复杂机械零件的六面体有限元网格生成方法

  本文关键词：复杂机械零件的六面体有限元网格生成方法，，由笔耕文化传播整理发布。

第50卷第15期 2014年8月

机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.50 No.15 Aug. 2014

DOI：10.3901/JME.2014.15.113

复杂机械零件的六面体有限元网格生成方法

曹华军 舒林森 许 磊 李 浩

(重庆大学机械传动国家重点实验室 重庆 400030)

摘要：为了解决复杂机械零件有限元仿真效率与计算精度难以保证的问题，提出一种面向复杂外形机械零件的全六面体有限元网格生成方法。通过引入有限元网格误差估算理论对关注区域的误差特性及其导致因素进行分析；基于复杂外形机械零件的几何特征与物理特性建立模型关键区域识别准则，并研究模型计算域虚拟规划策略给出其算法及其实施步骤；以模型计算域虚拟规划为基础，提出了六面体网格生成算法与结果网格的质量评价准则。算例应用验证表明，该方法能将复杂机械零件进行全六面体有限元网格划分，生成的结果网格具有关键区域特征表达准确、全局网格分布合理且单元质量高等特点。 关键词：复杂机械零件；六面体网格；关键区域；虚拟规划模型 中图分类号：TP273；O24

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Hexahedral Mesh Generation Method for Complex Mechanical Structure

CAO Huajun SHU Linsen XU Lei LI Hao

(The State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400030)

Abstract：An all hexahedral finite element mesh (FEM) generation method is proposed for complex mechanical structure, with the purpose to guarantee finite element simulation efficiency and precision in complex mechanical structure. The error characteristics and its cause in focus local mesh are analyzed by the finite element mesh error estimation. Based on the geometrical features and physical properties of the complex mechanical structure, the recognition criteria of critical region are established. Hexahedral mesh generation algorithm and implementation steps are presented based on the virtual planning model of structure calculation domain and the mesh quality evaluation criterion is also build. Numerical examples show that this method has the ability to generate all hexahedral finite element mesh for complex mechanical structure and critical regions are expressed accurately, and global mesh is distribution with rationality and high quality.

Key words：complex mechanical structure；hexahedral-mesh；critical region；virtual planning model

0 前言

诸如飞行器、舰船、车辆及机床等重大机械装备的关键零部件多为复杂非规则结构，因此复杂机械零件的有限元网格生成有着广泛的工程应用背景。优良的网格是高效、高精度有限元物理场分析

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的关键，其生成方法备受关注。与四面体网格相比，六面体网格具备求解精度高、收敛速度快、变形特性好、单元数量少、计算机资源成本低等优点

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是数值分析的首选网格。但六面体网格具有复杂的拓扑关系且模型适应能力差，对于不规则外形机械零件，连续完整的六面体有限元模型网格生成比* 国家重点基础研究发展计划(973计划，2011CB013400-05)和教育部博士点基金(20110191110005)资助项目。20130902收到初稿，20140520收到修改稿

较困难。目前的划分方法包括映射法、区域分解法、

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栅格法和推进波前法等，均无法将任意外形的复杂机械零件自动生成高质量的六面体网格。因此，研究复杂机械零件六面体网格生成方法具有重要的意义与工程价值。

复杂外形结构的六面体网格自动生成方法是三维网格生成的研究热点和难点。近年来，国内外不少研究者对复杂外形结构的六面体网格生成方法进行了卓有成效的研究和探索。RUIZ-GIRONÉS 等提出了基于子映射法的表面多联通结构的六

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面体结构化网格生成算法；SHIVANNA等提出了基于特征的六面体多域网格自动生成方法及其质量

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优化算法；SU等研究了基于栅格有限元的三维

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六面体网格划分方法及其应用准则；肖周芳等研究了多源多目标的体结构全六面体有限元网格划分

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SHEPHERD等方法；提出针对自适六面体网格

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