第五章 三维实体网格划分.docx

1、第五章 三维实体网格划分第五章 三维实体网格划分本章讲述三维实体网格划分。包括三部分内容： 生成四面体网格零件：对实体指定线性或者2次四面体网格。 四面体网格填充器：通过从曲面网格生成四面体网格来对实体划分网格。 扫描实体网格：通过从曲面网格生成六面体或者楔形网格对实体划分网格。51 生成3D零件网格本节说明如何使用四面体网格划分方法生成3D网格。在【Generative Structural Analysis】（通用结构分析）工作台和【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）工作台都有本命令。根据用户安装的产品不同，显示的选项是不同的： 【Generative St

2、ructural Analysis】（通用结构分析）或者【FEM Surface】（曲面网格划分）系列产品。 【FEM Solid】（有限元实体划分）系列产品。5.1.1 【Generative Structural Analysis】（通用结构分析）或者【FEM Surface】（曲面网格划分）系列产品在通常的用户中，一般安装的是第一种情形。在这种设置下，无论是在通用结构分析工作台还是高级划分工具工作台，定义3D网格的零件时，弹出的对话框只有两个选项卡。（1） 点击【Meshing Methods】（网格划分方法）工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher】（四面体网格划

3、分器）按钮，如图51所示。如果用户在【Generative Structural Analysis】（通用结构分析）工作台，则需要点击【Model Manager】工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher】（四面体网格划分器）按钮，如图52所示。 图51【Octree Tetrahedron Mesher】（四面体网格划分器）按钮 图52（2） 在图形区选择要划分网格的实体零件。选择后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框，如图53所示。注意！只能选择属于【PartBody】下的元素。 【Global】选项卡：可以修改网格全局参数

4、。 【Local】选项卡：创建局部网格参数。（3） 在对话框的选项内输入相应的数值。在本例中，在【Size】（尺寸）数值栏内输入20mm。（4） 点击对话框内的【确定】按钮，生成新的网格零件，并且在模型树上显示出新的网格零件名称，如图54所示。 图53【OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框图54模型树上显示出新的网格零件名称注意！3D网格可以手动删除或者添加。5.1.2【FEM Solid】（有限元实体划分）系列产品下面说明安装【FEM Solid】（有限元实体划分）系列产品时的情况。在这种设置下，无论是在通用结构分析工作台还是高级划分工具工作台，定义3D

5、网格的零件时，弹出的对话框有4个选项卡。（1） 点击【Meshing Methods】（网格划分方法）工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher】（四面体网格划分器）按钮。如果用户在【Generative Structural Analysis】（通用结构分析）工作台，则需要点击【Model Manager】工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher】（四面体网格划分器）按钮。（2） 在图形区选择要划分网格的实体零件。选择后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框，如图55所示。注意！只能选择属于【PartBody

6、】下的元素。 【Global】选项卡：可以修改网格全局参数。 【Size】（网格尺寸）：允许用户定义网格的尺寸（以mm为单位）。 【Absolute sag】绝对垂度：网格和几何图形之间的最大间隙，如图56所示。 图55【OCTREE Tetrahedron Mesh】（四面体网格划分器）对话框图56绝对垂度示意图 【Proportional sag】比例垂度：局部绝对垂度与局部网格长度的比例。比例垂度值局部绝对垂度值/局部网格棱边长度值注意！绝对垂度和比例垂度可以修改局部网格棱边长度值。用户可以使用绝对垂度和比例垂度两个值，在实际应用中，程序采用两个数字中约束严格的一个值。 【Element

7、 type】单元类型：允许用户选择单元的类型（Linear线性单元，或者Parabolic二次单元） 【Local】局部选项卡用户可以添加局部网格参数，例如垂度、尺寸或者在零件上的分布参数。为了添加局部参数，先在【Available specs】（可使用的特定参数栏）点击选择希望添加的参数，如图57所示，然后点击【Add】（添加）按钮。 【Local size】（局部尺寸）：用户可以修改名称、支承和数值，如图58所示。 图57【Available specs】（可使用的特定参数栏）内的选项图58【Local Mesh size】（局部网格尺寸）对话框 【Local sag】（局部垂度）：用户可

8、以修改名称、支承和数值，如图59所示。 【Edges distribution】（棱边上的分布）：允许用户定义在某一特定棱边上局部节点分布。为完成该功能:选择【Edges distribution】（棱边上的分布）选项，然后点击【Add】（添加）按钮。弹出【Edges distribution】（棱边上的分布）对话框，如图510所示。 图59【Local Mesh sag】（局部网格垂度）对话框图510【Edges distribution】（棱边上的分布）对话框在图形区选择指定节点分布的棱边，然后输入要分割的棱边数量。【Edges Distribution.1】特征出现在模型树上，同时所选择

9、棱边上出现节点，如图511所示。 点击【Local Mesh Distribution】局部网格分布对话框内的【确定】按钮。 【Imposed points】强制点：允许用户选择一些点，在划分网格时强制考虑这些选择的点。注意！在此种情况下，用户选择的点必须是在形状设计工作台或者零件工作台创建的点。只有在曲线上或者曲面上的点，才能够选择使用。点所在的支承元素必须是所划分的几何的一部分。为完成该功能: 选择【Local imposed points】局部强制加点选项，然后点击【Add】（添加）按钮。弹出【Imposed Points】强制点对话框，如图512所示。 图511选择棱边上出现节点 图5

10、12【Imposed Points】强制点对话框从模型树（在Open Body组下面）选择点，作为划分网格上强制添加的点。点击【Imposed Points】强制点对话框内的【确定】按钮。为了编辑已经创建的局部网格分布，用户需要双击模型树上的【Local Nodes Distribution】对象，然后从弹出的【Local Mesh Distribution】（局部网格分布）对话框中修改参数。 【Quality】（质量）选项卡 【Criteria】（标注）：允许用户选择一个标准（Shape形状、Skewness偏斜度、Strech伸展） 【Intermediate nodes paramete

11、rs】（中间节点参数）：只有在选择【Parabolic】（二次）网格时，才可以使用本选项。该选项允许用户选择二次网格中间节点的位置（Jacobian雅可比，Warp翘曲）。几何图形和中间节点之间的距离值是雅可比值或者是翘曲值。 图513【Quality】（质量）选项卡显示内容 图514 几何图形和中间节点之间的距离值 【Others】（其它）选项卡：图515 【Others】（其它）选项卡显示内容 【Details simplification】（简化的细节）：允许用户移除小的网格。 【Geometry size limit】（几何尺寸限值）：允许用户指定由网格划分器忽略的最大单元尺寸值。注意

12、！如果所有曲面的棱边都小于几何尺寸限值，该曲面将被划分器忽略。 【Mesh edges suppression】（网格棱边抑制）：移除小的棱边（在划分网格之后） 没有网格棱边抑制 采用网格棱边抑制图516 不采用和采用网格棱边抑制的比较注意！有时会发生网格棱边抑制导致违背约束条件。 【Global interior size:】（全局内部尺寸）：允许用户指定网格最大内部尺寸。注意！如果全局内部尺寸小于在【Size】（尺寸）栏定义的数值，【Size】（尺寸）栏的数值将降低到全局内部尺寸值。 【Min. size for sag specs】（指定垂度的最小值）：允许用户指定由于垂度指定值产生的网

13、格优化中的最小网格尺寸。 【Max. number of attempts】（最多尝试次数）：对于复杂的几何形状，如果在划分网格时，需要进行多次尝试，允许用户强制指定一个最多尝试次数。1. 选择需要的参数。在本例题中，保留默认的参数。2. 点击【Apply】（应用）按钮。弹出【Computation Status】（计算状态）对话框，并在零件上生成网格。为了更好地显示网格，可以将几何体隐藏起来。在左边的模型树上右击【Links Manager.1】对象，然后在弹出的快捷菜点中选择【Hide/Show】（隐藏/显示）选项。最终生成的网格如图517所示。在模型树上出现【OCTREE Tetrahe

14、dron Mesh.1: Part.1】对象，如图518所示。 图517最终生成的网格 图518【OCTREE Tetrahedron Mesh.1: Part.1】对象3. 点击对话框内的【OK】（确定）按钮为了编辑网格模型，可以双击模型树上的【OCTREE Tetrahedron Mesh.1: Part.1】对象，双击后，弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh】（OCTREE四面体网格）对话框。5.2四面体网格填充器本节说明如何从表面网格创建生成四面体网格。四面体网格过滤器从曲面网格（三角形壳单元或者四边形壳单元）创建生成体积网格（线性四面体网格或者二次四面体网格）。本项功

15、能必须在FEM Solid (FMD)产品下执行。在创建实体网格前，有两个必要条件：（1） 要确保曲面网格是封闭且连续的。（2） 要确保曲面网格没有交叉干涉。用户可以使用【检查干涉】功能，先对曲面网格进行检查。 3D网格的质量依赖于2D网格的质量。在创建3D网格前，要确保2D网格质量是好的。 使用本功能前，必须先有一个曲面网格。曲面网格可以与几何形状关联，也可以不关联。如果曲面网格是与几何形状关联的，几何形状可以是一个实体结构，也可以是一组连接的面。（1） 打开文件sample40.CATAnalysis。在本例题中，已经创建了曲面网格，如图519所示。（2） 点击【Meshing Metho

16、ds】（网格划分方法）工具栏内的【Tetrahedron Filler】（四面体填充器）按钮，如图520所示。 图519创建的曲面网格 图520【Tetrahedron Filler】（四面体填充器）按钮点击后弹出【Tetrahedron Filler】（四面体填充器）对话框，如图521所示。图521【Tetrahedron Filler】（四面体填充器）对话框 【MeshParts】（网格零件）栏：允许用户选择用于创建3D网格的2D网格。注意！可以同时选择多个2D网格。用户可以选择【Surface Mesh】方法划分的曲面网格、【Advanced Surface Mesh】方法划分的曲面网格

17、、【Coating 2D Mesh】抽取的2D网格、以及使用【Transformation】功能创建的各种2D网格。 【Remove】（移除）：允许用户移除所选择的网格零件。 【Remove all】（移除所有）：允许用户移除所有选择的网格零件。 【Element Type】（单元类型）：允许用户选择要创建的实体单元类型。他们与曲面网格单元的类型无关。 【Linear】（线性）：单元没有中间节点，对于只有直的棱边的实体非常好。 【Parabolic】（二次）：单元有中间节点，对于有曲线棱边的实体非常好。 （a）线性单元 （b）二次单元图522 单元类型比较 【Size progression:

18、】（尺寸传递）：允许用户在内部进行网格稀疏化处理。（如果系数为1，内部网格棱边的尺寸由表面棱边尺寸确定。）（3） 在图形区选择划分的曲面网格。在本例题中，选择【Advanced Surface Mesh.2】网格，如图523所示。【Tetrahedron Filler】（四面体填充器）对话框更新显示。注意！对于多个曲面网格的情况，用户要选择多个曲面网格，直到网格封闭为止。当所选网格未封闭时，自由棱边显示为绿色。（4） 在对话框内选择【Element Type】（单元类型）选项和【Size progression:】（尺寸传递）系数。在本例题中，选择【Linear】（线性）选项，在【Size p

19、rogression:】（尺寸传递）系数数值栏内输入2.（5） 点击【Apply】（应用）按钮。对应的四边形网格使用最短的对角线，切割为两个三角形网格。本操作只是四面体网格填充的一个步骤，原始的四边形网格仍然保留在网格模型中，并没有被三角形网格替换。现在已经填充出四面体网格，并且在左边的模型树上显示出新的网格单元【Tetrahedron Filler Mesh.1】，如图523和524所示。 图523选择【Advanced Surface Mesh.2】网格 图523 创建的填充四面体网格（6） 点击【确定】按钮，关闭对话框。用户可以使用【Cutting Plane】（切割平面）功能可视化实体

20、网格，具体操作方法如下：右击【Advanced Surface Mesh.2】元素，在弹出的右键快捷菜单中选择【Hide/Show】（隐藏/显示）选项。点击【Mesh Visualization Tools】（网格可视化工具）工具栏内的【Cutting plane】（切割平面）按钮。弹出【Cutting Plane Definition】（切割平面定义）对话框，选择【z】选项，点击【Reverse】（反向）按钮。不激活【Exact mesh cut】（精确网格切割）选项，显示切割后的网格如图525所示。 图524新的网格单元【Tetrahedron Filler Mesh.1】 图525显示切

21、割后的网格当在【Tetrahedron Filler】（四面体填充器）对话框内选择【Parabolic】（二次）时，创建的网格将含有中间节点，即四面体网格是二次网格。5.3扫描创建3D网格本节说明如何从曲面网格创建六面体网格（HE8和HE20）、楔形网格（WE6、WE15）。扫描3D网格提供了从曲面网格到体积网格的一种方法。当需要的时候，临近的棱边和表面网格会被捕捉到，作为3D实体网格的一部分，而不产生干涉现象。本项功能必须在FEM Solid (FMD)产品下执行。 为创建扫描的网格，体积形状必须类似于一个柱体结构，有一个顶和一个底。 必须存在一个曲面网格，它可以与几何形状关联，也可以不关联

22、。如果曲面网格是与几何形状关联的，这个几何图形可以是一个曲面，也可以是一组链接的曲面。 为了创建六面体网格，推荐使用【Generative Shape Design】（创成式形状设计）工作台内的【Split】（分割）命令。（1） 打开零件Sample25.CATAnalysis。在本例题中，已经创建了一个曲面网格。（2） 点击【Meshing Methods】（网格划分方法）工具栏内的【Sweep 3D】（扫描3D）按钮。点击后弹出【Sweep 3D】（扫描3D）对话框，如图526所示。 【Geometry】（几何）选项卡： 【Sweep Limits】（扫描限值）选项区 【Bottom】（底

23、部）：允许用户选择扫描创建3D网格所需要的曲面网格。可以进行多选。点击右侧的【Face Selector】（面选择器）按钮，进行多个选择。 【Top】（顶部）：允许用户选择目标域，可以选择多个面。 【Guides Parameters】（导向参数）：导向是在顶部和底部之间控制三维网格形状的线。 【Angle】（角度）；允许用户指定在由两条曲线计算导向线的时候角度公差。角度参数代表的是两条曲线之间最大的不连续值。默认值是由底面法向与候选曲线的第一个顶点之间确定。 【Guides】（导向）：给出计算的导向线数量。 【Compute】（计算）按钮：启动导向线的计算过程，由程序找出导向线。 【Remo

24、ve】（移除）按钮：允许用户移除计算结果中的导向线。 【Impose Guides】（强制导向）按钮：允许用户选择一条或者多条棱边包括在计算的导向线中。如果点击本按钮，会弹出【Impose Guides】（强制导向）对话框，如图527所示。 图526【Sweep 3D】（扫描3D）对话框 图527【Impose Guides】（强制导向）对话框 【Exclude Guides】（排除导向）按钮：允许用户选择一个或者多个棱边不包括在导向计算中。如果点击本按钮，会弹出【Exclude Guides】（排除导向）对话框，如图528所示。 【Mesh】（网格）选项卡 图528【Exclude Guid

25、es】（排除导向）对话框 图529 【Mesh】（网格）选项卡显示 【Element type】（单元类型）选项区 【Linear】（线性）：允许创建线性单元（HE8或者 WE6）。 【Parabolic】（二次）：允许创建二次单元（HE20或者 WE15）。注意！如果曲面网格是线性单元，用户无法创建二次实体网格。 【Smoothing】（平滑）选项区： 【Internal and top mesh】（内部和顶部网格）：允许用户根据需要提高网格的质量（但花费时间会相应增加）。 【Distribution】（分布）选项区： 【Type】（类型）：【Uniform】（均一）：所有节点之间距离相同。

26、【Arithmetic】（算术）：分布节点之间的距离由算术式计算出来。【Geometric】（几何）：分布节点之间的距离由几何分布定义。 【Layers number】（层数）：允许用户指定层的数量。这个值决定了扫描网格的尺寸。按钮允许用户初始化层数，使网格棱边的数量等于在导向线方向捕捉的棱边数量。 【Size ratio】（尺寸比例）：允许用户对【Arithmetic】（算术）分布指定一个公共差别，或者对【Geometric】（几何）分布指定一个公共差别。注意！只有在用户选择【Arithmetic】（算术）或者【Geometric】（几何）选项时，才能够选择【Size ratio】（尺寸比例

27、）。 【Symmetry】（对称）选项：允许用户指定网格是否对称。注意！只有在用户选择【Arithmetic】（算术）或者【Geometric】（几何）选项时，才能够选择【Size ratio】（尺寸比例）。 【Capture】（捕捉）选项区：允许用户捕捉更新后的底部、顶部和侧面网格以创建实体网格。 【Tolerance】允许用户指定捕捉时与网格捕捉间的最大公差值。 【Initialize】（初始化）：允许用户自动初始捕捉公差值。公差初始化采用在所有更新网格零件中的最小单元棱边比率。 【Preview】（预览）：允许用户可视化捕捉的网格，在【Capture Check】（捕捉检查）对话框内创建

28、一个捕捉面的报告。（3） 选择一个实体。注意！只能选择在左边模型树PartBody 下面的3D几何图形。在本例题中，选择模型树中的【Volume Sweep.1】，或者在几何图形区选择该元素，如图530所示。图530在几何图形区选择的【Volume Sweep.1】一旦选定几何体，【Bottom】（底部）栏被激活，同时出现【Tools Palette】（工具调色板）工具栏。（4） 选择一个面作为底面。注意，选择的面可以是划分网格的，也可以在网格零件的附近。可以多重选择。多重选择时要依次选择多个网格零件，组成一个完成的曲面。在本例题中，选择的曲面网格如图531所示。（5） 激活【Top】（顶部）

29、选项。点击对话框内的【Top】（顶部）选项。（6） 选择一个曲面作为顶部。注意，选择的面可以是划分网格的，也可以在网格零件的附近。可以多重选择。多重选择时要依次选择多个网格零件，组成一个完成的曲面。在本例题中，选择的曲面网格如图532所示。图531选择的曲面网格图532选择的顶部曲面网格此时【Compute】（计算）按钮处于激活状态。（7） 在【Angle】（角度）数值栏内输入45deg。（8） 点击【Compute】（计算）按钮。显示出计算的扫描3D网格，如图533所示。 计算出导向线，并以黄色亮显。红色的箭头显示导向线的方向。 几何图形被自动隐藏起来。 蓝色线代表几何图形上根据给定的角度忽

30、略的线。图533计算的扫描3D网格【Sweep 3D】（扫描3D）对话框更新，显示出计算的导向线数量为3，如图534所示。图534显示计算的导向线数量（9） 选择【Mesh】（网格）选项卡，修改网格参数：在【Element Type】（单元类型）栏选择【Linear】（线性）；不选中【Internal and top mesh】（内部和顶部网格）选项；在【Distribution】（分布选项）选择【Uniform】（均一）；在【Layers number】（层数）栏内输入7；在【Tolerance】（公差）栏内输入1mm。（10） 点击【Apply】（应用）按钮。根据设定的参数，创建出扫描3D

31、网格，如图535所示。图535创建的扫描3D网格（11） 修改下面的网格参数在【Distribution】（分布选项）选择【Arithmetic】（算术）选项；在【Layers number】（层数）栏内输入12；在【Size ratio】（尺寸比例）栏内输入4；勾选【Symmetry】（对称）选项；（12） 点击【Initialize】（初始化）按钮。在【Tolerance】（公差）数值栏内显示新的公差值。（13） 点击【Preview】（预览）按钮。捕捉到的用来创建3D网格的平面网格预览出来，如图536所示。图536捕捉到的用来创建3D网格的平面网格在本例题中： 顶部和底部的单元都是有效的，他们以绿色亮显出来。 侧面的单元在创建3D网格时被