, что такое тело, которое можно сканировать. Исходя из этого понимания, можно анализировать и разбирать сложные модели, чтобы определить, какие элементы структуры необходимо преобразовать в отдельные сущности. Это является основой и предпосылкой для дальнейших действий ； (2) Гибко используйте функцию «Slice». Для некоторых трехмерных моделей с сложной геометрией необходимо сначала четко понять и проанализировать модель, определить, в какой части её можно разделить на элементы, которые можно будет сканировать. Затем с помощью методов вроде «Slice by surface» или «Slice by plane» следует правильно разделить модель на такие элементы. Разделение модели на элементы, подлежащие сканированию, по-прежнему требует от специалиста хорошего понимания принципов сканирования и умения анализировать структуру модели ； Например, в модели замкового ящика на рисунке самой сложной для разделения является область крепления ушек. Особенно трудными являются места соединения дна с подкладкой, подкладки с корпусом, а также места соединения ребер с подкладкой. Поэтому для этих участков необходимо использовать функцию «Slice» для правильного разделения объема на отдельные части. Только так можно получить сетку из полных шестиугольных элементов. На рисунке модель замкового ящика разделена с помощью функции «Slice» на 863 отдельных элементов. 3. В каких случаях при разделении сетки необходимо использовать инструменты разделения, такие как «Slice»? (1) Для некоторых трехмерных моделей с сложной геометрией ключевым моментом при разделении является то, что разделение должно производиться во всех тех местах, где меняется форма поперечного сечения ； (2) В областях с сложным градиентом напряжений, где необходимо уточнить структуру сетки, можно воспользоваться функцией разделения на сегменты, чтобы выделить небольшую область, в которой можно задать размер ячеек сетки ； (3) Если разные участки одной детали имеют разные материальные свойства, необходимо провести разделение в местах изменения материала, а затем присвоить каждому из этих участков соответствующие материальные характеристики ； (4) Если на разных участках ребра или поверхности действуют разные нагрузки или условия граничных условий, необходимо произвести разделение в местах изменения нагрузок или условий граничных условий, после чего для каждого участка определяются отдельные нагрузки и условия граничных условий ； 4. После разделения сущностей обязательно ли выполнять операцию «Создать новую часть»? Для начинающих очень легко упустить из виду необходимость совместного использования узлов без руководства. Я тоже упустил этот момент в начале своего обучения. Казалось, что разделение на сетку происходит довольно просто, и получаемая сетка выглядела красивой и правильной. Но это была большая ошибка — без выполнения операции «Создать новую часть» каждый объект существует как отдельный элемент, а сетка формируется для каждого такого элемента отдельно. Таким образом, не происходит совместного использования узлов между двумя соседними объектами. После выполнения операции «Создать новую часть» на границе двух соседних объектов должны быть одинаковые узлы сетки. Однако совместное использование узлов между объектами разной формы и размера — не такая уж простая задача. Поэтому после разделения объектов обязательно нужно выполнить операцию «Создать новую часть», чтобы обеспечить совместное использование узлов сетки. Только благодаря совместному использованию узлов можно передавать и вычислять значения, связанные с перемещением, силами и т. д. Как указано выше, в модели замкового ящика выделено 493 сущности, и для обеспечения совместного использования узлов необходимо выполнить операцию «Создать новую часть» для этих 493 сущностей. 5. Настройки сетки и порядок разделения? (1) «Сначала крупные, затем мелкие»: порядок разбиения на сетку — сначала осуществляется разбиение крупных объектов на сетку, а затем — мелких объектов, которые имеют общие узлы с ними. После того как крупная модель разделена на аккуратную и правильную гексаэдрическую сетку, становится проще разделить на сетку соответствующую ей мелкую модель ； (2) «Сначала сложное, затем простое». Порядок разделения на сетку: сначала модели, которые трудно разделить, делятся на сетку согласно разумным правилам; для моделей, которые легко разделить, сетка формируется ещё проще, при этом обеспечивается общее использование узлов ； (3) «Сначала сложность, затем правила». Порядок разбиения на сетку: сначала сложную модель необходимо разделить на сетку, состоящую из логически связанных элементов. В случае моделей, имеющих более простую структуру, разделение на сетку происходит легче, к тому же позволяет использовать общие узлы ； 6. Гибкое использование «Sweep+Sizing» для разделения сетки? После того, как сложная трехмерная модель разделена на все элементы, которые можно обработать с помощью метода «Sweep», можно использовать этот метод для создания сетки в форме гексаэдра. При этом можно также применять функцию «Sizing» — она позволяет задавать размер элементов сетки для тел, поверхностей и ребер. Благодаря такому контролю над плотностью и качеством сетки можно получить аккуратную и красивую структуру. Также возможно уточнение параметров сетки в отдельных областях. Но чаще всего используется функция «Sizing» для ребер: можно задать размер элементов ребер или разделить их на равные части. На рисунке показано, как ребра трубопроводных элементов и теплообменных труб разделены на равные части, что способствует созданию более точной и качественной сетки ； Кроме того, существует ещё одна очень полезная функция — «Type Bias», которая позволяет осуществлять градиентное разделение сетки. Как показано на рисунке в области корпуса трубчатого контейнера, в районе, близком к фаске трубной платы, расстояние между элементами сетки меньше, а далее оно постепенно увеличивается. Благодаря этой функции можно задавать различную плотность сетки и требования к её качеству в разных зонах: в зонах, где важны напряжения, сетка делается более плотной, а в других зонах — менее плотной. Это позволяет сократить количество элементов сетки, повысив при этом точность расчетов. 7. Какие показатели оценки качества сетки? Качество сетки обычно оценивают по таким показателям, как масса элемента и степень искривления сетки (от 0 до 1). Если средняя масса элемента превышает 0,6, то можно считать, что качество сетки соответствует требованиям. Что касается степени искривления, то чем выше этот показатель, тем хуже качество сетки. По этим двум показателям можно полностью оценить качество сетки, а другие показатели могут служить дополнительной информацией. 8. Как определить качество сетки и сходимость? (1) Самым распространенным способом является повторное решение задачи с более детальной сеткой. Если после уточнения сетки результаты вычислений совпадают с результатами, полученными при менее детальной сетке, то можно считать, что результаты при текущей плотности сетки являются надежными. Если же после уточнения сетки результаты сильно отличаются от предыдущих, это означает, что при текущей плотности сетки результаты вычислений неточны; в таком случае необходимо дальше уточнять плотность сетки для получения более точного результата ； (2) В AWB имеется функция сходимости, которая позволяет, путем определения допуска и количества итераций, постепенно уточнять сетку и сравнивать получаемые результаты для определения того, сходятся ли они, а также для вычисления окончательного значения. Однако функция сходимости использует функцию уточнения сетки; в результате формируется тетраэдрическая сетка, то есть все результаты расчетов получаются с использованием разбиения на тетраэдры. Этот метод не подходит для моделей, требующих полностью гексаэдрической сетки. 9. Как разумно контролировать плотность сетки, повышать точность вычислений и сокращать время их выполнения? Принцип: в некоторых ключевых областях уточняется разбиение сетки (например, в зонах концентрации напряжений, зонах изменения градиента напряжений, областях с большими пластическими деформациями или на поверхностях контакта) для повышения точности расчетов; в тех частях, которые не требуют особого внимания или имеют незначительное значение, используется более крупная сетка, что позволяет уменьшить размер модели и сократить время расчетов. На практике в инженерии часто удается определить, в какой области напряжения выше, и при построении модели можно целенаправленно усовершенствовать сетку в этих ключевых зонах ； Если заранее невозможно определить местоположение максимального напряжения, сначала можно разделить всю модель на более крупные сетки для приблизительных расчетов, чтобы выяснить общее распределение напряжений. Затем в областях с высокими значениями напряжения сетку можно уточнить, после чего провести повторный анализ всей модели или использовать технику подмоделей для отдельного анализа интересующей области. Чтобы узнать больше интересного, подпишитесь в WeChat на публичный аккаунт «ANSYS Analysis Designer» — платформу для обмена опытом в области анализа и проектирования, созданную с заботой о пользователях.