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材料力学仿真软件：Calculix_（3）.几何建模与网格划分

时间：2025-01-13 20:00:59浏览次数：3  
标签：材料力学 0.0 模型 网格 建模 划分 几何 Line Calculix

几何建模与网格划分

几何建模

几何建模的基本概念

在材料力学仿真软件中，几何建模是仿真分析的第一步。几何建模是指通过计算机辅助设计（CAD）软件或直接在仿真软件中创建物理模型的几何形状。这些几何形状可以是简单的二维或三维图形，也可以是复杂的结构模型。几何建模的目的是将实际的物理对象转化为计算机可以处理的数字模型，以便进行进一步的计算和分析。

在这里插入图片描述

几何建模的常用工具

在Calculix中，几何建模可以通过多种工具实现。常见的工具包括：

  • CAD软件：如AutoCAD、SolidWorks、CATIA等，可以通过导入这些软件创建的几何模型文件（如STP、IGS、STL等）进行仿真分析。

  • 前处理软件：如Gmsh、Salome等，这些软件专门用于几何建模和网格划分，可以直接在这些软件中创建几何模型并导出到Calculix。

  • Calculix自带的几何建模功能：虽然功能相对有限，但也可以通过输入文件直接定义简单的几何模型。

导入几何模型

从CAD软件导入几何模型

  1. 创建几何模型：使用CAD软件（如SolidWorks）创建所需的几何模型。

  2. 导出几何模型文件：将创建的几何模型导出为STP、IGS或STL格式的文件。

  3. 导入到Calculix：使用前处理软件（如Gmsh）将几何模型文件导入，并进行网格划分，然后导出为Calculix可以读取的格式。

从Gmsh导入几何模型

  1. 安装Gmsh：确保已经安装了Gmsh软件。

  2. 创建几何模型：在Gmsh中创建所需的几何模型。

  3. 导出网格文件：将几何模型导出为MESH格式的文件。

  4. 导入到Calculix：将MESH文件导入到Calculix的输入文件中。

使用Calculix自带功能创建几何模型

虽然Calculix的几何建模功能相对有限，但可以通过输入文件直接定义简单几何模型。以下是一个简单的例子，创建一个二维长方形模型。


# 创建一个二维长方形模型

*NODE

1,0.0,0.0

2,10.0,0.0

3,10.0,5.0

4,0.0,5.0



*ELEMENT, TYPE=S3

1,1,2,3

2,1,3,4



*ELSET, ELSET=ELSET1

1,2



*BOUNDARY

1,1,1

2,1,0

4,2,0



*STEP

*STATIC

1.,1.,1e-08,1.

*END STEP

几何模型的检查与修正

在几何模型创建完成后，需要对其进行检查和修正，以确保模型的准确性和完整性。常见的检查方法包括：

  • 检查几何模型的拓扑结构：确保模型的节点和元素连接正确。

  • 检查几何模型的尺寸：确保模型的尺寸符合实际要求。

  • 检查几何模型的光滑性：确保模型表面没有突变或不连续的部分。

几何模型的优化

几何模型的优化是为了提高仿真分析的效率和准确性。常见的优化方法包括：

  • 简化模型：对于复杂的几何模型，可以适当简化，减少计算量。

  • 细化关键区域：对于应力集中等关键区域，可以进行细化，提高计算精度。

  • 参数化建模：通过参数化建模，可以方便地调整模型的尺寸和形状，进行多次仿真分析。

几何模型的实例

二维长方形模型

以下是一个使用Gmsh创建的二维长方形模型的示例。

  1. 创建几何模型：

// Gmsh几何建模脚本

// 创建一个二维长方形模型

L = 10.0; // 长度

H = 5.0;  // 高度



// 定义点

Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};

Point(2) = {L, 0, 0, 1.0};

Point(3) = {L, H, 0, 1.0};

Point(4) = {0, H, 0, 1.0};



// 定义线

Line(1) = {1, 2};

Line(2) = {2, 3};

Line(3) = {3, 4};

Line(4) = {4, 1};



// 定义面

Line Loop(1) = {1, 2, 3, 4};

Plane Surface(1) = {1};
  1. 导出网格文件：

// Gmsh网格划分脚本

Mesh 1; // 网格划分

Mesh.Format = 22; // 选择MESH格式

Save "rectangle.mesh"; // 保存网格文件
  1. 导入到Calculix：

*INCLUDE, INPUT=rectangle.mesh

*NODE

1,0.0,0.0

2,10.0,0.0

3,10.0,5.0

4,0.0,5.0



*ELEMENT, TYPE=S3

1,1,2,3

2,1,3,4



*ELSET, ELSET=ELSET1

1,2



*BOUNDARY

1,1,1

2,1,0

4,2,0



*STEP

*STATIC

1.,1.,1e-08,1.

*END STEP

几何模型的复杂性处理

对于复杂的几何模型，可以采用以下方法进行处理：

  • 分块建模：将复杂的几何模型分成多个简单的块，分别建模后合并。

  • 使用高级CAD软件：利用高级CAD软件（如CATIA、NX等）创建复杂的几何模型。

  • 自动生成网格：使用前处理软件（如Gmsh）的自动生成网格功能，减少手动划分的工作量。

网格划分

网格划分的基本概念

网格划分是指将几何模型划分为多个小型的单元（元素），以便进行有限元分析。这些单元可以是二维的（如三角形、四边形）或三维的（如四面体、六面体）。网格划分的目的是将连续的几何模型离散化，使得计算可以分块进行，提高计算效率和准确性。

网格划分的常用方法

  1. 手动划分：通过输入文件直接定义网格。

  2. 自动划分：使用前处理软件（如Gmsh、Salome）进行自动网格划分。

  3. 混合划分：结合手动和自动划分，对关键区域进行细化，对非关键区域进行粗化。

网格划分的质量控制

网格划分的质量直接影响仿真分析的准确性和可靠性。常见的质量控制方法包括：

  • 网格尺寸：确保网格尺寸适中，既不过于细密也不过于粗糙。

  • 网格形状：确保网格形状规则，避免出现过长、过短或角度过大的单元。

  • 网格密度：在应力集中等关键区域增加网格密度，提高计算精度。

网格划分的实例

三维立方体模型

以下是一个使用Gmsh创建的三维立方体模型的示例。

  1. 创建几何模型：

// Gmsh几何建模脚本

// 创建一个三维立方体模型

L = 10.0; // 长度

H = 5.0;  // 高度

W = 5.0;  // 宽度



// 定义点

Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};

Point(2) = {L, 0, 0, 1.0};

Point(3) = {L, H, 0, 1.0};

Point(4) = {0, H, 0, 1.0};

Point(5) = {0, 0, W, 1.0};

Point(6) = {L, 0, W, 1.0};

Point(7) = {L, H, W, 1.0};

Point(8) = {0, H, W, 1.0};



// 定义线

Line(1) = {1, 2};

Line(2) = {2, 3};

Line(3) = {3, 4};

Line(4) = {4, 1};

Line(5) = {1, 5};

Line(6) = {2, 6};

Line(7) = {3, 7};

Line(8) = {4, 8};

Line(9) = {5, 6};

Line(10) = {6, 7};

Line(11) = {7, 8};

Line(12) = {8, 5};



// 定义面

Line Loop(1) = {1, 2, 3, 4};

Line Loop(2) = {5, 9, -6, -1};

Line Loop(3) = {6, 10, -7, -2};

Line Loop(4) = {7, 11, -8, -3};

Line Loop(5) = {8, 12, -5, -4};

Plane Surface(1) = {1};

Plane Surface(2) = {2};

Plane Surface(3) = {3};

Plane Surface(4) = {4};

Plane Surface(5) = {5};



// 定义体积

Surface Loop(1) = {1, 2, 3, 4, 5};

Volume(1) = {1};
  1. 导出网格文件：

// Gmsh网格划分脚本

Mesh 1; // 网格划分

Mesh.Format = 22; // 选择MESH格式

Save "cube.mesh"; // 保存网格文件
  1. 导入到Calculix：

*INCLUDE, INPUT=cube.mesh

*NODE

1,0.0,0.0,0.0

2,10.0,0.0,0.0

3,10.0,5.0,0.0

4,0.0,5.0,0.0

5,0.0,0.0,5.0

6,10.0,0.0,5.0

7,10.0,5.0,5.0

8,0.0,5.0,5.0



*ELEMENT, TYPE=C3D8

1,1,2,3,4,5,6,7,8



*ELSET, ELSET=ELSET1

1



*BOUNDARY

1,1,1

2,1,0

5,3,0



*STEP

*STATIC

1.,1.,1e-08,1.

*END STEP

网格划分的高级技术

  1. 自适应网格划分：根据计算结果自动调整网格密度，提高计算效率。

  2. 多尺度网格划分：对于不同尺度的结构，使用不同密度的网格进行划分。

  3. 非结构化网格划分：适用于复杂几何模型，可以灵活地处理各种形状。

网格划分的质量评估

网格划分的质量可以通过以下方法进行评估：

  • 网格质量指标：如雅可比矩阵、最小内角等。

  • 可视化检查：使用前处理软件或后处理软件（如ParaView）进行可视化检查。

  • 网格敏感性分析：通过改变网格密度，比较不同网格划分结果的差异，评估网格质量。

网格划分

网格划分的基本概念

网格划分是指将几何模型划分为多个小型的单元（元素），以便进行有限元分析。这些单元可以是二维的（如三角形、四边形）或三维的（如四面体、六面体）。网格划分的目的是将连续的几何模型离散化，使得计算可以分块进行，提高计算效率和准确性。

网格划分的常用方法

  1. 手动划分：通过输入文件直接定义网格。

  2. 自动划分：使用前处理软件（如Gmsh、Salome）进行自动网格划分。

  3. 混合划分：结合手动和自动划分，对关键区域进行细化，对非关键区域进行粗化。

网格划分的质量控制

网格划分的质量直接影响仿真分析的准确性和可靠性。常见的质量控制方法包括：

  • 网格尺寸：确保网格尺寸适中，既不过于细密也不过于粗糙。

  • 网格形状：确保网格形状规则，避免出现过长、过短或角度过大的单元。

  • 网格密度：在应力集中等关键区域增加网格密度，提高计算精度。

网格划分的高级技术

  1. 自适应网格划分：根据计算结果自动调整网格密度，提高计算效率。

  2. 多尺度网格划分：对于不同尺度的结构，使用不同密度的网格进行划分。

  3. 非结构化网格划分：适用于复杂几何模型，可以灵活地处理各种形状。

网格划分的质量评估

网格划分的质量可以通过以下方法进行评估：

  • 网格质量指标：如雅可比矩阵、最小内角等。

  • 可视化检查：使用前处理软件或后处理软件（如ParaView）进行可视化检查。

  • 网格敏感性分析：通过改变网格密度，比较不同网格划分结果的差异，评估网格质量。

网格划分的优化

网格划分的优化是为了提高仿真分析的效率和准确性。常见的优化方法包括：

  • 网格细化：在应力集中等关键区域增加网格密度。

  • 网格粗化：在非关键区域减少网格密度。

  • 网格平滑：通过平滑算法改善网格质量，避免出现过长、过短或角度过大的单元。

网格划分的实例

三维复杂结构模型

以下是一个使用Gmsh创建的三维复杂结构模型的示例。

  1. 创建几何模型：

// Gmsh几何建模脚本

// 创建一个三维复杂结构模型

L = 10.0; // 长度

H = 5.0;  // 高度

W = 5.0;  // 宽度



// 定义点

Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};

Point(2) = {L, 0, 0, 1.0};

Point(3) = {L, H, 0, 1.0};

Point(4) = {0, H, 0, 1.0};

Point(5) = {0, 0, W, 1.0};

Point(6) = {L, 0, W, 1.0};

Point(7) = {L, H, W, 1.0};

Point(8) = {0, H, W, 1.0};

Point(9) = {L/2, H/2, W/2, 1.0};



// 定义线

Line(1) = {1, 2};

Line(2) = {2, 3};

Line(3) = {3, 4};

Line(4) = {4, 1};

Line(5) = {1, 5};

Line(6) = {2, 6};

Line(7) = {3, 7};

Line(8) = {4, 8};

Line(9) = {5, 6};

Line(10) = {6, 7};

Line(11) = {7, 8};

Line(12) = {8, 5};

Line(13) = {1, 9};

Line(14) = {2, 9};

Line(15) = {3, 9};

Line(16) = {4, 9};

Line(17) = {5, 9};

Line(18) = {6, 9};

Line(19) = {7, 9};

Line(20) = {8, 9};



// 定义面

Line Loop(1) = {1, 2, 3, 4};

Line Loop(2) = {5, 9, -6, -1};

Line Loop(3) = {6, 10, -7, -2};

Line Loop(4) = {7, 11, -8, -3};

Line Loop(5) = {8, 12, -5, -4};

Line Loop(6) = {13, 18, -14, -1};

Line Loop(7) = {14, 10, -15, -2};

Line Loop(8) = {15, 11, -16, -3};

Line Loop(9) = {16, 12, -17, -4};

Line Loop(10) = {17, 9, -18, -5};

Line Loop(11) = {18, 10, -19, -6};

Line Loop(12) = {19, 11, -20, -7};

Line Loop(13) = {20, 12, -17, -8};



// 定义表面

Plane Surface(1) = {1};

Plane Surface(2) = {2};

Plane Surface(3) = {3};

Plane Surface(4) = {4};

Plane Surface(5) = {5};

Plane Surface(6) = {6};

Plane Surface(7) = {7};

Plane Surface(8) = {8};

Plane Surface(9) = {9};

Plane Surface(10) = {10};

Plane Surface(11) = {11};

Plane Surface(12) = {12};



// 定义体积

Surface Loop(1) = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12};

Volume(1) = {1};
  1. 导出网格文件：

// Gmsh网格划分脚本

Mesh 1; // 网格划分

Mesh.Format = 22; // 选择MESH格式

Save "complex_structure.mesh"; // 保存网格文件
  1. 导入到Calculix：

*INCLUDE, INPUT=complex_structure.mesh

*NODE

1,0.0,0.0,0.0

2,10.0,0.0,0.0

3,10.0,5.0,0.0

4,0.0,5.0,0.0

5,0.0,0.0,5.0

6,10.0,0.0,5.0

7,10.0,5.0,5.0

8,0.0,5.0,5.0

9,5.0,2.5,2.5



*ELEMENT, TYPE=C3D8

1,1,2,3,4,5,6,7,8

2,2,3,9,5,6,7,8



*ELSET, ELSET=ELSET1

1,2



*BOUNDARY

1,1,1

2,1,0

5,3,0



*STEP

*STATIC

1.,1.,1e-08,1.

*END STEP

网格划分的复杂性处理

对于复杂的几何模型，可以采用以下方法进行处理：

  • 分块建模：将复杂的几何模型分成多个简单的块，分别建模后合并。

  • 使用高级CAD软件：利用高级CAD软件（如CATIA、NX等）创建复杂的几何模型。

  • 自动生成网格：使用前处理软件（如Gmsh）的自动生成网格功能，减少手动划分的工作量。

网格划分的实例

三维复杂结构模型的优化

以下是一个使用Gmsh创建的三维复杂结构模型的优化示例，重点在于关键区域的网格细化。

  1. 创建几何模型：

// Gmsh几何建模脚本

// 创建一个三维复杂结构模型

L = 10.0; // 长度

H = 5.0;  // 高度

W = 5.0;  // 宽度



// 定义点

Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};

Point(2) = {L, 0, 0, 1.0};

Point(3) = {L, H, 0, 1.0};

Point(4) = {0, H, 0, 1.0};

Point(5) = {0, 0, W, 1.0};

Point(6) = {L, 0, W, 1.0};

Point(7) = {L, H, W, 1.0};

Point(8) = {0, H, W, 1.0};

Point(9) = {L/2, H/2, W/2, 0.1}; // 关键区域点，网格细化



// 定义线

Line(1) = {1, 2};

Line(2) = {2, 3};

Line(3) = {3, 4};

Line(4) = {4, 1};

Line(5) = {1, 5};

Line(6) = {2, 6};

Line(7) = {3, 7};

Line(8) = {4, 8};

Line(9) = {5, 6};

Line(10) = {6, 7};

Line(11) = {7, 8};

Line(12) = {8, 5};

Line(13) = {1, 9};

Line(14) = {2, 9};

Line(15) = {3, 9};

Line(16) = {4, 9};

Line(17) = {5, 9};

Line(18) = {6, 9};

Line(19) = {7, 9};

Line(20) = {8, 9};



// 定义面

Line Loop(1) = {1, 2, 3, 4};

Line Loop(2) = {5, 9, -6, -1};

Line Loop(3) = {6, 10, -7, -2};

Line Loop(4) = {7, 11, -8, -3};

Line Loop(5) = {8, 12, -5, -4};

Line Loop(6) = {13, 18, -14, -1};

Line Loop(7) = {14, 10, -15, -2};

Line Loop(8) = {15, 11, -16, -3};

Line Loop(9) = {16, 12, -17, -4};

Line Loop(10) = {17, 9, -18, -5};

Line Loop(11) = {18, 10, -19, -6};

Line Loop(12) = {19, 11, -20, -7};

Line Loop(13) = {20, 12, -17, -8};



// 定义表面

Plane Surface(1) = {1};

Plane Surface(2) = {2};

Plane Surface(3) = {3};

Plane Surface(4) = {4};

Plane Surface(5) = {5};

Plane Surface(6) = {6};

Plane Surface(7) = {7};

Plane Surface(8) = {8};

Plane Surface(9) = {9};

Plane Surface(10) = {10};

Plane Surface(11) = {11};

Plane Surface(12) = {12};



// 定义体积

Surface Loop(1) = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12};

Volume(1) = {1};



// 网格细化

Mesh.CharacteristicLengthExtendFromBoundary = 0;

Mesh.CharacteristicLengthFactor = 0.4;

Mesh.CharacteristicLengthMin = 0.1;

Mesh.CharacteristicLengthMax = 1.0;

Mesh.CharacteristicLengthFromPoints = 1;

Mesh.CharacteristicLengthFromCurvature = 1;

Mesh.RecombineAll = 0;

Mesh.Algorithm = 6;

Mesh.SubdivisionAlgorithm = 1;

Mesh.Optimize = 1;

Mesh.OptimizeNetgen = 1;

Mesh.HighOrderOptimize = 2;

Mesh.HighOrderAnisotropicOptimize = 1;
  1. 导出网格文件：

// Gmsh网格划分脚本

Mesh 1; // 网格划分

Mesh.Format = 22; // 选择MESH格式

Save "optimized_complex_structure.mesh"; // 保存网格文件
  1. 导入到Calculix：

*INCLUDE, INPUT=optimized_complex_structure.mesh

*NODE

1,0.0,0.0,0.0

2,10.0,0.0,0.0

3,10.0,5.0,0.0

4,0.0,5.0,0.0

5,0.0,0.0,5.0

6,10.0,0.0,5.0

7,10.0,5.0,5.0

8,0.0,5.0,5.0

9,5.0,2.5,2.5



*ELEMENT, TYPE=C3D8

1,1,2,3,4,5,6,7,8

2,2,3,9,5,6,7,8



*ELSET, ELSET=ELSET1

1,2



*BOUNDARY

1,1,1

2,1,0

5,3,0



*STEP

*STATIC

1.,1.,1e-08,1.

*END STEP

网格划分的总结

网格划分是有限元分析中的关键步骤，它直接影响仿真结果的准确性和可靠性。通过选择合适的网格划分方法、控制网格质量、进行网格优化和评估，可以确保模型在计算过程中表现出良好的性能。对于复杂的几何模型，分块建模和使用高级CAD软件可以有效提高建模效率，而自适应网格划分和多尺度网格划分则可以在保证计算精度的同时，减少计算资源的消耗。

标签：材料力学,0.0,模型,网格,建模,划分,几何,Line,Calculix
From： https://blog.csdn.net/weixin_42749425/article/details/145086406

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