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三维结构的结构化网格划分。structure

对于三维结构,只有模型区域满足以下条件,才能被划分为结构化网格:

①没有孔洞、孤立的面、孤立的边、孤立的点;

②面和边上的弧度值应该小于90°;

③三维区域内的所有面必须要保证可以运用二维结构化网格划分方法;

④保证区域内的每个顶点属于三条边;

⑤必须保证至少有四个面(如果包含虚拟拓扑,必须仅包含六条边);

⑥各面之间要尽可能地接近90°,如果面之间的角大于150°,就应该对它进行分割;

⑦若三维区域不是立方体,每个面只能包含一个小面,若三维区域是立方体,每个面可以包含一些小面,但每个小面仅有四条边,且面被划分为规则的网格形状。

三维结构的扫略网格划分Sweep (扫略网格划分技术)

对于三维结构,只有模型区域满足以下条件,才能被划分为扫略网格:

①连接起始面和目标面的的每个面(称为连接面)只能包含一个小面,且不能含有孤立的边或点;

②目标面必须仅包含一个小面,且没有孤立的边或点;

③若起始面包含两个及两个以上的小面,则这些小面间的角度应该接近180°;

④每个连接面应由四条边组成,边之间的角度应接近90°;

⑤每个连接面与起始面、目标面之间的角度应接近90°;

⑥如果旋转体区域与旋转轴相交,就不能使用扫略网格划分技术;

⑦如果被划分区域的一条或多条边位于旋转轴上,ABAQUS/CAE不能用六面体或楔形单元对该区域进行扫略网格划分,而必须选择Hex-dominated形状的单元;

⑧当扫略路径是一条封闭的样条曲线时,该样条曲线必须被分割为两段或更多。

总结

(1 )对于不能采用结构化技术(Structured)和扫略技术(Sweep )进行网格划分的复杂结构,用户可以运用Partition 工具将其分割成形状较为简单的区域,并对这些区域进行结构化或扫略网格划分。如果模型不容易分割或分割过程过于繁杂,用户可以选用自由网格划分技术(Free )。本章将通过例7-2 详细

介绍这两种操作过程。

(2 )采用映射网格划分(Mapped meshing)能得到高质量的网格,但ABAQUS/CAE不能直接采用映射网格划分技术,只能通过Use mapped meshing where appropriate选项让程序选择映射网格划分的区域。在以下几种情况下,用户可以选择该项进行映射网格划分:2D+ Quad/Quad-dominated + Free + Advancing front(采用自由网格划分技术和进阶算法,对二维结构划分四边形或四边形占优的单元)、2D + Tri +Free 、3D + Hex/Hex-dominated + Sweep + Advancing front、3D + Tet +Free。(3 )中轴算法(Medial axis)和进阶算法(Advancing front)是主要的ABAQUS网格划分算法,有四种单元形状(Element Shape)和网格划分技术(Technique)的组合能选用这两种算法:2D + Quad + Free 和3D + Hex + Sweep 默认选择中轴算法,2D + Quad-dominated + Free和3D + Hex-dominated + Sweep默认选择进阶算法。对于不同的模型,用户应该比较这两种算法,得到合适的网格。

下面总结一些获得高质量网格的参数设置。

1.尽量采用结构化(Structured)或扫略(Sweep )网格划分技术对三维实体模型划分六面体单元。如果单元扭曲较小,建议选用计算精度和效率都高的非协调模式单元;否则选用二次六面体单元。

2.若采用扫略技术划分网格,中轴(Medial axis)算法和进阶(Advancing front)算法的选择没有统一的标准,用户需要针对实际模型进行尝试。一般情况下,选择中轴算法包含的Minimize the mesh transition项或进阶算法包含的Use mapped meshing where appropriate项,可以提高网格质量。

3.若复杂模型的分割过程过于耗时,用户可以选用二次四面体单元划分网格。建议读者选择Use mapped tri meshing on bounding faces where appropriate 项,如前所述,ABAQUS/CAE会对形状简单的面选用映射网格划分,通常可以提高网格质量(参见例7-2)。另外,若模型的网格密度足够且重点分析区域位于边界,用户可以选择Increase size of interior elements 项来增加内部单元的尺寸,提高计算效率。

4.网格密度是协调计算精度和计算效率的重要参数,但合适的网格密度往往需要根据具体模型而定。一般情况下,用户可以在重点分析区域和应力集中区域

加密种子,其他区域可以设置相对较稀疏的种子;如果需要控制一些边界区域的节点位置,可以在设置边种子时进行约束(参见例7-1)。

线性静力学分析实例

线性静力学问题很容易求解,往往用户更关心的是计算精度和求解效率,希望在获得较高精度的前提下尽量缩短计算时间,特别是大型模型。这主要取决于网格的划分,包括种子的设置、网格控制和单元类型的选取。如第7 章中的介绍,应尽量选用精度和效率都较高的二次四边形/ 六面体单元,在主要的分析部位设置较密的种子;若主要分析部位的网格没有大的扭曲,使用非协调单元(如CPS4I、C3D8I )的性价比很高。对于复杂模型,可以采用分割模型的方法划分二次四边形/ 六面体单元;有时分割过程过于繁琐,用户可以采用精度较高的二次三角形/四面体单元进行网格划分

具有下列特点的问题才适于进行线性瞬态动力学分析:

1、系统应该是线性的:线性材料特性,无接触条件,无非线性几何效应。

2、响应应该只受较少的频率支配。当响应中各频率成分增加时,例如撞击和冲击问题,振型叠加技术的有效性将大大降低。

3、载荷的主要频率应在所提取的频率范围内,以确保对载荷的描述足够精确。

4、由于任何突然加载所产生的初始加速度应该能用特征模态精确描述。

5、系统的阻尼不能过大。

动力学分析的类型

动力学分析常用于下列物理现象:

振动:如由于旋转机械引起的振动。

冲击:如汽车的碰撞、冲压等。

变化载荷:如曲轴和一些旋转机械的载荷。

地震载荷:如地震、冲击波等。

随机振动:如火箭发射、汽车的颠簸等。

经常使用的动力学分析类型包括:

1、模态分析:用于确定结构的振动特性。如下问题可以使用模态分析来解决:

◇汽车尾气排放管装配体,如果其固有频率和发动机的频率相同就会发生共振,可能导致其脱离。

◇涡轮叶片在受到离心力时表现出不同的动力学特性,如何计算。

2、瞬态动力学分析:用于分析结构对随时间变化的载荷的响应。如下问题可以使用瞬态动力学分析来解决:

◇汽车保险杠可以承受低速撞击,但是在较高的速度下撞击就可能变形。

◇网球拍框架设计上应该保证其承受网球的冲击并且允许发生轻微的弯曲。

3、谐响应分析:用于确定结构对稳态简谐载荷的响应。如:对旋转机械的轴承和支撑结构施加稳定的交变载荷,这些作用力随着转速的不同引起不同的偏转和应力。

4、频谱分析:用于分析结构对地震等频谱载荷的响应。如:在地震多发区的房屋框架和桥梁设计中应使其能够承受地震载荷。

5、随机振动分析:用来分析部件结构对随机振动的相应。如:太空飞船和飞行器部件必须能够承受持续一段时间的变频载荷。