ANSYS 部落格
April 28, 2021
用於結構分析的 FEA 網格劃分基礎
模擬是許多產業的關鍵工具，在未來幾年，全球模擬軟體市場的複合年成長率 (CAGR) 預計將達到 8-9%。成長幅度非常大 — 主要是由於模擬軟體為企業帶來諸多好處，包括降低產品開發成本，以及減少物理測試和錯誤原型的數量。
在模擬等電腦輔助工程 (CAE) 應用程式中，有多種軟體可用於產品分析，例如有限元素分析 (FEA)、計算流體動力學 (CFD) 等。若要進行 CAE 模擬，需要進行三個重要的分析步驟：前處理、求解和後處理。我們來討論 FEA 前處理步驟，特別是優質網格的重要性。
在我們其他 FEA 網格劃分部落格中，進一步瞭解如何對焊縫進行網格劃分和模擬以及如何維持高品質網格。
變速箱外殼零件上的網格範例。
FEA 中的網格劃分是什麼？
有限元素分析 (FEA) 是物理系統的數學表示，包括零件/組件、材料屬性和邊界條件。有限元分析（FEA）是對物理系統的數學表示，包括零件/組件、材料特性和邊界條件。在許多情況下，產品在現實世界中的行為無法通過簡單的手工計算來近似。像有限元分析（FEA）這樣的一般技術是一種便捷的方法，透過使用偏微分方程準確捕捉物理現象，來表示複雜的行為。有限元分析（FEA）已經成熟並普及化，以便設計工程師和專家都可以使用它。
網格劃分是使用 FEA 執行精確模擬的最重要步驟之一。網格是由包含表示幾何形狀的節點 (空間中的坐標位置，可能因元素類型而異) 的元素所組成。FEA 求解器無法輕鬆處理不規則形狀，但很適合處理立方體等常見形狀。網格劃分是將不規則形狀變成更易識別的體積 (稱為「元素」) 的過程。
在開始進行網格劃分之前，您必須先將幾何或 CAD 模型上傳到 Ansys Mechanical 之類的產品，以開始模擬過程。
如何為網格劃分準備您的 CAD/幾何模型
使用 FEA 模擬軟體 (例如 Mechanical) 時，判斷 CAD 模型中哪些特徵需要進行網格劃分，哪些不需要進行網格劃分是非常重要的。很多時候，CAD 幾何形狀在製造方面是非常錯綜複雜的。但是對於模擬，您可能不需要掌握每個細節，因此幾何體的某些零件可以去特徵化，這表示可刪除這些細節以節省時間。
例如，您的產品可能附有名牌標示。您不需要瞭解此名牌標示的物理效果，因此可以對該名牌標示進行去特徵化以避免其建立網格，這樣可節省網格劃分和求解時間。
使用 Ansys SpaceClaim，幾何體上的名牌標示很容易去特徵化，以避免對名牌標示進行潛在的不必要分析。
為模擬準備 CAD 模型的另一個重要方面，是描述幾何體中兩個或多個零件之間的關係。例如，如果您的幾何體在共用面 (或邊) 之間共用節點，那麼決定其為共形網格或非共形網格就相當重要。共形網格用於以膠水或焊縫結合的零件。非共形網格則用於透過接點或接頭結合的零件。在 Ansys Mechanical 中，您可以混合使用這些方法來滿足您的需求。
閱讀「改進 FEA 模型的 3 個步驟」部落格以瞭解更多資訊。
網格劃分方法的類型：四面體與六面體的比較
網格劃分方法有兩種主要類型。基於上述目的，我們所指的 3D 模型是：
- 四面體單元網格 (或「tet」)
- 六面體單元網格 (或「hex」)
在單元數較少的情況下，六面體或「磚體」單元通常可以產生比四面體單元更準確的結果。如果是複雜的幾何體，四面體單元可能是最好的選擇。這些預設或自動網格劃分方法可能足以讓您達成預定目標，但是還有其他方法可以讓您進一步控制網格。
混合網格劃分
在 Mechanical 中，您可以使用 Multizone (多區域) 方法，這是六面體和四面體單元的混合，允許您使用不同的方法，對幾何體的不同零件進行網格劃分。這可以讓您執行較少的幾何準備，並擁有更多的局部控制網格。
使用 Ansys Mechanical 混合網格劃分功能的管道連接幾何結構
掃描網格
使用掃描網格劃分，網格實際上會在體積和面上「掃描」，以幫助建立具有規則尺寸的高效網格。
決定使用哪種網格方法，通常取決於您要求解的分析類型 (顯式或隱式) 或物理學，以及您想達到的準確度程度。其他一些選項是用於特定分析 (如積層製造) 的笛卡爾網格劃分和分層四面體。
網格劃分控制
網格劃分控制可實現更精確的網格。Ansys Mechanical 可以讓您控制局部網格，而不是使用相同方法對整個 CAD 進行網格劃分的全域網格。局部網格劃分控制的一些範例包括幾何體的局部大小調整、精細化和影響範圍去特徵化。
我們以摩托車車架為例加以說明。您可能希望在整個幾何體上應用通用網格方法，但在焊接和螺栓連接處使用不同的策略。使用局部網格劃分控制可以讓您在這些位置建立更精細的網格，而不是使用更小的元素對整個零件進行網格劃分，這會需要更長的時間來求解。
摩托車車架幾何網格，焊接接頭顯示。
為什麼高品質的網格很重要？
簡而言之，優質網格等於更精確的結果。不良網格會導致收斂困難，從而導致不正確的結果和錯誤的結論。網格的品質取決於以下幾種情形：
- 您正在進行什麼類型的分析。
- 您想在網格上投入多少時間。
- 您想投入多少時間來解決問題。
在某些情況下，您可能需要快速解決方案，這將有助於闡明設計決策。在這種情況下，您可能不想花太多時間設定網格。其他時候，您可能需要非常精確的解決方案或結果，這需要耗費一些時間和精力使用不同的方法和控件來設定網格。
良好的網格具有符合您的需求 (分析類型、準確度程度、時間) 的品質標準，例如元素品質和長寬比。最後，我們建議您瞭解您的幾何體，並使用控制項來獲得最佳網格，畢竟這會帶來更好的產品設計。
在 Ansys Learning Hub 的網格劃分課程簡介中瞭解更多資訊，或是觀看網路研討會用於裂縫傳播分析的 Ansys 多重物理量模擬。