Построение плоских и пространственных вычислительных сеток в ANSYS

Анализ методом конечных элементов требует разбиения исследуемой области на подобласти, называемые конечными элементами. Этот процесс обычно занимается значительную часть времени при постановке задачи. Далее опишем некоторые аспекты построения плоских и пространственных сеток при выполнении расчетов методом конечных элементов. Приведем несколько определений, которые будут использоваться при описании построения вычислительной сетки. Регулярная область – это область, ограниченная тремя или четырьмя линиями. Нерегулярная область – область, ограниченная более чем четырьмя линиями. Вычислительная сетка называется регулярной (структурированной), если множество сеточных узлов является упорядоченным. Такие сетки позволяют существенно уменьшить число элементов и узлов, что, в свою очередь, существенно уменьшает время расчетов. В задачах вычислительной гидродинамики регулярные сетки более предпочтительны в связи с тем, что по сравнению с нерегулярными (например, треугольными или тетраэдрическими) дают более точные результаты расчетов. Единственным недостатком регулярных вычислительных сеток является сложность, а иногда невозможность их построения на некоторых геометрических объектах. Вычислительная сетка называется нерегулярной, если множество сеточных узлов является неупорядоченным. В двумерном случае регулярные сетки строятся с помощью разбиения заданной области на более простые, которые ограничиваются тремя или четырьмя линиями. В том случае если это сделать не удается, необходимо вручную указать углы разбиваемой поверхности. Другой способ разбиения состоит в делении области на регулярные подобласти, которые в дальнейшем разбиваются регулярной четырехугольной сеткой. Данный способ является универсальным, так как с его помощью на любой поверхности можно создавать регулярные четырехугольные вычислительные сетки. Поэтому применение этого метода на практике является более предпочтительным. Что касается трехмерной регулярной сетки, то ее построение является еще более трудоемким процессом, а в некоторых случаях такие сетки создать не удается. Существует большое количество специализированных программ для создания качественных регулярных сеток. Даже при использовании такого специализированного программного обеспечения при создании регулярной сетки пользователю приходится тратить количество времени, сопоставимое со временем постановки и непосредственного решения задачи. Одним из способов создания регулярной пространственной сетки (который реализован в ANSYS PREP7) является протягивание разбитых на конечные элементы торцевых поверхностей вдоль образующей боковой поверхности или осевой линии трехмерного геометрического объекта. Иногда операцию протягивания торцевых поверхностей можно заменить операцией поворота разбитого на конечные элементы поперечного сечения трехмерного объекта вокруг оси симметрии. Более мощные пакеты для создания вычислительной сетки (ICEM CFD и другие) работают с блоками, на которые делится трехмерный объект. Процедура разбиения на блоки индивидуальна и может различаться в зависимости от типа и вида объекта. Однако, такой способ оказывается очень удачным, и с его помощью разбиваются практически любые тела. Тем не менее, он требует большого количества времени для создания качественной вычислительной сетки.