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用 I-deas 对大模型进行自由网格划分 (V11 版) - 1  

2010-12-10 07:43:20|  分类: I-deas 资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    目录

一 前言

二 一些基本原则

三 小结

四 一些常用工具


一 前言

随着计算机技术的迅速发展,CAE 方法也日益深入到国民经济的各个领域。作为 CAE 方法的一个重要内容,有限元方法已经大量使用到各种工程项目中。但是,随着有限元技术的推广使用,在有限元发展初期就困扰广大用户的结构划分网格问题至今仍然是广大用户深感困难的问题。如今,几何建模工作已经可以通过各种 CAD 软件来实现,然后将模型输入到 CAE 软件中划分网格和计算;但是,面对越来越复杂的结构模型,虽然已经出现了各种自动划分网格的工具,但功能十分有限,对于解决大型、复杂结构的划分网格问题的手段仍感不足。例如,对一个汽车发动机的气缸,即使只要求划分四面体网格,使用现有的任一前后处理软件,一个月能够完成,已经足可以称为高手;更不必说划分六面体网格了。因此,解决大型、复杂结构的划分网格问题,至今仍是各 CAE 软件商的重要研发内容之一。

    如果有时间,当然看一下全文较好,否则可以主要看一下小结和工具部分。


二 一些基本原则

本文以对非常大的汽车部件模型进行网格划分的经验为基础。在这种情况下,部件的表面数 (surface) 10,000 个以上。本文的目的是使用尽可能有效的方法在该部件模型上划分实体网格。

    大模型自由网格划分主要依靠 section 分网工具。在进行大模型自由网格划分前,重申 section 分网的目标是很有必要的:

1 每个 section 都可划分网格;

2 定义 section 时应清除不需要的 CAD 细节以减少有限元模型中的总单元数;

3 section 修补未缝合的几何以便用 section 定义一个密封的实体;

4 可以用 section 表述一些不在 CAD 中但对分析重要的拓扑特征。

 

了解 CAD 拓扑

在创建 section 之前,必须了解 CAD 模型的关键内容。CAD 模型中是否包含了多余的自由边界或没有缝合的情况?如果存在多余的自由边界,相邻自由边界的典型距离是多少?最短的边界线的长度是多少,以及短边界线的数量多少?是否存在未修补的面或缺失的面?在 CAD 模型中哪些特征可以忽略以减少有限单元的数量以及哪些特征对于分析是重要的。

典型的 CAD 数据包括几乎完全缝合的体 (Volume)。其中通常包含了非常短的边 (长度量级 0.01 mm)。缺失的面可能需要重建,但是如果缺失的面很小 (整体单元长度的 14 ),可以将该区域用 section 命令缝合到一起,而不必创建面。假如确实是上述情况,下面的 section 创建指南就是有效的。

 

CAD 简化

section 分网通常将 CAD 模型简化为适于分网的拓扑结构。Section 拓扑是:

1 将相邻的小面合并成一个完整的面,用单一的 section 表示;

2 用缝合的 section 曲线代替自由边界;

3 清除小的边,用一条 section 曲线表示一个完整的边界。

自动和手工工具用于产生适于分网的 section

 

自动创建 section

对于典型的汽车发动机零部件,以下自动创建 section 的设置是有用的 ( 1,为此,在创建 FEM 时需要选择 All Sections 选项)

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1  section 选项 (MB3 - 鼠标右键,见图1 和 图 2)

      a. 缝隙大小 (Gap size less than)0.01mm

      b. 其它用默认值。

    以下按照提示输入:

弯曲度极限 (Curvature limit) 60?

高级选项:预处理圆角 (Pre-process fillets)Yes

      a. 最小圆角半径:0.0

      b. 最大圆角半径: 4*(整体单元长度) /π

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高级选项:组合圆柱面 (Combine cylindrical surfaces)Yes

      a. 基于目标单元长度合并面:Yes

    b. 目标单元长度等于整体单元长度

选择所有面

    自动创建的 section 未必理想。改善操作将要求进一步消除导致质量差的三角形单元的条件。如以下各例:

    (1)  section 自由曲线;

    (2)  几乎一致的曲线 (由一条短曲线平行偏移所形成)

    (3)  短曲线 (小于预计单元长度的 10)

    (4)  不能分网的 section

    在分网时可以混合使用自动和手工工具以改正 section 拓扑中的错误。

    下面分别叙述:

(1) Section 自由曲线

自动创建 Section 将在整个 CAD 上定义 Section。这些 section 可能,也可能不是缝合在一起的。如果没有缝合,则存在 section 自由曲线。为了生成实体单元,需要消除 section 自由曲线。缝合 section 自由曲线可以保证用于生成实体单元的三角形网格是相互缝合在一起的。以下工具可以用于识别 section 自由曲线:

a.  查找 section 自由曲线 ( Section Quality Check 栏目之下- 3)

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b. 模型检查选项:  section 自由曲线

section 自由曲线检查产生一个暂时的 section 自由曲线图形显示。自由曲线为高亮度,但在下一次重新显示模型时,此图形将消失。

    模型检查提供了一种方法,可以通过图形方式持久地显示模型上的有限元质量信息 (Model Check Display ON - 见图 4)。在这种情况下,section 自由曲线持久地保持高亮度,直到 Model Check Display Off

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section 自由曲线可以用 Replace Curve (曲线替换) 命令缝合到一起。这一命令用所选择的第二条曲线替换第一条曲线。这种方法实际上是合并 "一致" 曲线。

得到一个完全缝合的 section 模型后,可以在自动创建 section 时自动生成的组 (group) 的基础上开始对 section 划分网格。

 

section 上生成三角形网格

在以前的版本中,推荐的是不要在全部 section 编辑完毕之前就对 section 进行分网。性能加强后的 I-DEAS 新版本消除了该障碍,从而可以在创建 section 之后立即进行网格划分。对 section 进行网格划分首先可以使网格需要修整的 section 上的单元质量受到控制。这就意味着不是每条短曲线或狭长区域内的网格都需要修整。只需要修整单元质量差的 section。将注意力集中到单元质量而不是 section 的质量上可以缩短划分网格所用的时间。

 

对圆角划分网格

在自动创建 section 的过程中,对圆角进行预处理时,本软件将所有被认为定义在圆角上的 section 放入一个组。这个组的名字为 "FILLETSECTIONS"。在对这个组的所有 section 划分网格时:

(1)  典型的整体单元长度为 5 10 mm

(2)  单元类型为线性三角形;

(3)  Free 选项:Free Mapped ON

即使最终是要生成二次的四面体单元,这里生成的仍然是线性单元。最后一步可以将线性的四面体单元转换为二次单元。打开 free mapped 选项将在 section 上产生类似 mapped 的四边形网格。对于圆角,free mapped 可以产生非常结构化的网格,因为圆角的 section 通常有四个边,两个平行的长边和两个短边。

对所有的 FILLETSECTIONS 划分网格时,很可能不是所有的 section 都能分网。划分网格的失败通常是由于最大面积平面的限制 (maximum area plane limitation)。不能划分网格的 section 将被加入到 预选择列表 (pre-select list) 中。在预选择 section 之外创建一个组。如果只有少数 section 不能分网,可以用手工编辑它们使其能够分网。如果不能分网的 section 较多,可考虑如下办法:

(1)  显示不能分网的 section 组;

(2)  将与组中 section 相关的面 (surface) 加入该组中 (使用组管理表单中的 Quick Filters)

(3)  删除组中所有 section

(4)  对组里所有的面创建单独的面 section ( 5)

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    可以用 Single Section Create 命令对一个由面组成的组创建单独的面 section ( 5)。由于可以使用参数空间对 section 进行网格划分,通过将不能分网的 section 转换为单独的面 section,可以大大提高对 section 分网的成功率。通常,只有非常大的整体单元尺寸才会使单独的面 section 分网失败。

(5)  对第 4 步生成的所有单独的面 section 划分网格

仍然会有一些 section 由于超过了单元尺寸限制而分网失败。在 I-deas 新版本中提供的一个新功能可以不必删除壳体上的网格而对它们重新划分网格。对第 5 步分网失败的 section 做如下尝试:

(6)  选择修改网格预览 (Modefy Mesh Preview) 图标 ( 6):

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 (7)  在右键菜单中选择 Add adjacent area ON ( 7):

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(8)  选择第 5 步中分网失败的 section

(9)  减小分网失败的 section 上的整体单元长度 (可取为初始单元长度的一半)

分网器将沿着第 9 步选择的 section 的边界产生新的单元分布,即使这些边界的一部分可能被已存在的网格所冻结。

(10)  预览网格,然后按 OK 退出修改网格预览表单。

通过不断缩小单元长度可以实现所有有圆角的 section 的分网。假如 FILLETSECTIONS 中的 section 都已能分网,下一个任务是对组合圆柱面 section 进行分网。现在选择 OK,取出所有尚未分网的 sections。你可能希望修补所有未分网的 sections 作为分网工作的最后一步。事实上,在编辑 section 的过程中,一些未分网的 section 已经得到了修补。

 

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