完整TrueGrid与主流网格划分软件功能对比.docx
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完整TrueGrid与主流网格划分软件功能对比
TrueGrid参数化网格划分软件
方案书
用户单位：
*＊＊*
中仿科技
2014年11月12日
一、TrueGrid与主流网格划分软件功能对比
目前,世面上商用网格划分软件，主要有Hypermesh、ANSA、Patran、ICEMCFD，以及TrueGrid。
发展至今，这些软件均能满足常规的网格划分需求,也均有各自的特点以及优势领域.
Hypermesh、ANSA偏重于面、壳体等结构的分网，TG在实体固体的六面体网格分网能力更突出,ICEMCFD侧重于流体的分网。
而Patran的优势在于MSC软件的前后处理，包括几何建模以及对MSC软件的支持，操作方面，Patran的鼠标图形化操作界面做的最好.
战斗部的仿真工作，均涉及大变形，对计算精度有很高的要求。
在满足计算高效率要求的前提下，六面体网格是十分必要的。
在三维六面体网格生成方面，TrueGrid（以下简称TG）能力最强，模型越复杂，六面体网格划分越发精细，既均匀又规则，别的软件无法与其相比。
战斗部的仿真,均涉及爆炸等动力仿真，一般采用LS—DYNA软件作为分析求解工具。
TG软件,是从LS—INGRID上重写而成，而LS-INGRID是LS-DYNA内置的前处理工具，因此，TG软件和LS-DYNA的联合使用是最为顺畅的。
例如，TG可以直接生成LS—DYNA所需的K文件。
战斗部的仿真，经常需优化设计，建模，分网，求解,后处理，若可完全用脚本来实现，设计效率会很高。
TG可实现纯命令流形式分网，借助其参数化功能，通过文件重生成网格，实现分网的优化设计需求。
其余软件也有的可以借助导出脚本,修改脚本来实现命令形式操作，但不彻底，很多时候还需人工干预。
战斗部仿真部件时，需对某些构成体、面进行选取工作，但TG软件的鼠标选取功能有待改进，这个方面，Patran优势较大。
分网时，需要对整体分块处理，需要很多技巧，而且占网格处理的大部分时间，TG的手工干预较多，而且对使用经验要求偏高。
分网效率方面，TG同时基于几何实体和拓扑分网，而且非常擅长参数化网格。
同时，对于大规模模型，TG的分网效率很高,而相比之下HM仅仅是基于几何实体分网，参数化方面也有一个所谓的蒙皮技术,但是功能比较单一，参数化特性有限，而且分网效率较低，不过HM对于二维网格尤其是汽车行业的薄壁件的处理能力及网格控制能力，优势较为明显.
二、TrueGrid软件特点介绍
TrueGrid是一套优秀的、功能强大的通用网格生成前处理软件。
它可以方便快速生成优化的、高质量的、多块结构的六面体网格模型。
作为一套简单易用，交互式、批处理前处理器，TrueGrid支持三十多款当今主流的分析软件。
TrueGrid提供了工业界最先进的映射网格划分功能，使用户快速完成他们想做的工作。
可以快速而有效地创建顶级优质的网格模型。
TrueGrid创立的网格模型可以导入到有限差分软件或有限元软件中进行模拟计算。
此外，TrueGrid不仅仅是一个网格生成工具，它还可以针对大多数分析软件生成输入文件。
在TrueGrid中定义网格的同时,用户可以指定有限元网格模型的物理特性,甚至可以指定与网格划分无关的一些模拟参数。
一旦完成了整个网格的划分工作，TrueGrid会自动生成输入文件。
TrueGrid可以生成多块体、结构化的优质网格模型。
此外，TrueGrid还提供了许多有用的工具来辅助生成高质量的网格，包括：
多线性插值、无限插值、椭圆过渡工具等。
TrueGrid使用特殊的投影方法将块体结构的网格划分投射到一个或者多个表面上。
这种投影方法消除了繁重的手工网格划分操作的烦恼。
TrueGrid不断增加了很多更灵活更方便的智能化工具，一旦整个模型的网格划分完成，TrueGrid的诊断工具会对你最终得网格模型进行综合评价。
TrueGrid拥有一个先进便捷的图形用户界面，可以通过点击鼠标完成所有操作。
图形界面充分利用颜色的区别来建立几何模型和网格模型。
提示、对话框,以及在线帮助均可以直观地引导用户创立高质量的网格模型菜单.TrueGrid使用成熟的图形技术来随时观察网格建立的情况。
UNDO命令可以让你随时方便地修改你的模型。
这种互动式的操作特性将给你快速的反馈信息，来帮助你完成网格划分的过程。
作为一个强大的前处理软件,TrueGrid具有如下优势：
∙使用TrueGrid可大大节省您宝贵的时间
∙TrueGrid可方便、快速生成高质量六面体和四面体网格单元
∙TrueGrid’强大便捷的投影处理方式
∙通过TrueGrid多块结构方式产生高质量的网格划分
∙TrueGrid可方便地与您的原有系统整合,构成一个完整集成环境。
∙TrueGrid友好的用户界面、条理清晰的菜单，使用户可随意接通任何分析任务
∙TrueGrid更灵活更方便的智能化辅助网格生成器
∙TrueGrid用户自定义方式
节约宝贵的时间
工程师和科学家通常使用的，代价昂贵的三维计算机有限元模拟技术，现在终于可以以更低的成本来完成了。
根据对大多数人的调查估计,在计算机模拟中，网格单元的划分通常需要占用整个项目完成时间和费用的80%左右.使用TrueGrid软件可以仅仅花费数天时间便完成了使用其它网格生成软件通常需要花费几个月时间的工程项目。
网格划分
TrueGrid是一个习惯于将几何结构细化为一个个小方格，然后划分成六面体块体单元或四边形壳体单元的计算软件。
划分的结果，即网格或者栅格，可以用来导入到现在通常的FEA和CFD分析软件中进行结构分析、流体流动或其它复杂物理场的模拟。
TrueGrid使得设计者从复杂几何模型网格划分的繁重工作中解脱出来，在保证获得优质网格质量的同时，极大地减少了时间消耗。
TrueGrid功能的强大其中一部分原因是：
它可以使设计者直接进行多块结构网格划分.左侧球体优质的网格划分是因为在一个结构上使用了七个很小的小块,七个小块的框架见右图。
在这个球体的网格划分中共使用了7000个六面体单元,而使用TrueGrid软件进行交互式划分此网格模型需要使用不超过一分钟的时间，只需六步操作。
相对这个网格划分的时间，如果使用其它工具的话可能还需要进一步的细化操作。
投影处理方法
TrueGrid的投影方法（基于投影几何学）免去了设计者指定结构体积详细信息的需要,而这往往是其它CAD导向网格生成器所必需的。
并且，这种精确的投影方法能够处理复杂的几何结构---—建立大型复杂的涡轮、喷气发动机、泵、机翼、传动器甚至人体结构的模型。
表面和曲线可以有无限制的任意曲率。
用户只需选取表面，TrueGrid会完成其余的工作。
节点会自动地分布在表面上，而边界上的节点会自动置于这些表面的交界面上.节点的分布会通过插值和光滑过渡等方法进行控制。
多块结构化部件
建立优质网格单元的关键是使用结构化的块体模式.TrueGrid®的标准部件是基于六面体实体单元和四边形的薄壳单元.它们通过行、列和层的形式组成结构化的块体。
由于结构化的块体模式可以控制网格的质量并可将问题分解成许多易处理的小块结构,因此可以说它是一个完美的解决方案。
TrueGrid支持高结构化的，多块体网格划分功能—-这可以产生高质量的网格划分。
在各行、列和层上,每一个块都可以由三维六面体、二维四边形、以及一维线性或二次方程式单元组成。
在建立多块体结构化网格上，TrueGrid有很大的灵活适应性以确保可以处理最复杂的几何结构。
下面为一个扬声器模型的分解图形,它是由八个多块体结构组成,包含六面块体单元和四边形壳体单元。
模型的导入和导出
现代化的设计可以通过计算机辅助设计（CAD）或者固体模型器来完成.TrueGrid软件使用IGES标准界面导入几何模型并将设计转化为模拟仿真软件所需的数字化模型。
由于投影方法的优越性,因此没有“清除”模型的必要！
（清除模型仅仅当使用基于几何模型网格划分器的时候需要使用）
TrueGrid也有许多种表面和曲线的输入形式:
使用几何窗口输入、函数、任意数据等.从其它来源导入的几何模型可以任意方式地混合以形成所需要的几何结构。
这一点是非常重要的，尤其是当您需要将一个从实体模型导入的光滑NURBS表面,同一个不规则曲面进行组合的时候，例如构造一个复合曲面问题。
更重要地是可以将一个网格曲面投射到此复合表面，并经过椭圆修复工具进行光滑过渡处理。
此外，边界条件和初始条件、约束和载荷都可以嵌入到模型中.TrueGrid用户可以选择适当的模型数据，以便为进行三维模拟做准备。
无论边界表面被以何种方式定义，TrueGrid®都可以快速地将块状结构的网格特征与边界表面进行匹配。
它的网格划分功能可以很好地实现表面与表面之间的搭接、不重合以及不能光滑过渡等问题。
用户可以将任意多的复杂表面组合成为一个单一的整体.这可以减少你在建立和修补几何结构时候的工作量，而不必考虑网格模型是怎样建立的。
完整的几何实体模型可以如实地从CAD/CAM软件或其它建模工具中导入到TrueGrid中来，而不会丢失数据.导入模型可以以标准的IGES格式从建模软件或CAD/CAM系统中输入。
左侧的模型是从商业CAD软件中建立并以24个面的形式导入到TrueGrid中.
TrueGrid®支持下列的IGES文件实体模型：
3D曲线
表面
其他
线
面
转换
圆弧
规则表面
标准
圆锥曲线
旋转面
相关性
参数化样条曲线
圆柱面
NURBS曲线
参数化样条曲面
复合曲线
NURBS曲面
栅格曲面
TrueGrid®的IGES文件读取器已经通过使用多种流行的CAD/CAM和模型建立工具得到测试。
下面列举了一些测试过的软件：
∙ANSYS®
∙AutoCAD®
∙CATIA®
∙ComputervisionCADDS®
∙EDSUnigraphicsNX®
∙ICEMDDN
∙LS—DYNA
∙Pro/ENGINEER®
∙I-DEASMasterSeriesTM
∙SolidWorks®
∙SurfcamCAD/CAM®
∙SolidEdgebyEDS©
图形用户界面
TrueGrid拥有一个先进的图形用户界面，可以通过点击鼠标完成所有操作.图形界面充分利用颜色的区别来建立几何模型和网格模型。
系统的提示、对话框,以及在线帮助均可以直观地引导用户创立高质量的网格模型，精进的数学运算法则也使得优质网格的划分成为可能。
此外，先进的三维图形技术可以使得用户在建立模型的时候随时观察网格结果.
辅助网格划分方法
数学函数插值
通过结构化块体技术，网格生成可以归一到多变量矢量函数的基本概念上。
所有的经典数学理论和许多现代技术都可以应用到网格生成问题上来。
例如，最好的数学网格生成方法（如无限差分）是基于三维计算空间矩形域内的三维矢量函数.
椭圆工具进行平滑处理
平滑网格处理是对椭圆偏微分方程很好的解决方案。
TrueGrid支持等位松弛、均匀平滑以及Thomas—Middlecoff椭圆方程方法.第一种方法尽量补偿从边界中剔除出来的区域，第二种方法是当边界有大曲率时的一种改进处理。
最后一种方法执行整个内部区域的节点分布。
节点密度和数值误差
在数值模拟中,有限差分法对于求解偏微分方程是一个强大的技术方法。
这种方法的精度可以通过使用临近节点方程的Taylor级数展开式进行预测。
这些展开式将被代入偏微分方程的差分表达式。
在数值模拟中，结果的误差估计是栅格节点之间的距离和场变量梯度大小的函数。
在一个网格划分区域，通过去除大量的节点进行简化是不足够的。
如果网格密度的改变率很大的情况下,则那个区域的求解精度就会下降.从粗糙单元到精细单元之间的过渡必须是逐渐完成的，以避免由于网格的畸变而带来的误差。
通常，相邻单元之间的增加比率为10％。
使用TrueGrid，你可以控制块体边界节点的分布。
节点可以是等距分布在两个交界表面交接线上，以形成块体的边。
节点也可以是集中分布在边界的一端、两端或者中间部分。
节点密度分布函数也可以以任意的形式沿着边线的集中节点集进行定义。
在所有的三个坐标方向上,节点的分布可以独立进行控制.在相邻块体上的邻近边线可以区分对待,即使它们已经形成为一个复合边界的节点集.块体面上的节点分布将会继承它四个边线的节点分布特征。
而表面上的节点分布将会依赖于作用于表面上的数学插值和/或椭圆工具，以及投影表面的曲率.而块体内部的节点分布依赖于它的六个边界面上的节点特征。
同样这些节点特征也依赖于作用于内部的数学插值和/或椭圆工具。
模型表面的修复
实体模型曾经一度被用来仅仅作为可视化的模型。
这是因为在传统的CAD软件中实体模型不能通过曲线和表面建立出来，而在工程分析之前,实体模型也必须转换成为曲线和表面才能进行进一步的计算。
这样的转换并不简单，而且对于早期的实体建模软件，要实现这种转换几乎是不可能的.
TrueGrid可以很方便地处理典型的具有上百个复杂修整曲面的模型,而每一个曲面内又可能含有几十种甚至上百种复杂的修整曲线.在处理过程中不需要对表面进行编辑，甚至可以很方便地处理“多修整”表面模型.
TrueGrid显示出了强大的实体模型导入修整功能。
TrueGrid会检测出表面周围的特征，并在图形区显示出来.TrueGrid的用户甚至可以将这些表面组合成为一个整体,使其更加具有整合性。
此外，TrueGrid可以允许一定程度的尺寸误差,因此你不必担心模型表面是否精确接合。
将多个表面组合成为一个整体是TrueGrid的一个强大的特征。
CAD工程师可以不必为表面需要怎样使用的细节而烦恼。
TrueGrid的网格划分并不依赖几何模型的建立方式，而仅仅与模型的实际形状有关。
网格划分工具不支持修整的情况
使用TrueGrid的情况
对于修整表面支持概况
∙从所有的建模软件中导入表面（IGES类型）.
∙修整表面进行显示，因此用户将看到一个修复的完整实体模型.不需要专门的图形库。
∙即使是最复杂的表面（含有多个空洞以及外部修整曲线）也很容易处理。
∙网格划分与原始模型是怎样转换成为表面特征的方式无关.
∙修整表面可以整合成为一个表面。
所有的TrueGrid特征都作用于组合结构，包括椭圆处理工具，投射方法和自动交界线的配置。
三、TrueGrid软件用户情况
用户单位方面，国内从事导弹、炸药、战斗部设计的单位绝大多数都是TG的用户，包括大学、军队、研究所和企业。
部分大学用户
中北大学
国防科学技术大学
北京理工大学
北京航空航天大学
南京理工大学
解放军理工大学
第二炮兵工程学院
西北工业大学
海军工程大学
哈尔滨工程大学
哈尔滨工业大学
华南理工大学
中国科学技术大学
兰州理工大学
燕山大学
华中科技大学
天津科技大学
浙江大学
西南交通大学
部分企业、科研机构用户
66206部队
中国兵器工业第203研究所
66352部队
北京强度环境研究所
63961部队
中国石油集团川庆钻探工程有限公司
91439部队
空军场务技术试验中心
96323部队
国营743厂
四、实例应用--——复杂网格划分
参数化网格划分
组合体分网
激光靶室
轮毂
F16战斗机
747客机
火箭
卫星
发动机舱
叶轮
五、实例应用-—--战斗部网格划分
1、一种三罩并联MEFP战斗部的数值模拟研究
针对目前反坦克、反武装直升机等装甲目标的新要求，设计的战斗部为三罩并联式MEFP结构，其中药型罩是由三个呈轴对称的小药型罩组成.其结构如下图，三个药型罩直径均为40mm，每个药型罩的锥角为120°，药型罩厚度为3mm,挡板厚度为5mm，药型罩的中心与药柱的中心之间的距离为25mm。
利用TrueGrid软件对模型划分网格如图所示.所得有限元模型共134435个节点，126192个单元。
几何模型
整体网格
炸药网格
药型罩网格
2、不同结构下双束旋转式离散杆战斗部
以反舰导弹为典型目标,提出反式错位双束离散杆和顺式双束离散杆这两种不同方案的双束离散杆战斗部。
利用前处理软件TrueGrid建立双束旋转式离散杆的有限元模型，应用非线性有限元软件LS-DYNA，采用流固耦合算法，模拟这两种战斗部的飞散过程。
对双束离散杆战斗部进行模型简化:
战斗部直径82mm，主装药直径66mm，药柱高220mm，单杆质量10。
85g,总杆数100根，主装药质量为1。
26kg，材料为10号钢，杆条口径为4mm,内衬采用铝合金，铝筒壁厚3mm，主装药采用B炸药。
离散杆战斗部采用圆柱形杆条，做上、下两排放置，提出了两种放置方案：
1）反式错位双束离散杆：
上、下两排杆与战斗部轴线的斜置角为4。
5°和—4。
5°，错位排放（即各杆对应另一排相邻杆的中间位置）；
2）顺式双束离散杆：
上、下两排杆与战斗部轴线的斜置角均为4。
5°.两种方案如下图所示。
3、两种典型双层EFP战斗部数值模拟
为进一步提高EFP战斗部侵彻钢靶目标的深度，设计了由铝－铜和铝－铁组成的两种典型双层EFP战斗部装药结构，并利用有限元软件LS-DYNA对这两种不同材料制成的复合型爆炸成型弹丸药型罩进行了数值模拟，然后配以相应的炸药装药进行试验研究，并对两种研究结果进行了简要的分析。
双层药型罩有：
铝－铜和铝－铁两种，采用球缺形，具体结构参数为：
口径40mm、药型罩最大曲率半径54mm、两层药型罩厚度都为2mm、装药高度为60mm，如图所示。
双层EFP战斗部装药结构
有限元网格划分的几何模型用TrueGrid前处理软件建立，因聚能装药为轴对称结构，模型采用1/4结构.
装药结构有限元模型计算模型平面图
4、一种新型聚能装药数值模拟与实验研究
中心开孔并带有护管的聚能装药通常作为逆序起爆串联战斗部二级装药,作为单独使用的战斗部的研究国内外还很少见。
而在工程实际中，有时会遇到在药型罩或战斗部上开孔的需要，这对成型装药的性能具有一定的影响.为同时满足工程需要和战斗部威力要求，提出一种新型中心带孔聚能装药结构.
将中心带孔聚能装药总体结构进行模型简化，建立数值模拟所需要的几何模型。
为了节省计算单元,建立1/4模型，模型由药型罩、护管、炸药、空气域四部分组成，具体结构如图所示.
利用TrueGrid软件建立模型后，通过与LS—DYNA间的接口，将模型导入求解中进行计算。
模型中使用的三维实体solid164单元对模型进行划分，划分的药型罩网格模型，如图所示.所得有限元模型共149486个节点,131784个单元。
有限元模型
5、双层罩串联EFP战斗部的数值模拟
针对目前反武装直升机和反装甲运输车等目标的新要求。
提出一种双罩串联式的EFP装药结构,其中药型罩是由两个串联的药型罩组成，中间是夹层材料。
其装药结构见下图，装药直径为106mm，药型罩壁厚为2mm，壳体厚度为5mm，夹层材料厚度为23mm。
TrueGrid软件建立数值模型，并对其模型生成模型文件,利用LS—DYNA软件对其生成的模型文件进行模拟求解计算。
网格划分
6、灰关联分析聚能装药药型罩对射流性能的影响
聚能装药是一种传统的战斗部，在炮弹、火箭弹及导弹中得到了广泛应用.它利用金属射流来毁伤目标，且射流速度大则破甲深度大。
射流的速度与药型罩材料、锥顶角、壁厚有关.用灰关联分析药型罩各参数对射流成形性能的影响程度，并将影响因素主次明确化。
采用如图所示的聚能装药的基本结构。
该几何模型由炸药、药性罩两部分组成.主要研究药型罩的影响，故装药结构在本文设成定值.聚能装药的装药长径比1。
2;壳体的壁厚1。
50mm；起爆方式为顶端中心点起爆。
药型罩的锥角分别选60°、70°、80°;药型罩的壁厚选1mm、1。
25mm、1。
50mm和1。
75mm，组合成12种结构方案,药型罩的材料选铜和钢，便可以组合24种结构方案。
药型罩及装药平面结构图
用Truegrid建模软件建立24种模型,本文限于篇幅仅介绍其中的一种建模。
药型罩口径50mm，装药高度60mm。
模型采用1/4结构,在模型的对称面上施加对称约束条件.
计算模型图
7、某单兵制导破甲战斗部威力性能研究
将建立具有药型罩、炸药、壳体、靶板、空气等五种材料在内的破甲战斗部模型，首先应用PRO/E三维建模软件建立具有同轴度偏差的药型罩模型，然后将药型罩模型导入TrueGrid，建立聚能装药的网格模型，最后将网格模型导入LS-DYNA并进行计算仿真，最终得到数值模拟结果。
某红外导引头结构
破甲战斗部仿真模型
采用数值模拟方法,对加装导引头的破甲战斗部在药型罩锥角、同轴度偏差以及起爆方式三种因素综合影响下,金属射流的成型及性能进行分析研究。
具体数值模拟方案见下表。
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