3D网格划分：现代仿真工作流程的最佳实践
摘要
简介
3D网格划分功能对计算机辅助工程（CAE）工作流程至关重要，因为它能将复杂的几何图形转化为有限元，并对其进行结构、热和流体性能分析。这一步骤使工程师能够对真实世界的行为进行精确建模，从而确保获得准确的仿真结果，为可靠的 CAE 分析奠定基础。
在这篇文章中，我们将推荐3D网格划分的最佳实践，探索不同的网格划分工作流程，并介绍 Spatial 的网格划分解决方案。Spatial 网格化 SDK 可促进 CAE 应用程序中的无缝仿真集成，并可增强应用程序开发人员的仿真工作流程。
在我们深入探讨之前，如果您想更深入地了解网格划分，请访问我们的网格划分词汇表页面。
了解 CAE 工作流程中的网格划分
CAE 网格将 CAD 数据与分析应用程序连接起来。它是一种模型离散化，可满足目标数值求解器或分析应用程序的数学要求。网格划分可增强 CAE 工作流程，在仿真中提供控制、精度和性能。
四步仿真工作流程：
- CAD 和几何准备 - 导入、修改和预处理几何。
- 仿真准备 - 生成网格和设置边界条件。
- 仿真执行 - 基于数值方程的求解器计算。
- 结果分析与可视化--处理数据以进行验证和决策。
带有网格划分的CAD模型示例
这种网格划分流程是几何体和求解器之间的关键环节。它确保网格生成过程得到良好集成，并产生为求解器量身定制的可靠结果。适用于 CAE 应用的网格是一种特殊的镶嵌。适用于CAE的网格类型与图形应用程序的镶嵌、点云扫描以及任何模型镶嵌都不同。CAE中的求解器正在对复杂的物理现象进行建模。求解器中实现的数值方程近似依赖于必须遵守的数学约束，以确保结果的准确性。
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网格划分的重要性
网格划分是几何与求解器之间的关键环节。整合良好的网格划分过程可确保结果的准确性，使其符合求解器的要求。不同的网格类型适用于不同的应用（如渲染、工程扫描），但 CAE 需要高度可控的网格来保证精度。
求解器约束举例
所有求解器对于其支持的网格类型都有非常不同的约束，以此获得有意义的结果。以下是需要遵守数学约束的一些例子。
有限元分析 (FEA) 验证-要求整个几何体的网格划分保持一致，以便在生成越来越精细的网格时正确观察解决方案的收敛情况。
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有限差分求解器的 CFL 条件-必须遵守此条件才能确保求解器的稳定性，而这取决于网格尺寸的约束。
特定行业求解器：
- 塑料注射建模 - 模拟塑料流动和冷却。
- 3D 打印 - 评估喷嘴效率和气泡形成。
- 医学模拟 - 利用人工植入物模拟心脏功能。
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Spatial网格划分技术
为了支持业界的各种网格划分需求，Spatial 提供了Convergent Surface Mesher (CSM) 和 Convergent Volume Mesher (CVM)，它们与 Spatial 的CGM Modeler和3D ACIS Modeler 紧密集成，可提供强大的曲面和体网格划分技术。CSM 和 CVM 都是自动、可靠的3D网格生成 SDK，旨在增强现代仿真工作流程。这些先进的工具提供了无与伦比的控制和高级功能，可确保仿真的精度和性能。
曲面网格化组件
- 能够处理各种输入类型，如分析 CAD、细分曲面和混合 CAD，具有强大的嵌入式 CAD 预处理和曲面网格愈合功能
- 根据用户定义的尺寸自动生成保形曲面和体网格
- 基于递增 Delaunay 算法生成非结构化三角形网格，支持四边形和全四边形网格
- CAD 网格关联性可跟踪网格元素与 CAD 曲面之间的关系
体网格划分组件
- 可生成保形四面体和混合网格
- 支持高质量边界层网格，能自动管理过渡区
- 可使用成本较低的六面体元素主导体网格
- 基于混合正面-德劳内插入法，可最大限度地提高稳健性和生成高质量的元素
- 严格遵守用户定义的尺寸限制
- 通过可靠的网格自适应功能实现迭代工作流
- 高级控制（渐变、边界层、迭代网格适应）
Spatial 的网格支持分析 CAD（BREP、CGM、ACIS）和基于网格的输入。
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网格划分最佳实践
在应用程序中进行高度自定义的网格划分起初可能会让人感到有些不知所措。以下是我们建议初学者遵循的最佳实践。
1.选择正确的网格类型
可以使用三种不同的模式生成三角形和四边形：全三角形网格（默认）、四边形网格和全四边形网格。
- 三角形网格：默认为非结构网格。
- 四边形主导网格：用于更平滑的过渡。
- 混合网格：仿真效率最高。
2.控制网格大小
一旦你选择了想要生成的单元类型，更重要的问题是如何控制网格尺寸。通常会涉及两个概念：物理（或绝对）尺寸控制和几何（或基于特征）尺寸控制，以及第三种混合方法：
- 物理尺寸：在所有地方使用用户定义的目标尺寸来生成具有一致尺寸的网格。平面和细节捕捉良好，曲率近似。
- 几何尺寸：用于根据表面曲率和几何公差自动调整元素大小。曲面区域捕捉良好，但网格通常较粗糙，且存在一些高纵横比的单元。
- 混合方法：平衡两种概念是一种有用的方法。在保持元素良好质量的同时，平面细节和曲线都得到了很好的捕捉。这种方法兼顾了两者的优点。
在选择网格尺寸时，应根据应用场景和您的具体需求来考虑每种方法。选择网格尺寸的一般规则如下：
当几何精度不重要，且求解器对非常小的单元敏感时，使用恒定的全局尺寸，例如有限差分求解器的 CFL 条件。
当模型包含精细特征或高曲率时，应使用基于几何的网格尺寸，以准确捕捉物理特性。
由于求解器对元素尺寸的急剧变化非常敏感，因此应采用适当的分级，以避免相邻元素之间的突然变化。
专业提示：最大尺寸足够小，可以与您想要捕捉的细节程度相匹配。最小尺寸要足够大，以防止元素数量过多，并且要足够小，以防止元素过小（这可能会阻碍平滑收敛）。
3.体网格划分注意事项
采用体网格划分时需要考虑一些标准。这是由于生成的单元格数量造成的，这些单元格通常更为关键，并且会显著影响完成仿真所需的时间。体网格划分的目标是在单元数量和运行仿真所需的时间之间找到一个折衷方案。以下是我们的建议：
- 简化模型：移除对结果没有影响的小特征或孔洞。对于整个结构的结构完整性及其疲劳响应进行建模时，一些小细节可能并不重要，因此最好将其移除。
- 利用对称性：通过对重复模式进行建模来降低复杂性。这可能意味着在对称、轴对称或重复模式的情况下，将几何体简化为最相关的部分。
- 智能放置元素：在需要的地方集中放置高密度元素。您可以控制生成体元素的位置；可以是所有区域，也可以仅限于外部区域。
对于简单的体网格工作流程，尺寸调整相对简单。渐变梯度是用于从表面网格尺寸增长元素。体元素根据曲面网格元素尺寸生成，不受任何尺寸限制。
体积级配 = 1.05 体积级配 = 1.5 体积级配 = 1.9
标题：从表面网格尺寸增长元素的梯度示例
专业提示：使用控件来控制生成的网格中可接受的最大和最小元素尺寸。使用六面体单元填充大部分体积，并使用四面体和其他类型的单元来处理与表面的过渡。
高级网格划分工作流程
网格准备
用于几何准备和建模的功能集，使CAD模型能够为各种下游应用进行网格划分。准备用于高质量网格划分的 CAD 模型通常需要修复 BREP 拓扑（移除细缝、短边、间隙和未对齐），合并实体以进行共形网格划分，或简化几何体而不影响求解精度。
局部网格尺寸控制
对不同的几何区域应用不同的网格尺寸。例如，在同一几何体上使用不同的大小约束、CAD面的各向异性尺寸以及体积大小约束。
网格周期性
复制和粘贴网格结构以用于重复图案。网格周期性是指在两个匹配的 CAD 面上生成相同网格的过程。当几何体中存在重复图案时，这非常有用，可以确保一致性并在整个几何体中观察到相同的行为。
边界层
对于CFD应用至关重要，确保模拟的稳定性。网格中的边界层是从表面网格生成的半结构化网格。边界层到体积内各向同性单元的过渡是自动管理的。
迭代网格自适应
动态细化网格以提高精度。此工作流程从初始粗糙网格开始，到围绕平面的局部细化，最后到机翼翼尖后的局部细化，每个阶段之间进行两次更新。
集成高质量的仿真就绪网格
3D网格划分能力是CAE应用不可或缺的一部分。选择合适的网格类型和尺寸，以及理解体网格划分的约束条件，是Spatial网格划分SDKs能够帮助实现的最佳实践。Spatial的网格划分解决方案为希望集成高质量、可用于仿真的网格工作流程的应用程序开发者提供强大且可定制的工具。
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探索 Spatial 解决方案的潜力： 申请评估
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关于 Spatial Corp
Spatial Corp是达索系统的子公司，是为各行各业的技术应用提供3D软件开发工具包的领先供应商。Spatial 3D建模、3D可视化、3D网格划分和 CAD 转换软件开发工具包帮助应用开发人员提供市场领先的产品，保持对核心竞争力的关注，并缩短产品上市时间。 35 年来，Spatial 的3D软件开发工具包已被世界上许多最知名的软件开发商、制造商、研究机构和大学所采用。Spatial 公司总部位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德，在美国、法国、德国、日本、中国和英国均设有办事处。有关 Spatial 公司最新更新和产品的更多信息，请访问www.spatial.com。
