摘要
对于复杂的CAD几何模型，生成高质量的计算网格是进行精确有限元分析的关键前提。本手册旨在为工程师提供一套系统性的方法，利用SIMULIA Abaqus/CAE中的高级网格划分工具，有效处理复杂几何，并精准控制网格与几何的偏差，从而在计算效率和仿真精度之间取得最佳平衡。
一、 核心概念理解
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网格划分（Meshing）： 将连续的几何模型离散化为有限数量的微小单元（如四面体、六面体）的过程。
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几何偏差（Geometry Deviation）： 网格单元边界（边或面）与原始CAD几何曲面之间的最大允许距离。这是控制网格精确表征几何形状的最关键参数之一。
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种子（Seeds）： 定义网格单元大致尺寸的节点，是控制网格密度的基础。
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网格控制（Mesh Controls）： 包括单元形状（四面体、六面体主导）、划分技术（自由、结构化、扫掠）等。
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虚拟拓扑（Virtual Topology）： 用于合并细小的面、边，简化几何特征，从而极大改善网格划分能力的神器。
二、 针对复杂几何的网格划分工作流程
第一步：几何导入与修复
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导入CAD模型： 通过
文件 -> 导入 -> 部件导入第三方CAD软件生成的模型（如STEP， IGES格式）。 -
检查几何完整性：
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进入
部件模块，使用工具 -> 查询下的几何诊断或拓扑诊断。 -
重点检查：是否存在微小面、短边、裂缝、无效接触等。这些是导致网格划分失败的主要原因。
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修复方法： 使用Abaqus/CAE的几何修复工具（如合并、缝合），或返回原始CAD软件进行修复。
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第二步：几何简化与虚拟拓扑的应用（关键步骤）
对于充满螺栓孔、倒角、圆角、加强筋等特征的复杂装配体，直接划分网格几乎必然失败。
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进入
网格模块，激活虚拟拓扑工具条。 -
识别可简化的特征：
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微小面： 对结构强度或分析结果影响不大的小平面（如小的倒角、铭牌凹槽）。
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短边： 连接两个面的非常短的边界线。
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相邻小面： 几个相邻的小面可以合并为一个大面。
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创建虚拟拓扑：
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合并面： 按住
Ctrl键选择多个相邻的小面，右键选择合并面。这将把它们视为一个连续的曲面进行网格划分。 -
忽略边： 选择一条短边，右键选择
忽略边。这将移除该边在网格划分中的约束。 -
效果： 虚拟拓扑不会删除几何，只是改变了网格划分器对几何拓扑结构的认知，极大提高了网格的规整度和生成成功率。
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第三步：全局种子与局部种子的设置
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设置全局种子：
种子 -> 按尺寸布种，为整个部件设定一个基础的平均单元尺寸。 -
设置局部种子（精细化控制）：
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按边布种： 在关键边界（如接触区域、应力集中区域）上设置更密的种子。使用
生物生长技术（偏置布种）可以在一个方向上实现网格尺寸的平滑过渡。 -
按面布种： 在关键曲面（如圆孔周围、弯曲表面）上设置更密的种子，以确保几何曲率能被精确捕捉。
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第四步：网格控制与划分技术选择
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选择单元形状：
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四面体（Tet）： 适用于最复杂的几何，自动化程度高。选择
二次单元（如C3D10）以提高精度。 -
六面体（Hex）： 计算效率高，精度好，但仅适用于可通过扫掠（Sweep）划分的几何。
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选择划分技术：
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自由划分（Free）： 主要用于四面体，是复杂几何的首选。
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扫掠划分（Sweep）： 用于“源面”和“目标面”相似的几何。检查部件是否可扫掠。
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结构化划分（Structured）： 适用于规整的几何块（如长方体），网格质量最高。
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第五步：网格生成与质量检查
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生成网格： 点击
为部件划分网格按钮。 -
质量检查：
网格 -> 验证。-
形状指标： 检查单元形状因子、长宽比。避免出现过于扭曲的单元。
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几何误差： 检查最大几何偏差（见下一节详解）。
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雅可比（Jacobian）： 对于二次单元，确保雅可比值为正，且接近1。
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三、 偏差（Deviation）控制的专项操作
偏差控制是确保网格精确还原几何形状的灵魂。
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理解“偏差”参数：
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定义： 它是网格单元的一条边与原始几何曲面之间允许的最大弦高差。
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可视化： 在
网格模块中，勾选选项 -> 网格显示选项 -> 标签 -> 显示几何偏差指标。红色边缘表示偏差较大的区域。
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如何设置偏差控制：
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全局设置： 在
种子设置旁，有默认网格控制选项。点击进入后，找到曲率控制和deviation control相关选项。 -
核心参数：
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最小尺寸限制（Min Size Limit）： 防止在曲率大的地方生成过小的单元。
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最大偏差因子（Max Deviation Factor）： 这是最直接的参数。减小此值会强制网格更紧密地贴合曲面，但会显著增加单元数量。通常默认值（如0.1）是一个较好的起点。
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局部控制： 对于关键曲面，可以在
网格控制中为该区域单独设置更严格的偏差值。
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偏差控制策略：
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策略1（曲率控制）： 系统根据几何曲率自动加密网格。曲率大的地方（小圆角）网格密，曲率小的地方（大平面）网格疏。这是最常用和高效的方法。
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策略2（绝对偏差控制）： 直接指定一个全局最大允许偏差值（如0.01mm）。这能提供最精确的几何控制，但可能在不必要的地方产生过密网格。
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最佳实践： 结合使用。对于大多数分析，使用曲率控制并设置一个合理的
最大偏差因子。对于有严格尺寸要求的区域（如配合面），再使用局部种子进行加密。
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四、 高级技巧与疑难解答
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分区（Partition）是利器： 使用
工具 -> 分区将复杂部件切割成几个简单的区域，从而可以对每个区域应用不同的划分技术（如一部分用扫掠，另一部分用自由划分）。 -
独立与非独立实例： 在装配体中，对需要精细划分的部件使用
非独立实例，以便在部件级别控制网格；对简单部件使用独立实例。 -
网格划分失败怎么办：
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检查并修复几何： 这是第一步，也是最关键的一步。
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应用虚拟拓扑： 忽略或合并细小特征。
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放松全局种子： 使用更大的单元尺寸。
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调整网格控制： 尝试从“进阶”切换到“标准”划分算法，或更改单元类型（如尝试使用修正的二次四面体C3D10M）。
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使用分区： 将部件分割后再尝试划分。
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五、 总结
处理复杂几何的网格划分是一个迭代和权衡的过程。一个成功的网格策略遵循以下原则：
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简化先行： 充分利用虚拟拓扑和分区工具，化繁为简。
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由粗到精： 先设置全局种子和偏差，生成一个基础网格，再对关键区域进行局部加密。
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偏差为尺： 始终以几何偏差作为衡量网格几何保真度的标尺，根据分析精度要求合理设置其值。
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质量为本： 在生成网格后，必须进行全面的质量检查，确保单元形状不会导致计算不收敛或结果失真。
通过熟练掌握本手册所述的工作流程和核心技巧，您将能有效应对绝大多数复杂几何的网格划分挑战，为获得高保真度的仿真结果奠定坚实的基础。
