3.1 Mesh模块简介

3.1.1 Mesh界面与功能

Mesh是ANSYS Workbench中用于为ANSYS系列求解器提供计算网格的模块，此模块不仅可以产生用于有限元结构计算的网格，还能生成用于Fluent、CFX等流体软件计算所需的网格。Mesh是一款功能全面的网格工具，导入模型后，其界面如图3-1所示。

从图3-1可知，Mesh模块界面中主要由菜单栏、工具栏、概述栏、概述栏详细信息区、图形显示窗和信息提示窗六大部分组成。

1．菜单栏（图3-2）

（1）File：设定工作目录；导出划分完成的网格文件；清除生成的数据。

（2）Edit：可执行复制、粘贴、剪切、删除和选择所有模型。

（3）View：通过选中不同的命令，可影响图形显示窗口，比如选中Ruler命令，就会显示图3-1中模型下方的尺寸条。

（4）Units：可根据导入的模型尺寸选择合适的量度。

（5）Tools：通过加载宏与ANSYS中软件对接。

（6）Help：通过此命令可获取官方的Mesh模块中网格划分的相关信息。

2．工具栏（图3-3）

工具栏中有许多较为实用的工具，下面介绍一些较为常用的工具。

（1）为生成网格工具；为划分模型剖面工具，只需单击此工具按钮，对模型合适视图拖动鼠标即可创建剖切面；为创建并输出图形工具，可直接截图，同时也可改变输出图形背景颜色。

（2）为几何选择工具，在网格划分中经常用到，从左至右依次为点选择、线选择、面选择、体选择。

（3）为旋转工具，选中后，长按右键拖动鼠标，即可在视图窗中查看不同角度的模型；为移动工具，选中后，长按左键拖动鼠标，即可在视图窗中移动模型；为缩放工具，选中后，长按左键，上下拖动鼠标，即可在视图窗中放大缩小模型；为框选放大工具，选中后，单击，对所需放大模型区域用鼠标拖动出矩形框，即可局部放大模型。

（4）为显示工具，选中后，图形显示窗中的模型将以适合于图形窗的大小显示；为放大工具，与上面介绍的命令不同的是，当点选此工具后，只需用鼠标单击所要观察的模型任意位置，模型此处就会放大。

（5）为前视图工具，选中后，显示窗中模型将显示前一操作步骤的图形；为后视图工具，若点选前视图工具查看了上一步操作的模型，则可以通过此工具返回当前的视图显示。为坐标系的正交显示，选中后模型将以标准的正交视图显示在窗口中。

（6）为线框图显示工具，选中后，显示窗中模型将以现形显示；为显示所有坐标工具，若在局部细化网格需要建立新的坐标系时，选中此工具以便建立新的坐标系。

（7）为边线颜色设置工具，选中后可对显示窗口中的模型边线颜色进行设置。

（8）为更新工具，当网格需要重新生成或显示窗中导入可修改后的模型，选中此工具后即可在显示窗中更新；为网格工具，单击此工具图标按钮，即可根据需要选择网格生成工具和模型表面网格预览工具。

（9）为网格控制工具，点选此图标按钮，在弹出的下拉列表框中可根据模型需要选择网格划分方法（三角形，四边形，四面体，六面体，扫描等），网格尺寸大小（控制局部或整体网格尺寸），模型中接触处尺寸的设置工具，膨胀工具等。

3．概述栏（图3-4）

导入模型后，概述栏就会有一新的项目，项目下面的Geometry下即为刚导入的几何模型名称；此时模型坐标系在窗口默认为显示，若要查看其坐标系位置，单击Coordinate Systems即可在图形窗中显示。

在打开的Mesh模块，当模型导入后，划分的网格默认为结构分析模型Mechanical用的网格，若要改成流体仿真软件Fluent所用的网格，单击概述栏中网格图标，在概述栏详细信息区可看到Mesh的详细设置，则可在Defaults→Physics Preference下拉列表框菜单中选择CFD，如图3-5所示。

在Mesh详细信息框中可以看到控制网格整体尺寸的Sizing选项；查看网格质量的Quality选项和常用的查看网格节点数和单元数的Statistics选项。

当模型导入完成且未划分网格时，概述栏Mesh前以黄颜色闪电显示，当划分网格完成后，概述栏Mesh前以绿色对勾显示，如图3-6所示。

4．概述栏详细信息区（图3-7）

当在概述栏中单击某一命令图标后，有关此命令的信息将在概述栏详细信息区中详细显示出来，读者可根据自己的需要对所要修改的参数进行调整；如本例中选中的是项目名Project，则信息区标题为Details of “Project”，若单击选择的是Mesh，则信息区标题为Details of “Mesh”，同理在信息区中对网格的设置可相应的进行修改。

5．图形显示窗

显示导入的模型和划分后的网格。

6．信息显示窗

查看网格质量时，信息显示区会显示柱状图，如图3-8所示。

当划分网格遇到错误时，相关信息会在显示窗中提示。

网格划分流程：

（1）设定工作目录；

（2）加载模型，并对模型用CAD软件做适当修改；

（3）导入模型至Mesh模块中，根据需要设置网格参数，生成网格；

（4）为便于后续边界条件的设置，需对边或面创建命名；

（5）检查并编辑网格；

（6）输出网格。

本小节以一个简单的在血管中的机器人案例来描述Mesh模块的使用流程。

这里的血管为正常人的胸主动血管，将其管壁面视为刚性壁面处理，血管直径D＝11mm，长度L＝80mm。定义本例血管机器人初始外形为单螺旋线的右螺旋，螺旋为矩形，外径Dr＝8mm，轴向长度Lr＝15mm，螺宽B＝1mm，螺高H＝0.8mm，螺距P＝2.5mm，外形示意图如图3-9所示。

1）启动Mesh模块

启动Workbench，选择左侧Toolbox（工具箱）→Component Systems（组件系统）→Mesh命令，双击或右击拖动Mesh至右侧项目创建区，如图3-10所示。

2）几何导入

Mesh模块并不具有几何创建功能，其通常与Geometry模块一起使用，通过Geometry模块创建或导入外部几何。

本例的血管机器人模型几何采用外部CAD软件Creo（Pro/E）创建，血管的创建在Geometry模块中的DesignModeler中完成。

右击Geometry单元格，选择Import Geometry→Browse命令，在弹出的文件选择对话框中选择blood-robot.igs几何文件（数字资料ch3文件夹中的blood-robot.igs），如图3-11所示。

因为血管机器人在血管中要运动，所以此模型由两个独立的整体组成，即机器人和血液区域。在导入的Geometry图标（图3-11（b））上右击，选择图3-11（a）对话框中的New DesignModeler Geometry，单击弹出Mesh-DesignModeler对话框中的图标，在右侧项目区中显示导入的血管机器人，如图3-12所示。

在DesignModeler中按住鼠标中键转动模型，本例观察到在YZ平面用拉伸命令（Extrude）可创建血管内血液区域模型，单击YZPlane，右击在下拉列表中选择Look at，再次单击左侧菜单栏中草绘图标，如图3-13所示。

选择草绘对话框Draw→Circle命令，绘制血管；选择Dimensions→Diameter可在左侧Details View中修改直径的大小为11，如图3-14（a）所示，单击工具栏中Extrude图标，相关设置如图3-14（b）所示，单击Generate按钮，生成实体如图3-14（c）所示。

运用布尔命令将血液区域模型和血管机器人模型分割为两个独立模型（注：布尔命令相当于数学中的交并补，从而可以对多个几何体进行修改）。

选择Create→Boolean命令，Operation下拉列表框中选择Subtract，Target Bodies下拉列表框中选择刚创建的血液模型，Tool Bodies下拉列表框中选择导入的血管机器人模型，Preserve Tool Bodies？下拉列表框中选择Yes，如图3-15所示。

操作完毕后，单击Generate按钮完成布尔命令。

选择File→Export，可输出后缀名为.agdb格式或如.igs等其他格式的文件。

3）进入Mesh

双击Mesh单元格，进入Mesh模块。进入模块后，软件自动加载刚修改的几何文件blood-robot.agdb文件，如图3-16所示。

Mesh模块命令组合使用较多，本小节只是对较为常用的命令演示，更多命令用法请查看Mesh模块中的帮助文件。

4）生成网格

本处选择自动生成网格。选择概述栏中Mesh命令，修改符合流体仿真的网格格式为CFD；单击工具栏中Generate Mesh图标自动生成网格，如图3-17所示。

3.1.2 模型导入后相关操作

1．修改单位

进入Mesh模块后，可先在菜单栏中选择Units命令，根据需要设置几何模型的单位，如图3-18所示。

2．修改导入模型名称

在Mesh模块的概述栏中对导入的模块进行重命名。

在左侧概述栏中选择Project→Model→Geometry命令。可看到导入的两个模型MSBR和Solid；为了便于分析，可对这两个模型进行重命名，重命名可在先前的DesignModeler中完成，均是右击模型名称，在弹出的快捷菜单中选择Rename命令，此处在打开的Mesh模块中重命名。

右击MSBR，可看到血管机器人模型呈绿色显示，在弹出的快捷菜单中选择Rename，输入blood-robot，单击空白处，即可看到修改后的名称，操作如图3-19所示。

用同样操作修改Solid名称为blood。

3．几何体抑制功能

Mesh模块中Suppress Body（几何体抑制）功能可以便于查看几何体情况；能使得被抑制的几何体不受操作命令的影响，如抑制了blood几何体，单击Mesh自动生成网格时，网格生成只会作用在blood-robot上；可对概述栏几何体名称右击，如在导入的blood-robot.agdb文件中，对概述栏Geometry下的blood右击，选择suppress Body（图3-20（a）），抑制blood几何体（图3-20（b）），可查看到血液区域中的blood-robot模型，如图3-20（c）所示。

4．命名

在Mesh模块中划分完网格后，操作者容易在未对模型相关边界进行命名的情况下退出软件，使得在流体仿真中边界因为没有命名而无法加载边界条件，为了杜绝这种人为所致的错误，所以当模型导入到Mesh模块中时，对模型的相关边界命名显得尤为必要。

本例以上述的blood-robot文件为例，因为此模型三维模型，故命名过程中在工具栏选中面选择工具。单击血管左边面，选中后面呈绿色，右击在下拉列表框中选择Create Named Selection（N）（图3-21（a）），弹出Selection Name对话框，输入名称inlet（图3-21（b）），在左侧树形栏可看到命名结果，如图3-21（c）所示（注：名称不可命名为中文）。

5．创建剖切面

导入的blood-robot模型中，血液区域包含了血管机器人模型，为便于观察，运用Section Planes命令切割出剖面。

单击图形对话框中三维坐标的Y轴，即可把视图调整为XZ平面视图，单击Section Planes下的创建剖面线图标，单击沿血管水平中线拖动一段距离，即可自动创建剖面，长按左键即可转动图形框中的模型，剖面图如图3-22所示。

3.1.3 网格生成

1．二维网格

Mesh模块中二维网格有四边形和三角形两种，在默认情况下，生成的二维网格为四边形为主的网格，可通过插入网格划分方法，使得生成的网格为三角形或三角形和四边形二者混合。

本节以一截止阀的二维结构来介绍二维网格的划分方法。

在3.1.1节中介绍了模型导入Mesh模块的操作步骤，故此处导入名为valve.scdoc的模型（数字资料ch3文件夹中的valve.scdoc文件）至Mesh模块中的步骤不再重复，导入模型后图形显示窗如图3-23所示。

单击概述栏中的Mesh图标，则概述栏详细信息区以Details of “Mesh”显示网格划分的相关信息，若网格在流体仿真软件中使用，选择Physics Preference设置为CFD，网格详细信息设置栏如图3-24所示。

1）网格信息栏介绍

Display：图形显示区显示模型的颜色，默认为Body Color，即导入时模型的颜色；当划分完网格后，可在Body Color框单击，弹出的快捷菜单中选择表示网格质量的相应标准，此处以选择扭曲度Skewness为例，如图3-25所示。

Defaults：主要在Physics Preference中设置适合不同求解器的网格类型。

Sizing：全局尺寸控制（见图3-26）。

下面介绍常用的尺寸设置。

（1）Size Function主要作用于面和边，选择不同的设置，网格的质量影响较大，默认为考虑曲面，曲线的Curvature；当要考虑相连过渡网格的质量时，设置为Proximity；一般模型中有曲面存在时，选择Proximity and Curvature设置。

（2）Defaults中的Relevance和Relevance Center可配合使用细化网格，如图3-27所示。

网格划分关联性设置使用对比，如图3-28所示。

（3）Span Angle Center为跨度中心角，设定基于边的细化曲度目标。网格在弯曲区域细分，知道单独单元跨越这个角，各设置中角度分布为：Fine为36°～12°；Medium为75°～24°；Course为91°～60°；图3-29为截止阀底部网格划分对比示意图。

（4）Min Size为全局网格尺寸中控制网格的最小尺寸；Max Face Size为全局网格尺寸中面上最大尺寸；Minimum Edge Length为全局网格尺寸中边的最小尺寸。

Quality为查看网格质量。在Quality栏的Mesh Metric中通常选用扭曲度Skewness来评定网格的好坏，其网格质量信息可在消息提示窗中以柱状图的形式显示，如表3-1为扭曲度评判标准（注：划分网格质量，最大扭曲度一定要在合理范围内）。

若要在信息提示区显示，网格质量的柱状图，则必须关闭Display Style中的Skewness显示，设置为默认的Body Color，如图3-30为扭曲度实例示意图。

Statistics可查看生成网格的节点数和单元数，如图3-31所示。

至此，网格信息栏部分常用设置介绍完毕。

2）二维网格划分方法

在Mesh模块中，二维网格默认生成为四边形为主的网格；在做动网格时，网格为三角形时有利于大变形仿真的实现，故有时需对网格划分方法有所要求。

右击概述栏中Mesh图标，在弹出的快捷菜单中选择Insert→Method命令，弹出Method详细信息对话框，如图3-32所示。

在Method文本框中Geometry后用体选择工具单击选中视图窗中的二维截止阀；左键单击详细信息框中Method后的下拉图标按钮，弹出如图3-33所示的二维网格划分方法。

图3-34为二维截止阀选用三种方法划分的网格示意图。

3）二维网格尺寸控制

（1）全局网格尺寸控制

①在3.1.3节中介绍网格详细信息栏时，已经介绍了Mesh中有关改变全局网格尺寸的设置，此处不再赘述。

②通过插入尺寸Sizing命令同样可以改变网格尺寸。

右击Mesh图标，插入Sizing命令，弹出Sizing详细对话框操作如图3-35所示。

在Sizing文本框中Geometry后用体选择工具单击选中视图窗中的二维截止阀；在Element Size中输入3，其余选项保存默认设置，单击工具栏中的Generate Mesh图标生成网格，如图3-36所示。

（2）局部网格尺寸控制

局部网格尺寸，相对于全局网格尺寸而言，即在Mesh模块中总可以通过相关设置改变模型中局部区域（三维模型中为局部实体）的网格尺寸。常用的局部网格尺寸有两大类：①插入Sizing命令，选中点、线、面几何元素修改尺寸；②影响球，即新建坐标系，通过以新坐标为中心的圆球尺寸的设置来影响模型的局部尺寸。

①插入Sizing命令

在全局网格尺寸控制中插入Sizing命令后，在Sizing详细信息栏中的Geometry中是用工具栏中的体选择工具选中视图窗中的模型；在局部网格尺寸控制中，可用工具栏中的点、线、面选择工具来选择需要控制的模型局部网格尺寸。此处以截止阀二维模型来演示操作步骤。

A．点选择工具

插入尺寸命令的方法全局网格尺寸控制中已演示，此处不再赘述。

尺寸命名插入后选中点选择工具选中截止阀左上角点；在Sizing详细信息栏中Sphere Radius栏输入50（读者可根据不同模型具体要求输入该值），Element Size栏输入3，如图3-37所示。

设置完成后，单击工具栏中的生成网格图标，截止阀生成网格如图3-38所示。

B．线选择工具

尺寸命名插入后选中线选择工具选中截止阀左上边；在Sizing详细信息栏中Type选择Element Size，Element Size栏输入1，其余设置不变，生成网格如图3-39所示。

在Sizing详细信息栏中Type选择Number of Divisions，Number of Divisions栏输入40，其余设置不变，生成网格如图3-40所示。

C．面选择工具

本小节中介绍的是二维网格生成，若要用面选择工具，二维模型中需要有不同的区域；二维模型不同区域的划分一般有两种方法：在Space Claim或Design Modeler中进行创建；Mesh模块中用虚拟拓扑划分。在3.1.1节中简单介绍了Design Modeler的操作步骤，Space Claim在后面实例中会有操作步骤。此处简要演示Mesh模块中的虚拟拓扑。

导入截止阀二维模型后，在概述栏中左键单击Model，在工具栏中就会弹出虚拟拓扑Virtural Topology图标，左键单击虚拟拓扑图标，如图3-41所示。

在工具栏中点选线选择工具，单击二维截止阀左上边，工具栏中Virtual Topology后Split Edge at＋工具呈激活状态，单击此工具，则在鼠标点选位置显示线断开，如图3-42（a）所示；同样方法对左下边操作；选中点选择工具，对上下切断线中的符号＋按住Ctrl键单击选取，选中后Virtual Topology栏Split Face at Vertices图标激活，单击此工具，完成面的分割，如图3-42（b）所示。

尺寸命名插入后选中面选择工具选中图3-42中创建的右边面域；在Sizing详细信息栏中Type选择Element Size，Element Size栏输入3，其余设置不变，生成网格如图3-43所示。

②影响球

在概述栏中右击Coordinate System图标，插入新的Coordinate System，此时概述栏详细信息区显示为坐标系详细信息区。

在Details of “Coordinate System”栏中的Origin下Define By后面框中选择Global Coordinates；为便于新建坐标，创建新坐标系时可以在Details of “Coordinate System”栏中的Origin下Define By后面框中选择Geometry Selection，Geometry选择视图窗中的模型，如图3-44（a）所示。

本例中将坐标系沿Y轴方向上移35mm，即Origin Y为880mm，如图3-44（b）读者在自己不同的模型中根据划分网格的需要调整不同的X、Y、Z值。

尺寸命名插入后选中体选择工具选中视图窗中的二维模型；在Sizing详细信息栏中Type选择Sphere of Influence；Sphere Center选择创建的Coordinate System；Sphere Radius栏输入40；Element Size栏输入2；设置完成如图3-45（a）所示，单击工具栏Generate Mesh生成网格如图3-45（b）所示。

2．三维网格

三维模型划分的网格有四面体，六面体或四面体和六面体混合，当模型较为规则时，自动划分的网格为六面体；当模型较为复杂时，自动划分的网格为四面体；在网格单元尺寸相同的情况下，四面体网格节点和单元数远大于六面体网格，节点和单元数的增加会使得计算机计算量增大，所以模型划分网格时应尽可能多地划分为六面体网格。

1）网格信息栏

三维模型导入Mesh模块中显示的网格信息栏与二维网格中介绍的网格信息栏一致，前面对其常用设置已有详细介绍，此处篇幅有限，不再赘述。

2）网格划分方法

划分网格方法的激活步骤前面已有介绍，此处不再赘述，打开的Method详细信息框如图3-46所示。

Automatic（自动划分网格）：Mesh模块会根据模型外形自动选择网格划分结果，若为较规则三维模型，则会以六面体网格划分；若为不规则三维模型，则会以四面体网格划分；二维模型本模块自动划分网格为四边形网格。

Tetrahedrons（四面体网格）：模型会生成为四面体网格。

Hex Dominant（六面体域网格）：模型会划分为六面体为主的网格。用于那些不能扫掠的体，常用于结构分析，也用于不需要膨胀层及扭曲率和正交质量在可接受范围内的CFD网格划分。

Sweep（扫掠网格）：若模型在某方向上具有相同的拓扑结构，则会用六面体划分网格，否则信息提示窗口会报错，扫描网格生成失败。

MultiZone（多重区域网格）：自动对几何体分解成映射区域和自由区域，可以自动判断区域并对映射区生成结构化网格，即生成六面体/棱柱单元，对自由区采用非结构化网格，即自由区域的网格类型可由四面体、六面体来划分网格，可以具有多个源面和目标面。多重区域网格划分和扫掠划分相似，但更适合用于扫掠方法不能分解的几何体。

本节以血管机器人为例讲述三维网格的划分方法，为了便于对比，此处选择血液区域模型，抑制机器人（抑制模型的方法在3.1.2节中有介绍，此处不再赘述）。

导入名为blood-robot.agdb（数字资源ch3文件夹中）的血管机器人模型之Mesh模块，划分网格后创建剖面查看血液区域模型内部网格情况。

（1）Automatic网格划分（图3-47）

（2）Tetrahedrons网格划分（图3-48）

（3）Hex Dominant网格划分（图3-49）

（4）Sweep网格划分

①在血液区域模型中，由于机器人外形较为复杂，使得血液区域模型的拓扑结构在X方向上不一致，此时扫描划分方法无法实施，需要对模型进行分块处理，从而使划分网格时尽可能多的得到六面体网格。在DesignModeler软件中对模型进行分块处理。

在DesignModeler中运用3.1.1节中介绍的方法，在XY平面上分别创建两个面，如图3-50所示。

在DesignModeler工具栏中单击选择切片Slice图标，抑制在弹出的切片详细信息栏中，Slice Type框快捷栏中选择Slice By Surface（里面有其他选项，读者可根据模型需要自行选择），此时工具栏中只有面选择工具呈激活状态，先选择左边创建的面，单击工具栏中Generate完成切片；同理选择右边创建的面完成切片，在树形栏中隐藏创建的两个Surface Body，完成切片后血液区域模型如图3-51所示。

将生成的三个实体组成一个体，在树形栏中按住Ctrl键一次选择三个实体，右击选择弹出的快捷菜单中的Form New Part，如图3-52所示（组成一个体是因为各实体间划分网格时网格节点一致，利于网格质量）。

②在Method详细信息栏中，Method后面框中选择Sweep；在Src/Trg Slection下拉列表框中选择手动选择源面Manual Source，在Source文本框中用面选择工具选择相应的扫掠源面，此处选择血液区域左右两面，中间部分用Hex Dominat Method方法划分网格，划分的网格剖切面如图3-53所示。

（5）MultiZone网格划分

血液区域模型为进行切片处理时，因为血液区域中机器人模型的复杂性，导致模型不可用MultiZone网格划分，故同样采取上面（4）中所用的切片方法对模型进行处理。

此处在Mesh详细信息栏中，指定Size Function为Proximity and Curvature；Relevance Center为Fine；Span Angle Center为Fine；若此处不进行此项设置，本例机器人区域的复杂外形将导致MultiZone网格划分方法失效。

因为MultiZone网格划分方法可自动对几何体分解成映射区域和自由区域，此划分方法自动判断区域并对映射区生成结构化网格，即生成六面体/棱柱单元，对自由区采用非结构化网格，故本例不对模型的映射面手动指定（注：读者可根据模型需要自己指定相应源面，方法与Sweep网格划分方法一致）。设置完成后，单击工具栏中的Generate Mesh生成网格，生成网格如图3-54。

3）三维网格尺寸控制

全局网格尺寸控制和局部网格尺寸控制方法，在二维网格划分中已有详细介绍，此处篇幅有限，不再赘述。

至此，Mesh网格划分的常用方法已介绍完毕，读者若想详细了解网格划分的相关知识，可参看ANSYS公司的Fluent Meshing User Guide文档。