复杂装配体有限元网格生成方法的研究
针对复杂装配体有限元网格划分难度大的问题，文中提出了复杂装配体中零部件的联接关系问题的处理办法及几种典型模型(腔体、薄壳体及螺钉、螺栓)的混合(切分、扫掠)网格划分方法，运用了Ansys软件对示例模型分别采用自由网格划分与混合网格划分。结果表明混合网格划分方法比自由网格划分方法形成的单元数目更少、质量更高。混合网格划分方法可以适用于所有具有类似几何特征的模型。
1 引言
网格划分是有限元分析计算中关键步骤，网格划分的好坏直接影响到计算的精度和速度，甚至会因网格划分不合理而导致计算不收敛。网格划分可分成如下三个步骤:定义单元属性(包括实常数)、在几何模型上定义网格属性和划分网格。由于装配体模型的复杂及对模型简化和计算结果精确程度的较高要求，在网格划分方面有如下问题需解决:
(l)复杂装配休各零部件的联接关系
对复杂装配体各零部件的联接关系的模拟，直接关系到仿真计算的准确程度。联接关系主要有固连、焊接、螺纹联接、接触等。采用何种关系模拟，视具体情况及计算结果的精度要求而定。
(2)复杂腔体和薄壳体的网格划分
复杂腔体和薄壳体是抽取中面采用2D壳单元来模拟还是采用3D实体单元来模拟;若采用3D实体单元，是采用四面体单元(单元数目多，质量差，计算费时且精度较六面体为差)，还是采用映射、扫掠等方法划分为六面体单元。这些都是需要解决的问题。
(3)螺钉、螺栓的网格划分
对于螺钉、螺栓，也要依具体要解决的问题考虑是采用2D杆单元还是3D实体单元;若采用后者，因为复杂装配体的单元及节点数目本身就已非常大，所以必须考虑怎样才能将数目多、质量差的四面体单元转化为数目较少、质量较高的六面体单元。
本文研究了带有螺纹联接的复杂装配体模型的网格划分方法，同时将采用自由网格划分和混合网格划分生成的有限元模型进行比较。
2 复杂装配体有限元网格生成方法
复杂装配体有限元网格生成方法可归纳为如下三个方面:
2.1 复杂装配体各零部件的联接关系的处理方法
由于要涉及到静态接触非线性及模态和随机振动分析，且螺钉、螺栓是一个重要的关注焦点，所以螺纹联接的模拟，采用三维螺栓、螺钉简化模型(省略厂螺纹)和螺栓预紧单元;而接触的模拟，采用气维接触单元。
2.2 腔体、薄壳体的网格划分方法
由于要计算3D螺钉、螺栓，所以腔体、薄壳体的网格划分也要采用3D实体单元。同时为减少整体单兀的数目并提高网格质量，将零部件分割成规则形体再扫掠划分网格可以将网格全部划分为六面体。
2.2.1 腔体划分方法
已经建好的三维复杂实体，如果其在某个方向上的拓扑形式始终保持一致，则可用(人工或全自动)扫掠网格划分功能来划分网格;这种方式形成的单元几乎都是六面体单元。通常，采用扫掠网格划分方式形成网格是一种非常好的方式，对于复杂几何实体，经过一些必要的切分、粘接处理，就可以自动形成规整的六面体网格，它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性。
现举例说明。如图1(a)所示的腔体划分网格时可先将其构造封闭环面，切分为内外两层(如图1(b)所示);再将外面的一层切分为上卜两层(如图1(c)所示);之后可以分别采用扫掠网格划分。
2.2.2 薄壳体划分方法
将带有螺纹孔的薄壳体模型切分为螺纹孔处和其它部分，切分之后将各部分粘接在一起，使之在单元网格上保持连续;之后可以分别采用扫掠网格划分。现举例说明如下:图2(a)所示为薄壳体主视图，在其螺纹孔附近构造圆柱面或圆柱面的一部分，其它部分再切分成小块，可切分成图2(b)所示的若干壳体的粘接体，这样各部分都可扫掠划分，从而可保证对单元数目及单元质量的有效控制。
2.3 螺钉、螺栓的网格划分方法
采用将螺杆柱面延伸至螺钉(螺栓)头端面，再用此柱面切分整个螺钉(螺栓)的方法将螺钉(螺栓)切分为内外两层，之后将切分后的两个子实体粘接在一起就可以分别采用扫掠网格划分了。现举例说明:图3(a)所示为螺钉实体模型，图3(b)所示为切割后的爆炸视图，图3(c)所示为网格划分后的结果。
3 实例验证
以XX型号部件为例来验证文中所述网格划分方法。分别采用自由网格划分方法及本文所述的混合网格划分方法对其进行网格划分。
3.1 采用自由网格划分方法
自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上(平面、曲面)可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四血体网格。通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术(SMARTSIZE命令)来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小(AESIZE,LESIZE,KESIZE,ESIZE等系列命令)并控制疏密分布以及选择分网算法等(MOPT命令)。对于复杂几何模型而言，这种分网方法省时省力，但缺点是单元数量通常会很大，计算效率降低，且这种方法对于三维复杂模型只能生成四面体单元。如果选用的是六面体单元，则此方法自动将六面体单元退化为阶次一致的四面体单元，因此，最好不要选用线性的六面体单元，因为该单元退化后为线性的四面体单元，具有过刚的刚度，计算精度较差;如果选用二次的六面体单元，由于其是退化形式，节点数与其六面体原型单元一致，只是有多个节点在同一位置而已，因此，可以利用TCHG命令将模型中的退化形式的四面体单元变化为非退化的四面体单元，减少每个单元的节点数量，提高求解效率zo装配体模型采用自由网格划分后，得到如图4所示的有限元模型(图4(a)为整体模型，图4(b)为其中的螺钉模型)。
3.2采用混合网格划分方法
混合网格划分即在几何模型上，根据各部位的特点，分别采用自由、映射、扫掠等多种网格划分方式，以形成综合效果尽量好的有限元模型。采用混合网格划分(体分别按如上方法切分、扫掠，面则自由划分)后，得到了如图5所示的有限元模型。
采用自由网格划分和混合网格划分得到的单元及节点等相关数据，列表对比如下 ：
从上表的数据中可以看出:自由网格划分单元数目比混合网格划分单元多近100万个，且单元为四面体;单元阶次也比混合分网要低，其单元质量比混合网格(六面体)划分要差。
4 总结
为了提高计算精度和减少计算时间，应首先考虑对适合扫掠和映射网格划分的区域先划分六面体网格，这种网格既可以是线性的(无中节点)、也可以是二次的(有中节点)，如果无合适的区域，应尽量通过切仆等多种布尔运算手段来创建合适的区域(尤其是对所关心的区域或部位);其次，对实在无法再切分而必须用四面体自由网格划分的区域，采用带中节点的六面体单元进行自由分网(自动退化成适合于自由划分形式的单兀)，此时，在该fx:域与已进行扫掠或映射网格划分的区域的交界面上，会自动形成金字塔过渡单元(无中节点的六面体单元没有金字塔退化形式),
总之，综合运用多种手段建立起高质量、高计算效率的有限元模型是极其重要的，这里介绍的仅仅是很少一部分，必要时还可以借助专业的网格划分软件(Hypermesh等);而对许多工程问题的不断摸索、总结和验证才是最能保证高效处理复杂模型的手段。
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