第01部分 接触收敛

第1讲 网格划分和单元编辑

主讲人：江丙云

1.1 2D平面网格划分实例

本例先绘制草图，然后基于此草图创建平面部件（Part），再对此平面Part进行网格划分。

1.1.1 问题描述

图1-1所示的2D平面几何，即为本例网格划分对象，其具体尺寸参见图中标示。

1.1.2 草图绘制

打开Abaqus/CAE，界面切换到Sketch模块。

应用命令Sketch→Create或单击工具箱中的（Create Sketch），在弹出的Create Sketch对话框中，草图名称（Name）默认为Sketch-1，草图尺寸（Approximate Size）约为100。单击对话框中Continue按钮进入草图。

1. 绘制垂直线1

应用命令Add→Line→Connected Lines或单击工具箱中的（Create Lines: Connected），在草图下方提示栏输入起点（0,0），按Enter键或鼠标中键；在提示栏输入终点（0,10），按Enter键即可完成长度为10的垂直线的绘制。

2. 绘制垂直线2

应用命令Add→Offset或单击工具箱中的偏移曲线（Offset Curves），根据提示栏的提示选中上文所绘制的垂直线1并按鼠标中键确认（Done）；在提示栏输入偏移距离20，按鼠标中键确认后查看偏移的曲线是否在原垂直线1的右侧，若是则单击提示栏OK按钮，否则单击Flip按钮翻转偏移方向。

3. 绘制水平线3

单击工具箱中的（Create Lines: Connected），分别选择垂直线1和垂直线2的上顶点，绘制出水平线3。

4. 绘制圆4、水平线5和水平线6

创建点：应用命令Add→Point或单击工具箱中的创建孤立点（Created Isolated Point），在提示栏输入（10,0），按Enter键完成点的创建。

绘制圆4：应用命令Add→Circle或单击工具箱中的，根据提示选择刚刚创建的点，即圆心；随后在提示栏输入（15,0）以确定圆的半径为5，按Enter键完成圆的创建。

绘制水平线5：单击工具箱中的（Create Lines: Connected）#，根据提示选择垂直线1的下端点作为起点，水平交叉于左半圆作为终点。

绘制水平线6：同理，选择垂直线2的下端点作为起点，水平交叉于右半圆作为终点。

5. 绘制垂直线7

单击工具箱中的偏移曲线（Offset Curves），根据提示选中上文绘制的垂直线2并按鼠标中键确认（Done）；在提示栏输入偏移距离20，按鼠标中键确认后查看偏移的曲线是否在原垂直线2的右侧，若是则单击提示栏OK按钮，否则单击Flip按钮翻转偏移方向。

6. 绘制垂直线8

同上，单击工具箱中的，往右偏移垂直线7 20mm。

7. 绘制水平线9和水平线10

绘制水平线9：单击工具箱中的（Create Lines: Connected），分别选择垂直线2和垂直线7的下端点。绘制水平线10：同理，单击工具箱中的，分别选择垂直线7和垂直线8的下端点。

8. 绘制水平线11

单击工具箱中的，往上偏移水平线10 2.5mm。

9. 绘制弧线12

应用命令Add→Arc→Tangent to Curves或单击工具箱中的（Create Arc: Tangent to Adjacent Curves），根据提示选择水平线11的左端点作为起点，选择水平线3的右端点作为终点，至此草图如图1-2所示。

裁剪多余线：应用命令Edit→Auto-Trim或单击工具箱中的自动修剪（Auto-Trim），根据提示选择圆的下半部分、垂直线7和垂直线8的上面部分做裁剪删除，最终草图如图1-1所示。

1.1.3 创建Part

切换到Part模块。

应用命令Part→Create或单击工具箱中的Create Part，弹出图1-3（a）所示的Create Part对话框，其中几何模型为二维平面（2D Planar）的变形体（Deformable）壳（Shell）。单击Continue按钮进入草图界面。

应用命令Add→Sketch或单击工具箱中的Add Sketch，调入前文所绘制的草图Sketch-1，单击提示栏中的Done按钮或按鼠标中键完成草图的调入。

根据提示，单击Done按钮，弹出图1-3（b）所示的警告信息，同时草图也会有图1-3（c）所示的提示；此时应用命令Delete，把垂直线2和垂直线7删除。

单击提示栏中的Done按钮或按鼠标中键，即完成Shell平面Part的创建。

1.1.4 网格划分

切换到Mesh模块，且类型为Part。

1. 切分平面

应用工具栏中的命令Partition Face: Use Shortest Path Between 2 Points，根据提示，分别选中平面上原垂直线2和垂直线7相应的两点，切分后如图1-4（b）所示。

2. 种子定义

应用命令Seed→Edges或单击工具箱中的Seed Edges，选中垂直线1并按鼠标中键，弹出Local Seeds对话框，如图1-4（a）所示，在Basic选项卡中设置其边上节点个数为5，同时在Constraints选项卡约束其节点个数不变。

同上，如图1-4（b）所示，分别约束边线的种子个数，垂直线1、垂直线2、垂直线7和垂直线8为5个节点，水平线3和弧4为20个节点，水平线5和水平线6为水平线4个节点，水平线9和弧12为10个节点，水平线10和水平线11为15个节点。

3. 网格控制

应用命令Mesh→Controls或单击工具箱中的（Assign Mesh Controls），根据提示，框选全部平面，按鼠标中键确定，弹出网格控制Mesh Controls对话框，如图1-4（c）所示，设定网格单元形状Element Shape为四边形Quad，网格划分技术Technique为自由划分Free，网格划分算法Algorithm为中性轴算法Medial axis。

4. 单元类型

应用命令Mesh→Element Type或单击工具箱中的（Assign Element Type），框选全部平面，按鼠标中键确定，弹出图1-5所示的单元类型Element Type对话框，选择类型为平面应变单元CPE4R。

5. 网格划分

应用命令Mesh→Part或单击工具箱中的（Mesh Part），单击提示栏中的Yes按钮或按鼠标中键完成网格划分，如图1-6（a）所示。

如把图1-4（c）所示的网格划分算法改为进阶算法Advancing front，则网格如图1-6（b）所示。相对来说，图1-6（a）所示的网格形状更为“养眼”，也更有利于求解收敛。

如果部件较为复杂，网格划分困难，则可进行区域切分，再应用命令Mesh→Region先后主次分区划分，以保证关键区域的网格质量最优。

6. 检查网格

应用命令Mesh→Verify或单击工具箱中的（Verify Mesh），根据提示选中检查目标部件，弹出网格检查对话框。在Analysis Checks选项卡中勾选Errors和Warnings，单击Highlight后，信息栏给出相应的检查结果，如有警告或错误，则网格有相应的颜色提示。

1.2 3D曲面网格划分实例

本例针对图1-7所示的3D几何进行网格划分，并把网格单元从几何剥离，加以偏置生成实体单元。

1.2.1 问题描述

图1-7所示的3D曲面几何，即为本例网格划分对象，共有11个面，中间的面为加强筋。

1.2.2 导入几何并检查

打开Abaqus/CAE，界面切换到Part模块。

1. 导入几何

应用命令File→Import→Part，弹出Import Part对话框，选中Channel.iges并单击OK按钮确认，后续参数默认导入图1-7所示的几何的参数。

2. 几何检查

应用命令Tools→Query或单击工具栏中的Query Information，弹出Query对话框，选中此对话框中的Geometry Diagnostics，弹出图1-8所示的几何诊断Geometry Diagostics对话框，勾选Topology选项中的Free edges，单击Highlight按钮，检查几何的自由边，如图1-7所示；此检查没有发现加强筋和其余面之间的自由边，说明面与面之间的连接是正确的，不用修复。

1.2.3 网格划分

切换到Mesh模块，且Object类型为Part。

1. 布置全局种子

应用命令Seed→Part或单击工具箱中的（Seed Part），在弹出的Global Seeds对话框中，默认种子尺寸为6和其余参数。

2. 第1次网格划分

应用命令Mesh→Part或单击工具箱中的（Mesh Part），根据提示单击Yes按钮，获得网格如图1-9所示，可知其圆弧面的网格尺寸较大，出现了棱角，有必要增加圆弧处种子（节点）数。

3. 第2次网格划分

应用命令Seed→Edges或单击工具箱中的（Seed Edges），选中图1-9所示的弧线，设定其种子数为6，参考图1-4（a）。

再次应用命令Mesh→Part划分网格，如图1-10所示，是可以接受的，故其他圆弧也同理增加种子数。

4. 第3次网格划分

由图1-9和图1-10可知，加强筋上的网格不够光顺，有些许扭曲。

应用命令Mesh→Controls或单击工具箱中的（Assign Mesh Controls），根据提示，框选全部平面，按鼠标中键确定，在弹出的网格控制Mesh Controls对话框中，按图1-4（c）所示修改网格单元形状Element Shape为四边形Quad，网格划分算法Algorithm为中性轴Medial axis。

再次应用命令Mesh→Part划分所得网格，如图1-11所示。

5. 第4次网格划分

由图1-11可知，加强筋圆弧上的网格扁长，即长短轴比例失调，需增加加强筋边上的种子数。

应用命令Seed→Edges或单击工具箱中的（Seed Edges），选中图1-11所示的加强筋边，设定其种子数为4。

如要避免已有网格影响再次划分，可应用命令Mesh→Delete Part Native Mesh或单击工具箱中的，删除几何部件上的全部单元。

再次应用命令Mesh→Part划分所得网格，如图1-12所示。

1.2.4 法向查询与调整

1. 法向查询

应用命令Tools→Query或单击工具栏中的（Query Information），弹出Query对话框，选中此对话框中的壳单元法向（Shell element normal）；结合提示栏和图1-13可知各面的法向，当勾选提示栏，可显示出图中各面结合处的法向不一致导致的冲突边。

2. 法向调整

法向和材料厚度定义有关，故切换到Property模块。

应用命令Assign→Element Normal，根据提示，选中图1-14所示的6个待调整的面，按鼠标中键或单击提示栏Done按钮，完成面的调整。

再次查询（Query）各面的壳单元法向（Shell element normal），可知除加强筋以外，各面法向一致。

1.2.5 网格分离

为了后续对网格进一步编辑，需要把网格从几何上分离出来。还是在Mesh模块，Object类型为Part。

应用命令Mesh→Create Mesh Part，默认提示栏的Mesh part name，单击OK按钮，完成网格的分离，即新建了一个只有网格单元、没有几何的孤立部件，展开树目录Parts也可看到。

1.2.6 网格编辑

上文生成的孤立网格部件channel-mesh-1可进行许多扩展应用。

切换到Mesh模块，且。

1. 偏置单元

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框，选择偏置Offset（create shell layers），根据提示选中除加强筋以外的10个面，按鼠标中键，弹出图1-16所示的偏置网格（Offset Mesh-Shell Layers）对话框，按照图1-16设置，可获得图1-17所示的偏置壳单元。

类似上述操作，在Edit Mesh对话框中选择偏置Offset（create solid layers），并设置偏置厚度（Total thickness）为5，层数（Number of layers）为4，可得到图1-18所示的偏置体单元。

2. 删除单元

在Edit Mesh对话框中选择Element: Delete，单击提示栏中Sets按钮，弹出Region Selection对话框，从中选择需要删除的单元集和相应的节点。

3. 创建单元

在Edit Mesh对话框中选择Element: Create，在提示栏设定单元形状为Line 2，选中图1-19所示的2节点，创建2节点线单元；同理，在提示栏设定单元形状为Quad 4，选中图1-19所示的4节点，创建四边形单元。

1.3 3D实体网格划分实例

本例针对图1-20所示的3D实体几何进行六面体结构网格划分。

1.3.1 问题描述

图1-20所示的3D悬臂实体，即为本例网格划分对象，其由4个基本特征组成，即基座、弯臂、直臂和圆柱体等。

1.3.2 导入几何并检查

打开Abaqus/CAE，界面切换到Part模块。

1. 导入几何

应用命令File→Import→Part，弹出Import Part对话框，选中arm.stp并单击OK按钮确认；后续参数默认导入图1-20所示的几何。

2. 几何检查

应用命令Tools→Query或单击工具栏中的Query Information，弹出Query对话框中，选中此对话框中的Geometry Diagnostics，弹出图1-21所示的几何诊断（Geometry Diagnostics）对话框，勾选Topology选项中的Solid cells，并单击Highlight按钮检查实体数，信息栏给出只有1个实体“1 solid cells were found and highlighted.”的结果，即此悬臂无分割。

1.3.3 分割部件

切换到Mesh模块，且Object类型为Part。

1. 显式颜色

设定工具栏颜色代码（Color Code）模式为Mesh defaults，单击打开其中的颜色代码（Color Code）对话框，如图1-22所示，各种颜色代表了可进行网格划分的方法。

2. 分割基座

根据上文，可知此悬臂部件显示的颜色为橙色，即无法划分，需进一步对悬臂几何体进行分割。

应用命令Tools→Partition，弹出图1-23所示的分割（Create Partition）对话框，勾选类型为Cell，采用扩展平面Extend face方法分割Cell实体，或单击工具箱中的（Partition Cell: Extend Face）进行分割。

根据提示，选择图1-24所示的分割面，对整个几何体进行分割。分割后的基座自动变成黄色，表明基座可通过扫掠网格进行划分。

3. 分割弯臂

同理，应用Tools→Partition，采用定义切割平面（Define cutting plane）方法，或单击工具箱中的（Partition Cell: Define cutting plane）进行分割。

根据提示信息选择弯臂Cell l。

再根据提示应用3 Points方法分割弯臂，先后选择图1-25所示的3个点，以定义弯臂和直臂之间的分割面。

分割后的部件几何体如图1-26所示，其弯臂也变为黄色。

4. 分割直臂

由图1-26可知，直臂和圆柱体还是橙色的，需进一步分割。

应用命令Tools→Partition，弹出图1-23所示的Create Partition对话框，勾选类型为Cell，采用扩展平面Extend face方法分割Cell实体，或单击工具箱中的（Partition Cell: Extend Face）进行分割。

根据提示选择图1-27所示的圆柱面作为分割面，对直臂和圆柱体进行分割。分割后的直臂自动变成黄色，即直臂可通过扫掠网格进行划分。

5. 分割圆柱体

由图1-28可知，圆柱体还是橙色的，需进一步分割。

应用命令Tools→Partition，采用定义切割平面Define cutting plane方法，或单击工具箱中的（Partition Cell: Define cutting plane）进行分割。

根据提示信息选择圆柱Cell ，再根据提示应用3 Points方法分割圆柱，先后选择图1-29所示的3个点，以定义用于分割圆柱体的面。

分割后的部件几何体如图1-30所示，圆柱体一部分变为黄色，一部分变成绿色。

1.3.4 划分网格

1. 布置全局种子

应用命令Seed→Part或单击工具箱中的（Seed Part），在弹出的Global Seeds对话框中，默认全局种子尺寸为0.018和其他参数。

2. 第1次网格划分

应用命令Mesh→Part或单击工具箱中的（Mesh Part），根据提示单击Yes按钮，获得网格如图1-31所示。

由图1-31可知，基座和圆柱体网格有少许扭曲，有必要对其进行网格控制。

3. 第2次网格划分

应用命令Mesh→Controls或单击工具箱中的（Assign Mesh Controls），根据提示，按住Shift键选择基座和圆柱体左半部分，按鼠标中键确定，在弹出的网格控制（Mesh Controls）对话框中，修改网格划分算法Advancing front为Medial axis算法。

再次应用命令Mesh→Part划分所得网格，如图1-32所示。

1.3.5 检查网格

应用命令Mesh→Verify或单击工具箱中的Verify Mesh，根据提示选中部件，弹出网格检查对话框。在Analysis Checks选项卡，勾选Errors和Warnings，单击Highlight按钮。信息栏给出图1-33所示的检查结果。

1.4 网格编辑实例

本例以人体头部、颈部的已有网格为对象，对其进行再次编辑。

1.4.1 问题描述

图1-34所示的网格来自于LS-DYNA的官方实例，其由人体的头部、颈部组成，为便于后续的描述，对颈部各部分分别命名为颈-1、颈-2、颈-3和颈-4。

对图1-34已有网格加以编辑，目标网格如图1-35所示。

1.4.2 导入网格

新建空白Abaqus/CAE，保存为4_neck-head_mesh.cae。

应用命令File→Import→Model或在图1-36所示的通过单击鼠标树目录右键导入本例文件夹中的4_neckhead.inp孤立网格，模型如图1-34所示。

1.4.3 创建单元和面集

切换到Part模块。

应用命令Tools→Set→Create或在树目录单击鼠标右键选择Parts→Features→Sets，弹出Create Set对话框，选择Type: Element，根据提示，通过by angle选择图1-34所示的头部面单元，创建名为Set_head-shell的头部单元集。

同上，分别创建表1-1所示的单元集。

同时，应用命令Tools→Surface→Create或在树目录单击鼠标右键选择Parts→Features→Surfaces，弹出Create Surface对话框，默认Type:Mesh，根据提示创建图1-37所示的颈-1～颈-4外圈面的单元集Set_neck-surface。

1.4.4 偏置网格

切换到Mesh模块，且Object为Part 。

1. 偏置头部

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框。

在Edit Mesh对话框中，设定Category:Mesh，Method：Offset（create solid layers）。根据提示，通过选择图1-38所示头部的全部Shell单元的面。

随后弹出图1-39所示的偏置网格（Offset Mesh-Solid Layers）对话框。因要向外偏置且其外面颜色为橙色，故设置偏置方向为橙色；同时，偏置厚度设为10且仅1层单元；为方便后续的选择，在此对话框为新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_head-solid。

2. 偏置颈-1

同上，在Edit Mesh对话框中，设定Category:Mesh，Method：Offset （create solid layers）。根据提示，通过选择图1-40所示颈-1的下单元面。

随后弹出图1-41所示的偏置网格对话框。偏置厚度设为24的4层单元；且新生单元与所选基础面共享节点；为新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_neck-1-off。

3. 偏置颈-2

同上，根据提示，通过选择颈-2的下单元面，在偏置网格对话框中，偏置厚度设为24的4层单元；且新生单元与所选基础面共享节点；为新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_neck-2-off。

4. 偏置颈-3

同上，选择颈-3的下单元面，偏置厚度设为24的4层单元；且新生单元与所选基础面共享节点；新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_neck-3-off。

5. 偏置面集Set_neck-surface

在Edit Mesh对话框中，设定Category: Mesh，Method：Offset（create solid layers）。根据提示，选择颈-1～颈-4外圈面的面集Set_neck-surface。

如图1-42所示，在偏置网格对话框中，偏置厚度设为6且仅1层单元。

经过以上几次偏置，获得图1-35所示的目标网格。

1.4.5 删除单元

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框。

在Edit Mesh对话框中，设定Category：Element，Method：Delete。根据提示，通过选中Set_head-shell单元集来删除。

1.4.6 检查交叉网格

应用命令Tools→Query或单击工具箱中的（Query information），弹出Query对话框，选中此对话框的网格间隙/交叉（Mesh gaps/intersections）。

检查结果如图1-43所示，高亮显示出接触单元，但未有共享节点。

1.4.7 合并节点

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框。

在Edit Mesh对话框中，设定Category: Node，Method：Merge。根据提示，框选全部颈部节点。在提示栏中设置合并节点容差为0.001。

确认并合并图1-44所示的接触点。

1.5 小结和点评

本讲详细讲解了Abaqus的网格划分、网格编辑等内容。从2D到3D的几何创建、从实体网格划分到网格的分离、从网格偏置到网格编辑均有详细演示。读者能够快速熟悉Abaqus分析的重要前处理（网格划分）的基本步骤，为后续的各种分析打下基础。

点评：李伟国　CAE主任工程师
泰科电子（上海）有限公司