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ANSYS自适应网格划分  

2010-09-07 09:32:59|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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何为网格自适应划分?

ANSYS程序提供了近似的技术自动估计特定分析类型中因为网格划分带来的误差。(误差估计在ANSYS Basic Analysis Procedures Guide第五章中讨论。)通过这种误差估计,程序可以确定网格是否足够细。如果不够的话,程序将自动细化网格以减少误差。这一自动估计网格划分误差并细化网格的过程就叫做自适应网格划分,然后通过一系列的求解过程使得误差低于用户指定的数值(或直到用户指定的最大求解次数)。

 

自适应网格划分的先决条件

ANSYS软件中包含一个预先写好的宏,ADAPT.MAC,完成自适应网格划分的功能。用户的模型在使用这个宏之前必须满足一些特定的条件。(在一些情况下,不满足要求的模型也可以用修正的过程完成自适应网格划分,下面还要讨论。)这些要求包括:

?         标准的ADAPT过程只适用于单次求解的线性静力结构分析和线性稳态热分析。

?         模型最好应该使用一种材料类型,因为误差计算是根据平均结点应力进行的,在不同材料过渡位置往往不能进行计算。而且单元的能量误差是受材料弹性模量影响的。因此,在两个相邻单元应力连续的情况下,其能量误差也可能由于材料特性不同而不一样。在模型中同样应该避免壳厚突变,这也可能造成在应力平均是发生问题。

?         模型必须使用支持误差计算的单元类型。(见表31

?         模型必须是可以划分网格的:即模型中不能有引起网格划分出错的部分。

 

3-1  自适应网格划分可用单元

 

2-D Structural Solids

PLANE2  2-D 6-Node Triangular Solid

PLANE25 Axisymmetric Harmonic Solid

PLANE42 2-D 4-Node Isoparametric Solid

PLANE82 2-D 8-Node Solid

PLANE83 Axisymmetric Harmonic 8-Node Solid

 

3-D Structural Solids

SOLID45 3-D 8-Node Isoparametric Solid

SOLID64 3-D Anisotropic Solid

SOLID73 3-D 8-Node Solid with Rotational DOF

SOLID92 3-D 10-Node Tetrahedral Solid

SOLID95 3-D 20-Node Isoparametric Solid

 

3-D Structural Shells

SHELL43 Plastic quadrilateral Shell

SHELL63 Elastic Quadrilateral Shell

SHELL93 8-Node Isoparametric Shell

 

2-D Thermal Solids

PLANE35 2-D 6-Node Triangular Solid

PLANE75 Axisymmetric Harmonic Solid

PLANE55 2-D 4-Node Isoparametric Solid

PLANE77 2-D 8-Node Solid

PLANE78 Axisymmetric Harmonic 8-Node Solid

 

3-D Thermal Solids

SOLID70 3-D 8-Node Isoparametric Solid

SOLID87 3-D 10-Node Tetrahedral Solid

SOLID90 3-D 20-Node Isoparametric Solid

 

3-D Thermal Shells

SHELL57 Plastic Quadrilateral Shell

 

如何使用自适应网格划分:基本过程

进行自适应网格划分的基本过程包括如下步骤:

1.    象其他线性静力分析或稳态热分析一样,先进入前处理器(/PREP7Main Menu>Preprocessor)。然后指定单元类型,实参和材料特性,要满足上面提到的条件。

2. 用实体建模过程建立模型,用可以划分网格的面或体建模。用户不需指定单元大小也不用划分网格,ADAPT宏会自动划分网格。(如果要同时划分面和体网格,生成ADAPTMSH.MAC用户子程序-见后。)

3. PREP7中或在SOLUTION(/SOLUMain Menu>Solution)中指定分析类型,分析选项,载荷和载荷步选项。在一个载荷步中仅施加实体模型荷载和惯性荷载(加速度,角加速度和角速度)。(通过ADAPTBC.MAC用户子程序       可以施加有限单元载荷,固连和约束方程。通过ADAPTSOL.MAC用户子程序       可以加入多个载荷步。这些子程序在后面还要讨论。)

4. 如果在PREP7中,退出前处理器[FINISH]。(可以在SOLUTION或在初始状态下激活ADAPT宏)。

5. 用下列方法激活自适应求解。

   Command: ADAPT

   GUI: Main Menu>Solution>Adaptive Mesh

注意,可以在热或结构分析中使用ADAPT宏,但不能在一次自适应分析中同时进行这两种不同类型的计算。在自适应网格划分的迭代过程中,单元的大小将作调整(在FACMNFACMX指定的范围内)以减小或增加单元能量误差,直到误差满足指定的数值(或指定的最大求解次数)为止。

 6. 当自适应网格计算收敛时,程序自动将单元形状检查打开[SHPP,ON]。然后返回SOLUTION或初始状态,这取决于激活ADAPT的状态。接下来可以进       POST1用标准操作进行后处理。

修改基本过程

 

选择自适应性

如果用户清楚某个部分网格划分的误差相对影响较小时(如应力水平较低且变化较小),可以将这些区域从自适应网格划分中排除以加快分析速度。同样,用户也许想将接近应力奇异点的部分(如集中载荷)排除掉。选择逻辑操作可以解决这类问题。

 

              3-1  选择自适应能改进有应力集中的模型

 


如果用户选择了一个关键点集,ADAPT宏仍将包含进所有的关键点(在选择的和未选择的关键点都作网格改动),除非将ADAPT命令(Main Menu>Solution>Adaptive Mesh)中KYKPS设为1

如果用户选择了一个面或体集,ADAPT宏将只在选择的区域调整网格大小。此时必须在激活ADAPT宏之前在PREP7中对整个模型进行网格划分。

 

用用户子程序定制ADAPT

标准的ADAPT宏并不能满足特定的分析需要。例如,用户可能想同时对面和体进行网格划分,这在标准宏当中是不可以的。对于这种或其他一些类似情况,可以对ADAPT宏进行修改使之适用于特定的分析。ANSYS程序用宏这种方式完成自适应网格划分,本身就使得用户可以对其进行相应的修改以适应不同的要求。方便的是,用户不用总是通过修改ADAPT代码的方式来定制宏。宏的三个部分可以用用户子程序的方法来修改,这个方法将ADAPT宏和用户文件分开,用户可以生成子程序由ADAPT宏来调用。这三个部分是:网格划分命令序列,边界条件命令序列和求解命令序列。相应的用户子程序名为ADAPTMSH.MAC,ADAPTBC.MACADAPTSOL.MAC。下面看一下这三个子程序的功能:

 

生成用户网格划分子程序(ADAPTMSH.MAC

缺省情况下,如果模型中包含一个或多个体时,ADAPT宏将只对体划分网格而不对面进行划分。如果当前选择集中没有体,宏才对面进行划分。如果要同时对面和体进行划分的话,就要生成用户子程序ADAPTMSH.MAC来提供相应的操作。在重新划分网格之前要清楚所有这些实体中划分过网格的实体。子程序大致如下:

C*** Subroutine ADATMSH.MAC-Your name-Job Name-Data Created

TYPE,1             !指定划分网格的单元类型属性

ACLEAR,3,5,2       !清除本程序中要重新划分网格的面和体的网格

VCLEAR,ALL

AMESH,3,5,2        !对面35划分网格(ADAPT不对其他面划分网格)

TYPE,2             !改变单元类型,划分体

VMESH,ALL          !对所有体划分网格

请查阅TYPE,ACLEAR,VCLEAR,AMESHVMESH命令得到更详细的解释。

     我们建议将C***行包含在文件中以区别不同的宏。这一行将在任务的输出中出现,就可以确认ADAPT宏正确地调用了用户子程序。

 

生成用户边界条件子程序(ADAPTBC.MAC

ADAPT宏在每次求解循环时都要清除并重新划分网格,因此模型的结点和单元也要不断的改变。这就使得所有的有限单元载荷,自由度固连,约束方程等施加在结点和单元的边界条件都不能使用。如果要包含这些有限单元约束时,就要使用用户子程序,ADAPTBC.MAC。在这个子程序中,可以选择结点然后定义有限单元载荷,自由度固连和约束方程。下面是一个ADAPTBC.MAC的例子:

C*** Subroutine ADAPTBC.MAC-Your name-Hob Name-Data CReated

NSEL,S,LOC,X,0      !选择X坐标为0的结点

D,ALL,UX,0          !令选择的所有结点UX0

NSEL,S,LOC,Y,0      !选择Y坐标为0的结点

D,ALL,UX,0          !令选择的所有结点UY0

NSEL,ALL            !选择所有结点

 

生成用户求解子程序(ADAPTSOL.MAC

ADAPT宏中的求解命令序列很简单:

/SOLU

SOLVE

FINISH

这个缺省的命令序列只能求解单个载荷步。用户可以将其他的命令序列加入用户子程序ADAPTSOL.MAC中。

 

关于用户子程序的一些其他说明

用户可以象生成其他文件一样生成这些子程序。就是说可以用APDL语言的*CREATE命令(Utility Menu>Macro>Create Macro)和APDL*END命令,也可以用外部的文件编辑器。当ADAPT宏调用这些子程序时,软件先搜索ANSYS根目录,再搜索用户根目录,最后是当前目录。因此,要确保其他目录中不包括与所用文件同名的文件。解释行(C***)会在输出文件中出现,可以通过它来检查是否使用了正确的文件。另外,通过在运行ADAPT宏之前用/PSEARCH,OFF(Utility Menu>Macro>Macro Search Path)指定软件只搜索ANSYS根目录和用户当前目录可以从某种程度上减少文件混用的可能。不管这些子程序在什么位置,它们都能被找到,除非将ADAPT命令的KYMAC选项设为1

 

定制ADAPT(UADAPT.MAC)

有些情况下用户需要修改ADAPT宏但不能通过单独的用户子程序的方式,那么就需要直接修改ADAPT宏的主体。但是,因为某些原因,我们不推荐直接对ADAPT宏进行修改。(例如,别的用户和你同时使用一个软件,在调用ADAPT宏时会发现宏被修改了!)因此,在ANSYS安装中支持一个宏的拷贝文件UADAPT.MAC,便于用户修改。

如果对UADAPT.MAC文件进行了修改,我们建议对修改后的文件取一个新的文件名。然后在调用时输入这个文件名。要知道的是,如果新文件名是一个unknown commandANSYS将搜索上级目录,然后是登录的目录,最后是工作目录,直到找到这个宏为止。如果修改的宏只能为一个用户使用,那么存储的位置应在用户登录目录的层次之下(不能等于或高于这个目录层次)。这样,存储的低层次的文件可以通过*USE命令(Utility Menu>macro>Execute Data Block)来调用。

 

自适应网格划分的一些说明

下面的建议可能有助于自适应网格划分的使用:

不需指定初始网格大小,但指定大小可能有利于自适应收敛。如果用户指定了关键点网格大小,ADAPT宏在第一次循环时使用这个值,然后在随后的循环中进行调整。用下列命令指定单元大小:

Command: KESIZE

GUI: Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Keypoints-All KPs

    Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Keypoints-Picked KPs

如果定义了线分段数或大小比例,ADAPT宏将在每次循环中都使用这个数值而不作改变。如果没有定义任何形式的网格份数,在初始网格划分时将使用缺省的网格大小[参见SMRTSIZEDESIZE命令]。用下列方法指定线分段数或大小比例:

Command: LESIZE

GUI: Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Lines-All Lines

    Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Lines-Picked Lines

?         映射网格划分适用于2-D实体和3-D壳单元。但面的映射划分效果不明显。

?         映射网格划分适用于3-D实体。对体进行映射划分比自由划分效果要好的多。

?         总体上说,在自适应网格中有中间结点的单元比线性单元要好。

?         不要用集中载荷或尖角等引起奇异性的结构,因为此时ADAPT在这些奇异点处能量值将不收敛。如果模型中有集中载荷时,将其用施加在一个小面上的压力等效。(或通过选择将奇异部分排除在自适应网格划分之外。)

?         在许多情况下,用一系列相对小的区域替代少数几个大的区域将得到更好的网格划分。

?         如果最大响应位置已知或事先可以推测,就在附近放置一个关键点。

?         如果是在交互方式下运行ADAPT,而ANSYS在没有提示出错信息时突然退出,可以在Jobmame.ADPT文件中查看自适应网格划分部分以确定出错原因。    同样,在批处理方式下运行ADAPT时,可以看Jobname.ADPT确定出错原因。

?         如果模型中有些区域有过度的扭曲时,在网格划分中就会出错。在这种情况下,用KESIZE命令(Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Keypoints-Picked KPs)SIZE域指定扭曲区域附近关键点的最大单元长度。同时,ADAPT命令中的FACMX将设为1,阻止过度扭曲部分单元大小增加。

?         应当存储结果文件(Jobname.RSTJobname.RTH)。在ADAPT运行过程中程序如果发生中断,结果文件中将保存ADAPT过程已完成求解的内容。

?         在自适应网格运行之前应输入SAVE命令(Utility Menu>File>Save as Jobname.db)。在程序出错中断时,可以用Jobname.db重新启动计算。

 

自适应网格划分实例

 

问题描述

求解如下图结构,在承受热载荷时E点的温度。几何尺寸和材料特性等参数见下图所示。

  /PREP7

  SMRT,OFF

  /TITLE, TWO DIMENSIONAL HEAT TRANSFER WITH CONVECTION

  ANTYPE,STATIC                      

  ET,1,PLANE55

  MP,KXX,1,52.0                

  K,1                         

  K,2,.6                                                                         

  K,3,.6,1.0                                                                     

  K,4,,1.0

  K,5,.6,.2

  L,1,2

  L,2,5

  L,5,3

  L,3,4

  L,4,1

  AL,ALL

  DK,1,TEMP,100,,1

  DK,2,TEMP,100,,1

  SFL,2,CONV,750.0,,0.0

  SFL,3,CONV,750.0,,0.0

  SFL,4,CONV,750.0,,0.0


 

 

 

 

FINISH

ADAPT,10,,5,0.2,1  !误差为5%,循环10次,网格大小比例在0.21之间 LOOPS

/POST1

PLNSOL,TEMP                  !显示温度场分布

 

 

ANSYS Verification Manual》中的实例:

VM193               二维热对流的自适应分析

VM205               均布载荷下椭圆薄膜的自适应分析

 

 

 

 

 

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