淺談使用CAE解析中問題修正方法

摘要：針對CAE處理過程中的尖角與R角等處，提出幾種簡單易行的提高網格質量的方法。

關鍵詞：CAE 計算機模擬 仿真 ANSYS ICEM CFD 有限要素法

中圖分類號:TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

1.CAE技術的產生

隨著現代計算機技術的飛速發展，以工程和科學問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析的CAE技術應運而生。CAE技術（Computer Aided Engineering）是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。

CAE系統的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構離散為有限數目的規則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析。

一方面，CAE技術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題，通過計算機數值模擬得到滿意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化。

2. ANSYS ICEM CFD軟件使用原理

CAE的核心技術有：有限要素法（FEM）、境界要素法（BEM）、有限差分法（FDM）三種。本次使用的軟件ANSYS ICEM CFD正是基于有限要素法（FEM）。

如圖1所示。

有限要素法（Finite Element Method；FEM）

將模型的有限空間結構（元素）進行分割，整體以近似的方法解決。

3．網格生成中，尖角與R角等處問題的產生和解決

在實際操作中ANSYS ICEM CFD軟件可快速步入到多樣化的幾何容差網格劃分器和生成高質量的體積網格和表面網格。而往往在網格診斷和修復過程中，尖角與R角等部分的修正是我們不得不面對的重點位置。

3．1 尖角與R角等處問題的產生

從ANSYS ICEM CFD軟件使用原理中（圖1）我們不難看到，ANSYS ICEM CFD軟件是將模型進行細化分割，形成有限數目的規則單元組合體，并通過設置實際結構的物理性能，以近似結果來替代對實際結構分析的。

軟件對尖角與R角等尖銳部分進行處理時，由于間距或角度過小，可能就會產生錯誤的劃分結果，如網格形狀奇異、缺面等。與實際模型的形狀產生出入，不能達到預期的效果，致使計算結果奇異，甚至有錯誤產生。

ANSYS ICEM CFD軟件診斷單個單元的質量包括多種評判標準，其中最常用的就是全面質量檢查（Quality），Quality的定義是單元網格內接圓與外接圓的半徑比。

如圖2所示。

實際單元網格的內接圓與外接圓半徑的比值：最理想單元網格的內接圓與外接圓半徑的比值

（最理想單元網格即為正三角形）

Quality將模型所有單元網格的質量情況（即圖2的比值）統計出來，并以圖表的形式反映出來，其中尖角與R角處單元網格中形狀不良尤為明顯。尖角與R角處既會產生形狀奇異且形狀不良，所以進行適當的處理十分有必要。

3．2 尖角與R角等處問題的解決

針對軟件的評判原理，我們因地制宜的有兩種解決方案。

方案一：從根源入手，即從模型自身的造型構造出發，在導入軟件前，先對模型的結構進行分析，分析模型中尖角與R角存在的可行性和必要性。對于加工困難和結構不合理的尖角與R角部分進行修改甚至于刪除。這種從根本上減少尖角與R角的方法，既減少了計算機運算產生錯誤的可能也使數據變得更加簡潔，這與CAE使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復雜的過程層次化，節省勞動時間的核心思想相一致的。

方案二：對于模型中存在不可或缺的尖角與R角部分，由于模型構造或機能的需要，一部分尖角與R角是不可以修改或刪除的。很顯然方案一是行不通的，這時就需要根據軟件的評判原理分析，這種不良形狀的產生是由于單元網格的形狀過于尖銳導致的。就要考慮使單元網格形狀向更合理、更均勻方向努力。

由于單元網格分的越細，尺寸越小，就越接近于模型的實際形狀。而尖角與R角處越接近模型的實際形狀，單元網格的形狀就會越尖銳，質量就會越低。所以相應的減少單元網格的數量，就是解決這種問題的方法。

如圖3所示。

從圖3中很明顯的看出，處理前單元網格細分，十分接近模型的實際形狀，導致形狀尖銳質量低下。由于網格的結構是單元組合體，單元網格之間是緊密相連的，所以可以合并單元網格的節點，將多個單元網格合并為較大且質量較高的個體網格。從圖中不難看出，處理后的數據明顯提高了整體造型的質量水平，從而減少了計算的時間，降低出現問題的概率，提高了效率。

4.結語

上述為尖角與R角等處的處理方法，可以在CAE分析中廣泛使用。CAE技術現在已不僅僅作為科學研究的一種手段，在生產實踐中也已作為必備工具普遍應用。所以培養一支較強的掌握CAE技術的人才隊伍十分重要， 會使企業能對現代市場產品的多樣性、復雜性、可靠性、經濟性等做出迅速反應，增強企業的市場競爭能力，CAE技術有著廣闊的未來和前景。