Setting up the model (续)

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 Setting up the model

建立模型

这是接上篇文章

Setting up the model

对于很多有限元新手，他们常常喜欢使用默认的设置，在网格划分的时候也常常是自动划分，不进行人为的控制。目前对ANSYS Workbench来讲的话，单元的类型是根据模型来自动赋予的，这就存在了一个问题：默认的单元类型真的是我们想要的吗？

对于会ANSYS经典界面的来说，更容易知道自己所需单元，因为当赋予材料之后，需要手动选取合适的单元，比如Beam188？189？Link180？Soild185？Soild65？等等，这样一来，就会让人产生对单元类型的思考，但是目前使用Workbench的人居多，虽然软件越来越傻瓜，但是我们需要有自行判断的能力

选择合适的单元类型

1）作分析，首先要明确单元类型，在不了解情况下，不要随意的去按照软件的默认设置，了解单元阶次与积分点、节点的概念，多了解一下哪些分析适合哪些单元类型，以及如剪切自锁、体积自锁、沙漏这样的Error是怎么产生的

2）对于线弹性问题，尽量采用高阶单元，可以提高精度，也可使用缩减积分设置来减少计算量

3）对于弯曲的问题，不要采用全积分的一阶单元，因为这样的单元容易过度刚化而导致不收敛，高阶低阶都是基于单元自身的形函数的，因此读者可以尝试了解形函数的概念

4）如果使用了低阶单元（一阶）与缩减积分的设置，就需要检查一下是否发生了沙漏现象，因为这种现象只发生在单元内部，单元太柔，只存在一个积分点，此时单元没有任何的刚度，无法抵抗变形

解决方法有使用高阶单元、加密网格和加入人工阻尼可以避免，但是人工阻尼可能会消耗系统能量，导致能量不稳定，因此需要检查阻尼消耗的能量和总能量相比是否远远小于，否则结果不可信

5）对于接触问题，一阶单元可以提高收敛性，一阶单元没有二阶单元精度高，因此需要加密接触部位的网格

6）如果出现网格高度损坏，建议使用低阶单元

7）尽量优先选择六面体，因为三角形或者四面体网格，它们存在尖角，刚度太大，尤其对于弯曲的问题，但是对于复杂模型来说，可接受三角形及四面体，虽然说六面体网格具有很好的收敛性，但是需要权衡划分六面体网格所需要的成本

8）如果材料类型为不可压缩或者几乎不可压缩，那么需要使用混合单元（UP杂交），来避免体积自锁，这对于塑性变形也很有用，因为塑性变形也是体积守恒

9）尽量不要采用既有低阶又有高阶的混合单元，因为容易在交界面形成Gap或者混叠，对结果精度存在影响。如果必须采用的话，需要在界面上施加约束将它们绑定起来，防止Gap与混叠的存在

10）原则上是允许使用同阶次的缩减积分与全积分的混合，因为刚度不同，可能会导致虚位移或者应力不连续

生成有限元模型

1）对于复杂接触或收敛性较难的分析，如果四面体网格无法搞定，尽量采用六面体单元，虽然划分这样的网格不易

2）在应力梯度较大的地方，需要进行加密来准确的捕捉应力的变化范围

3）当划分网格完毕后，需要检查一下网格的质量、纵横比、雅克比等参数，来确定网格的好坏

4）如果局部加密的话，需要对网格光滑过渡，相邻区域的网格尺寸不超过2-3倍，如果过渡太突然，可能会导致虚假应力的产生。粗糙的网格会约束细密的网格

定义接触

1）首先要正确的选择接触面（网格细、刚度小）与目标面（网格粗、刚度大）

2）节点与面的接触可能会导致滑移现象，因此倒圆角或者使面光滑连续很重要，探测方法最好使用节点探测，复杂容易发生较大的穿透

3）建立接触之前，需要消除刚体位移，可以打开弱弹簧控制(一般不推荐打开)，但需要在后处理中查看弱弹簧对整体的影响远远小于其他条件的影响，接触建立后要使用contact tool来检查接触的状态是否合理

4）二阶单元在接触方面是劣势，因此尽量采用低阶单元，但需要网格数量足够来保证精度

5）如果没有有限元的经验的时候，可以先通过采用简单模型的对比来获得每个选项的含义之后，再进行复杂模型的分析

总结

Cae不是一门简单的学科，它包含了力学、数学、有限元理论的经典

得到云图的那一刻不是意味仿真结束，而是开始

未完待续

参考文献

[1] How to Get Meaningful and Correct Results from Your Finite Element Model

[2]《有限元仿真实践》