有限元网格划分与力学感悟－－－from simwe的DrLan大作

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有限元网格划分与力学感悟

有限元网格划分与力学感悟
DrLan

    有许多朋友对有限元网格划分的要求不很清楚。下面谈一些个人的看法。

一、要有良好的力学感悟，那么它来自于哪里呢？

       来自于我们对力学结构的理解,包括专业知识、力学知识。在此基础上灵活掌握有限元工具，使我们快速地、最节约地、高精度地进行计算。其中：材料力学使用的结构内部载荷分析方法是我们建立良好力学感悟的基础。载荷方式主要分成以下几种：
       1、结构受拉或压时，结构最小横截面和应力集中区，比如连杆受拉时：小头拉长变形并导致小头两侧应力增加，大头在螺栓预紧过渡处的应力容易增加；
       2、结构受扭：扭矩传递途径中，最小的抗扭截面处或扭转应力集中处，如：曲轴的主轴承或曲柄销圆角处；
       3、结构受弯：内弯矩大、抗弯截面模量小、弯曲应力集中处，如：曲轴的主轴承或曲柄销圆角处；又如：主轴承壁圆角处等；
       另外有些地方拉压、扭转、弯曲耦合，如：曲轴的主轴承或曲柄销圆角处。

二、网格划分应该满足“多快好省”的原则。为了叙述方便，我把顺序调整一下。

1、省：
       在满足计算要求的情况下，尽量用少的网格和节点，一来节约了大量建模时间，二来节约了大量的计算机时、三来可以降低对计算机的硬件要求。一般来讲：
       (1)、只计算结构刚度的，使用一般的网格数量和质量就行，可以使用10点四面体单元。根据现在计算机水平，小零件的单元数量控制在5000－1万就行，如计算摇臂刚度、活塞刚度等。
       (2)、计算应力集中的，如曲轴圆角处，要求在应力集中区域的单元保持高质量，一般采用六面体单元，在曲拐圆角整齐排列4－6列高质量单元。曲轴的单元总量也最好控制在10万单元以内，便于缩减后给EXCITE使用。
       (3)、接触计算，要求接触区使用高质量的单元，一般采用六面体单元，并使长宽高的比例匀称，单元顶角接近直角，并保证接触区单元整齐排列，无过大或过小的单元面积。如：连杆大头轴瓦和螺栓预紧接触分析，单元总量控制在5－10万以内，还要进行缩减，进行EXCITE动力学计算。又如：机体/缸套/气缸垫/缸头螺栓等的接触计算，静力学计算中，单元总量控制在100万之内为宜。

2、好：
       (1)、指单元的质量要高：以立方体和等边四面体为参考，控制单元的最长边和最短边，以及单元顶角
       (2)、指使用好的单元类型：六面体具有良好的扭转弯曲精度，网格密度合适的情况下，使用8点六面体单元即可获得高精度，且计算迅速。4点四面体单元的扭转和弯曲精度很差，不建议使用。10点四面体的精度一般，用于刚度计算时还可以，不建议用于应力集中和接触计算。不建议接触计算中使用10点四面体的另外一个原因是：单元中间点的耦合关系定义有困难，初学者会导致错误严重的接触结果。

3、快：
       (1)、指非重要的区域，尽量使用个头大的好质量单元，如曲轴飞轮和皮带轮的网格、平衡重的网格、机体中非主要的承载区域等。
       (2)、去除对结果无用的细节，如加工孔、铸造拔模角、或无碍计算的细节等。如曲轴飞轮结构上的某些细节、机体上的拔模细节、定位销和加工孔等。
       (3)、对于影响结构刚度和应力的过渡部位，要予以保留。如主轴承壁应力计算中：主轴承壁上的筋及其过渡铸造圆角；连杆强度计算中：连杆杆身和大小头的铸造圆角或加工圆角；曲轴扭振和弯扭强度计算中：主轴颈和曲柄销圆角，曲柄臂上的局部结构或加强筋等；整机EXCITE振动计算中：机体的加强筋和铸造圆角；飞轮壳强度和模态分析中：飞轮壳上的加强筋和铸造圆角等。使用FAME划分能最大限度地保留这些细节，且不造成网格密度增大。

4、多：
       由于做工程项目时，时间紧、模型量大、优化方案多等，要求我们建立许多模型。FAME能使我们快速简单修改topo模型后，快速高质量地进行多种结构方案的网格划分，大大提高了效率。

三、检查方法

       1、有限元软件提供的单元质量检查方法，如无负体积、正雅可比等。
       2、对于对称结构，在对称面上施加对称的约束和载荷，应得到完全对称的变形和应力。

四、常存在的问题：

       1、茫然的：应力集中处的网格密度不够，或单元质量不高且胡乱排列，算来算去也不知道自己算对了没有，这样他就会采取另一个极端，使用极密的网格。
       2、错误结果的：全自动划分的四面体网格，并且不控制网格质量，网格数量极大，计算耗时很长（比如一天仅能算一两个），计算得到结构体内部莫名其妙的应力集中。虽然人工时间可以节省，但极大浪费工程时间、妨碍了优化进度。通常工程时间逼进时，草草结束计算，无法得到高精度的优化方案。如：曲轴圆角单元、缸体/缸头/气缸垫单元等不加控制时。
       3、无谓浪费时间的：单元质量很好，网格密度很大，且在无应力集中区域网格密度也很大，虽然计算结果良好，但浪费计算时间。模型一旦有一些定义不周到要重新算时，真是考验个人脾气和耐力的时候。

       还有其它各式各类的问题，不再赘述。


       希望大家在这里自由讨论，发表你的个人看法。