有限元建模中的几何清理问题

有限元建模中的几何清理问题

刘荣军 吴新跃 郑建华 海军工程大学 动力工程学院，武汉

【摘要】在有限元建模中，直接将较复杂的实体模型进行有限元造型将会遇到很多困难，必须先对模型进行几何清理，对实体进行系统、有效的几何清理，可以快速、高质地实现有限元网格的划分。文章基于 ;8K9DL9MA 的有限元造型，进行了几何清理问题的分析，得到了几何清理的原则、应注意的事项和几何清理过程中亟待解决的问题。

关键词：Hypermesh；几何清理；有限元；网格划分；建模

1.引言

随着计算机技术和数值分析方法发展而发展起来的有限元分析方法是解决复杂的工程计算问题的一种有效途径。现在通用的有限元分析软件主要有nastran、abaqus、ansys、ADINA、hypermesh等，在利用这些软件对模型进行有限元造型时，都会涉及到小特征的抑制、复合面的产生等问题即几何清理问题，而给有限元建模工作带来许多麻烦，甚至是难以克服的障碍，因此应给予充分重视。

Hypermesh作为一种优秀的有限元网格划分软件而被广泛运用，但在利用 ;8K9DL9MA 进行网格划分时，经常遇到以下的问题： (1)导入曲面数据时存在缝隙、重叠、错位等缺陷，这会影响网格的质量，严重时会导致有限元模型无法求解或结果失真 。(2)边界错位引起网格扭曲，导致单元质量不高，求解精度差 。(3) 因为生产的需要，实体模型中通常会包含某些微小的特征，例如曲面和边的倒圆、小孔，进行分析时如果要准确模拟这些特征，需要用到很多小的单元，这就导致求解过长 。 (4)因为软件之间接口技术

的问题，在进行模型的倒入时，导入后的模型有可能会产生一些无法预知的缺陷，影响网格划分的质量，严重时可能还会导致四面体网格无法划分。

要解决这些问题，提高网格划分的质量和美观度，就首先要对模型进行几何清理。

现有的资料一般仅仅就 Hypermesh中的几何清理菜单及功能进行了一些介绍，因而，在很多人的观念里，认为Hypermesh中的几何清理功能即是利用Hypermesh中的几何清理菜单对实体进行几何清理，但这是不准确、不全面的，因为，在实际操作过程中经常遇到几何清理工具不能有效发挥作用的情况。通过长期运用Hypermesh进行有限元网格的划分，作者在运用Hypermesh进行有限元网格划分时的几何清理操作方面积累了相当的经验，这里对此进行系统的探讨。

2.几何清理分析

几何清理是极其重要的，这是因为： (1)几何清理是划分网格的根本，几何清理的好坏可以说直接影响着网格的质量。如果几何清理不当就可能使生成的网格质量不高，甚至无法生成体网格 ； (2)几何清理可大大降低工程人员的工作量，对于一些小特征的适当抑制，在提高网格质量的同时，大大减少了工作量；(3) 几何清理可以提高网格的美观度。

所以，在利用hypermesh 进行网格划分时，要想实现网格划分和提高网格划分的质量，首先就要完成好几何清理。理论上来说，利用六面体网格进行分析计算，其结果相对

较为精确 。但是，在实际应用中，对于形状结构很复杂的实体，进行六面体网格的划分是很困难的，对于有些模型来说甚至是不可能实现的。因此，在精度允许的条件下对复杂实体通常采用四面体网格来构造有限元模型。

在运用六面体网格与四面体网格对实体进行有限元网格划分时，其几何清理操作是有区别的。六面体网格是以半自动或手动划分为主的，因此，对几何清理的要求不是太高，一般依靠 Hypermesh 中的几何清理功能就可以实现。四面体网格则是全自动的网格划分方式 ，因此对几何清理的要求很高，仅靠Hypermesh 中的几何清理功能是无法实现的，需要系统的进行几何清理。

这里研究了利用Hypermesh软件对复杂实体进行四面体网格划分时，为了实现网格的划分和提高网格划分的质量而进行的几何清理操作。

2.1几何清理的途径

在Hypermesh中进行几何清理的途径主要有两条：

(1) 在Hypermesh中利用geometry cleanup;defeature和 2D mesh等菜单中的各项功能对模型进行几何清理 ，一般的情况下首选2D mesh菜单中的几何清理功能对模型进行几何清理。

(2) 在三维实体造型软件中对模型进行预先的清理，很多模型中某些小特征，单纯的依靠hypermesh中的几何清理功能是无法实现几何清理的目的，这就需要在三维实体造型软件中预先对这些特征进行一些必要的处理。

图1所示的是某型泵的涡壳，图中的各种孔特征的清理方法就是在 AB 软件中利用三

维实体造型功能预先对该特征进行抑制，进行孔特征的抑制之后的实体造型如图 2 所示。

总的来说，hypermesh中的几何清理功能是建立在三维实体造型软件对模型进行几何清理后，对模型进行的进一步的细化几何清理。对于模型中的一些小的几何特征，例如倒角、倒圆、小孔、键槽等小的特征，一般是在三维实体造型软件中进行抑制。而面的重新划分、线的压缩、相邻点的合并等进一步细化清理则一般是在hypermesh中利用其自带的几何清理工具来实现的。

2.2 几何清理的步骤

对模型进行几何清理一般来说可以按照以下的步骤来进行：

(1)根据实际网格划分的要求，在三维实体造型软件中对孔、倒角、倒圆等一些小的几何特征进行处理。经过处理之后，实体造型中的一些小的几何得到抑制，只存在自由边，这将在很大程度上降低划分网格的难度，大大减少工作量和进行有限元计算时的时间，这是对模型进行的第一步也是最粗略的几何清理。如图 2所示即为对图 1中所示的涡壳进行孔特征的抑制处理之后的涡壳实体造型。

(2)把经过第一步处理后的模型导入到 hypermesh中进行观察，如果存在自由边的则首先应用geometry cleanup、edit surface等工具进行处理 ，相对来说这一步对模型的清理也还是比较粗略的。经过这一步骤处理之后的实体造型可以消除绝大部分的自由边，但是，无法消除一些特殊的自由边。

图 3 所示即为经过本步骤处理之后的涡壳实体造型，消除了图3(b) 中L1 和图 3(c) 中 L2 所指部位原有的自由边。但是图3(a)中 B 所指部位的自由边，运用geometry cleanup、edit surface等hypermesh自带的几何清理工具很难进行处理，因此，需要用其它的途径来进行处理。

(3) 对于某些模型来说，因为建模或导入时数据接口等各方面的原因，经过第二步的处理后还存在有自由边，这些自由边如果单纯的依靠hypermesh中的几何清理功能，是不太好消除的。所以，就需要重新回到三维实体造型软件中，针对这些特殊的部位对其进行适当的处理后，再把模型导回hypermesh 中。

图4 为图3(a)中 B 处局部放大，L3 所指的部位因为实体造型或 UG 导入到 hypermesh中数据接口等方面的原因产生了单纯依靠 hypermesh本身的几何清理功能菜单无法消除的自由边，消除它的方法就是在UG 软件中利用其三维实体造型功能对模型进行适当的处理，消除自由边。图 5所示为图 3(a) 中B处所指部位经过本步骤处理后重新导入hypermesh的局部放大,图4中L3 所指的自由边，经过UG 中的三维实体造型功

能处理后，

得到了清理，如图5中 L4 所指。

(4) 经过前三步的几何清理后就可以实现模型上不存在自由边。在 hypermesh中模型不存在自由边是实现网格划分的前提，但并不意味着一定就能实现四面体网格的划分，还要利用hypermesh 中的面的剖分、线的压缩、相邻点的合并等功能对模型进行进一步的清理。这一步实际上是几何清理过程中的细化清理过程，不仅仅是为了实现网格的划分，更重要的是为了提高网格划分的质量。

图 6所示是图 1中的 A处局部放大，是未经过几何清理的泵壳内部的一部分，因为局部点、线过于集中，导致了在这个部位无法进行网格的划分，所以必须先进行线的压缩和点的合并，图 7为经过几何清理之后的图 6 所示部分。如图 6 所示， B1 点和 C1点、B2 点和 C2 点过于集中，所以要对其进行合并，合并后的点如图 7 中的 D1、 D2 点所示。线 L6、L7 在局部位置和与周边的线过于集中，所以对其进行压缩，压缩后的线如图 J7中L8、 L9所示。

图 8 中的有限元模型即为经过上述四步几何清理步骤，对图 1 所示涡壳进行几何清理之后，在 hypermesh 中利用其网格的自动划分功能对涡壳进行网格划分后的有限元模型。

2.3几何清理的原则

对模型进行几何清理应遵循以下的原则：

(1)模型中若存在相互距离小于网格 1/2的线条，应该进行适当的压缩。

(2)模型中若有小的缝隙，应该进行适当的补面 。

(3)模型中若有形状突变的，要进行适当地重新划分面。

(4)模型中若有距离很近的几个点，可适当合并和替换。

3. 结束语

综上所述，在进行有限元建模过程中，几何清理至关重要。在有限元网格划分软件自带的几何清理工具不能有效发挥作用的情况下，按照本文提出的途径、步骤、原则进行模型几何清理，可以大大提高网格划分的质量。另外，在对几何清理问题进行深入思考的过程中发现，现有的有限元网格划分软件虽然都具有一定的几何清理功能，但都是以手动清理为主，软件的自动清理功能和在清理过程中的智能化亟待开发。