ABAQUS+ALE自适应网格技术

ABAQUS ALE自适应网格技术

为了方便理解，先整体介绍一下ALE网格自适应方法的基本过程，一个完整的ALE过程可以分为若干个网格remesh子过程，而每一次remesh的过程可以分为两步：

1生成一个新的网格（create a new mesh），利用各种算法以及控制策略生成一个良好的网格，主要包括划分的频率和算法。

2环境变量的转换（advection variales），也就是将旧网格中的变量信息利用remapping技术转换到新网格中，也有不同算法，其中包括静变量（应力场，应变场等）的转换与动变量（速度场，加速度场等）的转换。

上面的两步在软件设置上面，可认为是对网格划分区域的控制（ALE Adaptive Mesh Domain）和算法的控制（ALE Adaptive Mesh Controls）。

1 ALE区域的控制

（1）几何区域选择（set）

※ No ALE adaptive mesh domain for this step 该分析步没有使用ALE技术。

※ Use the ALE adaptive mesh domain below 将以下区域定义为ALE区域。 （2）ALE Adaptive Mesh Controls 自适应技术控制选项，后面介绍 （3）Frequency

频率控制，主要是对整个step time中网格remesh的次数进行控制。Remesh次数n可以由n=Increment number /Frequency来表达其意义，当frequency的值为i时，表示每i个增量步进行一次remesh。

一个典型的ALE过程，在每5-100个增量步就需要一次remesh，对于拉格朗日问题，改参数默认值为10，若变形实在太大，可适当调高，以增加网格重画的强度，对于爆炸，碰撞等变形时间极短的问题求解，则在每一个增量步都需要一次remesh，这时Frequency的值需要设置得很小，比如设为1，当然，ada

ptive remesh过程的强度也很高，也会很废时。对于其他变形不是很剧烈的问题求解，该参数值可以适当调高。对于欧拉问题，默认值为1。

图1 Frequency的设置

（4）Remeshing sweeps per increment

一个频率下的迭代次数，当该参数的值为n时，每一个remesh过程将对网格进行n次sweep，其实这个参数可以理解为对整个adaptive remesh过程的每一个子过程（remesh过程）的强度进行控制。

那么，我们先来理解一下sweep的概念，每sweep一次，abaqus将利用我们设置好的算法（体积算法，拉普拉斯算法或等位算法）生成一套新的网格，但这个网格不一定是符合要求的，因此，需要在生成的新网格的基础上用同样的方式再进行sweep，就像我们求解方程时迭代的概念是一样的。就这样一直sweep下去直到sweep的次数达到mesh sweeps参数的值，这样就完成了一个remesh过程中的新网格的生成。同样，mesh sweeps参数的值越高，adaptive remesh过程强度越高，网格优化的状况良好的机率也就越大。

图2 Remeshing sweeps per increment的设置

（5）Initial remeshing sweeps

也就是ALE过程开始之前对网格的一个优化，概念与mesh sweeps类似，因为我们有可能利用已经变形的很厉害的网格进行分析，这时，在分析开始之前，就需要对网格进行重画。

图3 Initial remeshing sweeps的设置

2 ALE过程的控制

算法控制包括两部分；一为网格算法控制；其二为变量转换算法控制。 （1）Priority

也就是指网格梯度控制（是否保持初始网格梯度，若需要保持初始网格梯度，则对网格的质量将会有影响）。

※ Improve aspect ratio

在计算过程中将考虑到网格单元高宽比的改善，不考虑对初始网格梯度的保持。

※ Preserve initial mesh grading

在计算过程中保证初始的网格梯度，但不会考虑到网格宽高比的改善。

图4 Priority的设置界面

（2）smoothing algorithm

※ Use enhanced algorithm based on evolving element geometry 主要是在几何学的方面对我们定义的网格sweep算法（前面提到的三种算法）进行增强，目的是为了保证adaptive remesh过程的健壮性，为推荐选项，选它就行了

※ conventional smoothing

利用我们定义好的算法进行计算，无几何增强。

图5 smoothing algorithm的界面控制

（3）Meshing Predictor

也就是网格节点位置控制（理想的网格节点位置控制，将会减少需要的网格sweeps次数，减少资源浪费）。

※ Current deformed position 对于拉格朗日问题选择

※ Position from previous adaptive mesh increment 对于欧拉问题选择

图6 Meshing predictor的界面控制

（4）Curvature refinement

也就是曲率较大的曲线曲面边界的网格密度控制，默认为1，该值越大，则圆角区的网格密度也就会越大，比较简单。

图7 Curvature refinement的界面控制

（5）Weights

在ABAQUS中是如何生成新网格的呢？即使用网格扫掠技术（mesh sweep technique），每sweep一次，生成一套新的网格。但是当你使用的算法不同时，sweep出来的网格也是不同的。

在ABAQUS显示模块中，sweep算法用英语来说就是mesh smoothing method,有三种算法来sweep网格，如下所示；

※ 体积算法（volume smoothing）

该算法十分健壮，为默认算法，再绝大多数情况下适用 ※ 拉普拉斯算法（laplacian smoothing）

耗费资源最少的算法，能力一般，作用与体积算法类似（一阶算法，类似于求平均值），对于曲率比较高的曲线曲面边界时，效果不是很理想。

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