摘要： 在Abaqus有限元分析中，高质量的网格是获得准确可靠结果的基础。然而，几何模型中的微小缺陷、复杂特征或不合理的拓扑结构常常导致网格划分困难，生成低质量的单元，严重影响计算精度、收敛性和求解效率。本文将系统分析几何清理不当引发网格质量问题的常见原因，并提供一套从几何修复到网格优化的完整解决方案。
一、 几何缺陷如何导致网格质量问题
几何清理与网格划分是“前因后果”的紧密关系。一个未经清理的“脏几何”会直接影响Abaqus网格生成算法的表现，具体表现为：
-
微小特征：如短边、小面、锐角或微小的孔、倒角。这些特征会迫使网格算法生成极其细密的局部单元或畸形的高阶单元，造成单元数量剧增、长宽比恶化。
-
几何缝隙/重叠：相邻曲面或实体间未完全闭合（有缝隙）或非预期地相交（重叠）。这会导致网格生成失败，或生成不连续的网格，影响载荷和约束的传递。
-
冗余拓扑：不必要的顶点、重复或未被引用的边/面。它们会干扰网格划分的逻辑，产生奇异点或无法划分的区域。
-
曲率不连续：相邻曲面仅实现G0连接（点连续）而非G1连接（相切连续）。在交界处，网格可能生成带有尖角或不自然扭曲的单元。
-
复杂拓扑：存在大量细长条面、高度非均匀的尺寸变化或自相交的几何体。这些结构超出了标准网格算法（如中性轴算法、进阶前向算法）的鲁棒性范围。
二、 修复策略与步骤
解决此类问题应遵循“先几何，后网格”的系统性流程。以下是在Abaqus/CAE环境中的具体操作步骤：
第1步：诊断与评估
-
使用“检查几何体”工具：进入
模块下拉菜单选择部件，然后使用工具>检查几何体。重点关注“错误”和“警告”项，如短边、小面、无效边、微小间隙等。量化这些缺陷的尺寸。 -
尝试初步网格划分：在
网格模块中，对部件或装配体尝试使用默认设置划分网格。利用网格>检查功能，查看Abaqus自动报告的质量警告（如长宽比、内角、扭曲度等），并高亮显示问题单元。这些单元通常聚集在几何缺陷附近。
第2步：几何清理与修复
这是最核心的环节，目标是在不改变关键力学特征的前提下简化几何。
-
合并微小特征：
-
使用
工具>几何编辑中的功能，如合并边、合并面。 -
对于不影响分析的微小倒角、圆角、孔洞，可直接使用
面或边的删除或合并操作将其移除。Abaqus会提示是否修复相邻区域。 -
技巧：设定一个“最小有意义尺寸”。任何小于该尺寸的特征，如果对刚度、应力集中影响可忽略，都应考虑合并或删除。
-
-
修复间隙与重叠：
-
对于小间隙（通常小于全局单元尺寸的10%），可使用
几何编辑中的缝合或闭合缝隙功能。 -
对于重叠或干涉，使用
修改>切割或布尔操作（并集、交集）进行修正。
-
-
简化复杂拓扑：
-
虚拟拓扑：这是Abaqus中极为强大的工具。选中多个相邻的小面，使用
虚拟拓扑工具将其合并为一个逻辑面。这允许网格生成器跨越原始边界划分单元，从而避免在内部微小边上生成不必要的节点。对于复杂的连接区域（如多个小面交汇处），创建虚拟拓扑可以显著改善网格质量。 -
分解部件：对于非常复杂的单个部件，可考虑使用
工具>分割将其分解为多个更规则、更易划分网格的区域。划分网格后再通过绑定约束（Tie）或定义接触将其连接。
-
第3步：优化网格划分策略
在几何得到清理后，通过调整划分策略进一步提升质量。
-
全局与局部种子控制：
-
首先设置合理的
全局种子大小。通常基于最小特征尺寸或关注的区域决定。 -
在已清理的复杂区域或关键分析区域，使用
局部种子进行加密。在非关键区域或尺寸过渡区域，可适当放大种子以节省计算量。
-
-
选择恰当的网格技术：
-
结构化网格：对于四边形（2D）或六面体（3D），优先使用
结构化或扫掠技术。这通常能产生最规则、质量最高的单元。确保部件拓扑适合扫掠（有明确的源面和目标面）。 -
自由网格：对于极不规则的几何，使用
自由网格划分，并选择进阶前向算法或中性轴算法进行尝试。后者有时对带孔的薄壁件处理得更好。 -
网格控制：指定单元形状（四面体、六面体为主）、划分算法，并调整参数如
最小尺寸限制，防止在已清理的区域因算法原因生成过小单元。
-
-
使用“网格质量”与“平滑”工具：
-
划分后，再次运行
网格检查。 -
利用
网格>优化或平滑网格功能。平滑算法可以轻微调整内部节点的位置，以改善单元形状（如内角更接近理想值），但通常无法解决根本性的几何缺陷问题。
-
三、 高级技巧与最佳实践
-
导入前的预处理：在专业CAD软件（如CATIA, NX, SolidWorks）中进行彻底的几何清理，其工具通常比Abaqus更强大。确保导出为STEP或Parasolid等高质量中间格式时，已修复主要问题。
-
模型抽象化：对于梁、壳结构，考虑是否可以用抽取中面或创建线/梁单元的方式来代替实体，从根本上规避复杂的体网格划分。
-
迭代与验证：几何清理与网格划分是一个迭代过程。每次清理后重新划分并检查质量，逐步逼近最优结果。
-
文档记录：记录清理了哪些特征及其尺寸，便于模型评审和后续修改。
结论
修复因几何清理不当导致的网格质量低下问题，本质上是一个系统工程。它要求分析师不仅熟悉Abaqus的网格工具，更要对几何结构有深刻理解，具备在“计算精度”和“模型简化”之间取得平衡的工程判断力。遵循“诊断-修复-优化”的流程，善用虚拟拓扑等关键工具，大部分网格质量问题都能得到有效解决，从而为后续的精确有限元分析奠定坚实的基础。记住，高质量的网格始于清洁、简化的几何模型。
