复合材料分析软件：FiberSIM_（8）.网格划分与模型建立

网格划分与模型建立

在复合材料分析软件中，网格划分与模型建立是至关重要的步骤。这一节将详细介绍如何在FiberSIM中进行网格划分，并建立复合材料模型。我们将从以下几个方面进行讲解：

网格划分的基本概念

网格划分（Meshing）是将几何模型离散化为一系列小单元（Element）的过程。这些单元通常由节点（Node）连接而成，可以是二维的（如三角形或四边形）或三维的（如四面体或六面体）。在复合材料分析中，网格划分的质量直接影响到计算结果的准确性和可靠性。

网格类型

• 结构化网格：网格单元在空间中形成规则的结构，适用于简单几何形状。

• 非结构化网格：网格单元在空间中分布不规则，适用于复杂几何形状。

网格尺寸

网格尺寸（Element Size）是指每个单元的大小。网格尺寸的选择需要平衡计算精度和计算效率。较小的网格尺寸可以提高计算精度，但会增加计算时间和内存需求。

网格质量

网格质量（Mesh Quality）是指网格的几何特性，如单元的形状、大小、角度等。高质量的网格可以减少数值误差，提高计算结果的可靠性。常用的网格质量指标包括：

• 雅可比比（Jacob Ratio）：用于衡量单元的形状质量。

• 纵横比（Aspect Ratio）：用于衡量单元的长宽比。

• 最小角（Minimum Angle）：用于衡量单元的角度质量。

FiberSIM中的网格划分工具

FiberSIM提供了一系列强大的网格划分工具，可以帮助用户高效地生成高质量的网格。这些工具包括：

自动网格划分

自动网格划分工具可以根据用户设置的参数自动生成网格。用户需要设置网格尺寸、网格类型等参数。

示例：自动网格划分

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 创建几何模型

model = fs.GeometryModel("composite_part.stp")

# 设置网格参数

mesh_params = {

"element_size": 0.1, # 网格尺寸

"element_type": "quadrilateral" # 网格类型

}

# 生成自动网格

model.generate_mesh(mesh_params)

# 保存网格

model.save_mesh("composite_part.mesh")

手动网格划分

手动网格划分工具允许用户在特定区域进行精细的网格划分。这对于局部应力集中或复杂几何特征的区域非常有用。

示例：手动网格划分

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 创建几何模型

model = fs.GeometryModel("composite_part.stp")

# 选择特定区域进行手动网格划分

region = model.select_region("stress_concentration_area")

# 设置手动网格参数

manual_mesh_params = {

"element_size": 0.05, # 较小的网格尺寸

"element_type": "triangular" # 三角形单元

}

# 生成手动网格

region.generate_mesh(manual_mesh_params)

# 保存网格

model.save_mesh("composite_part.mesh")

网格质量检查

在生成网格后，进行网格质量检查是非常重要的。FiberSIM提供了多种网格质量检查工具，可以帮助用户识别和修复低质量的网格。

雅可比比检查

雅可比比是衡量单元形状质量的重要指标。雅可比比接近1表示单元形状良好，远离1表示单元形状较差。

示例：雅可比比检查

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 加载几何模型和网格

model = fs.load_model("composite_part.mesh")

# 进行雅可比比检查

jacob_ratio = model.check_mesh_quality("jacob_ratio")

# 打印检查结果

print(f"雅可比比检查结果: {jacob_ratio}")

# 修复低质量网格

model.repair_mesh("jacob_ratio", threshold=0.7)

纵横比检查

纵横比是衡量单元长宽比的重要指标。纵横比接近1表示单元形状良好，远离1表示单元形状较差。

示例：纵横比检查

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 加载几何模型和网格

model = fs.load_model("composite_part.mesh")

# 进行纵横比检查

aspect_ratio = model.check_mesh_quality("aspect_ratio")

# 打印检查结果

print(f"纵横比检查结果: {aspect_ratio}")

# 修复低质量网格

model.repair_mesh("aspect_ratio", threshold=1.5)

最小角检查

最小角是衡量单元角度质量的重要指标。最小角接近90度表示单元角度良好，远离90度表示单元角度较差。

示例：最小角检查

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 加载几何模型和网格

model = fs.load_model("composite_part.mesh")

# 进行最小角检查

min_angle = model.check_mesh_quality("min_angle")

# 打印检查结果

print(f"最小角检查结果: {min_angle}")

# 修复低质量网格

model.repair_mesh("min_angle", threshold=30)

模型建立方法

在FiberSIM中，建立复合材料模型需要以下几个步骤：

定义材料属性

复合材料通常由基体材料和增强材料组成。在FiberSIM中，用户需要定义这些材料的属性。

示例：定义材料属性

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 创建几何模型

model = fs.load_model("composite_part.mesh")

# 定义基体材料属性

matrix_material = {

"name": "Epoxy",

"density": 1.2,

"youngs_modulus": 3.5e9,

"poissons_ratio": 0.3

}

# 定义增强材料属性

fiber_material = {

"name": "Carbon Fiber",

"density": 1.8,

"youngs_modulus": 230e9,

"poissons_ratio": 0.2

}

# 添加材料属性到模型

model.add_material(matrix_material)

model.add_material(fiber_material)

定义层合结构

复合材料的层合结构是指各层材料的排列顺序。用户需要定义每一层的材料、厚度和方向。

示例：定义层合结构

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 创建几何模型

model = fs.load_model("composite_part.mesh")

# 定义层合结构

laminate = [

{

"material": "Epoxy",

"thickness": 0.1,

"orientation": 0

},

{

"material": "Carbon Fiber",

"thickness": 0.2,

"orientation": 45

},

{

"material": "Epoxy",

"thickness": 0.1,

"orientation": 90

}

]

# 添加层合结构到模型

model.add_laminate(laminate)

定义载荷和边界条件

在复合材料分析中，定义合适的载荷和边界条件是确保计算结果准确性的关键。用户需要根据实际工程问题定义这些条件。

示例：定义载荷和边界条件

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 创建几何模型

model = fs.load_model("composite_part.mesh")

# 定义载荷

load = {

"type": "pressure",

"value": 100000,

"region": "top_surface"

}

# 添加载荷到模型

model.add_load(load)

# 定义边界条件

boundary_condition = {

"type": "fixed",

"region": "bottom_surface"

}

# 添加边界条件到模型

model.add_boundary_condition(boundary_condition)

定义求解器参数

求解器参数包括求解方法、收敛准则、时间步长等。用户需要根据具体的分析类型选择合适的参数。

示例：定义求解器参数

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 创建几何模型

model = fs.load_model("composite_part.mesh")

# 定义求解器参数

solver_params = {

"method": "static",

"convergence_criteria": 1e–6,

"time_step": 0.1

}

# 添加求解器参数到模型

model.set_solver_params(solver_params)

案例分析

为了更好地理解网格划分与模型建立的过程，我们通过一个具体的案例来进行分析。假设我们有一个复合材料层压板，需要对其进行静力分析。

案例背景

层压板几何模型如下所示：

• 尺寸：100mm x 100mm x 1mm

• 材料：基体材料为环氧树脂（Epoxy），增强材料为碳纤维（Carbon Fiber）

• 层合结构：3层，每层厚度为0.333mm，碳纤维层分别沿0度、45度和90度方向排列

• 载荷：上表面受到100kPa的压力

• 边界条件：下表面固定

案例步骤

示例代码

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 创建几何模型

model = fs.GeometryModel("laminate.stp")

# 生成网格

mesh_params = {

"element_size": 2.0, # 网格尺寸

"element_type": "quadrilateral" # 网格类型

}

model.generate_mesh(mesh_params)

# 定义材料属性

matrix_material = {

"name": "Epoxy",

"density": 1.2,

"youngs_modulus": 3.5e9,

"poissons_ratio": 0.3

}

fiber_material = {

"name": "Carbon Fiber",

"density": 1.8,

"youngs_modulus": 230e9,

"poissons_ratio": 0.2

}

model.add_material(matrix_material)

model.add_material(fiber_material)

# 定义层合结构

laminate = [

{

"material": "Epoxy",

"thickness": 0.333,

"orientation": 0

},

{

"material": "Carbon Fiber",

"thickness": 0.333,

"orientation": 45

},

{

"material": "Epoxy",

"thickness": 0.333,

"orientation": 90

}

]

model.add_laminate(laminate)

# 定义载荷

load = {

"type": "pressure",

"value": 100000, # 100kPa

"region": "top_surface"

}

model.add_load(load)

# 定义边界条件

boundary_condition = {

"type": "fixed",

"region": "bottom_surface"

}

model.add_boundary_condition(boundary_condition)

# 定义求解器参数

solver_params = {

"method": "static",

"convergence_criteria": 1e–6,

"time_step": 0.1

}

model.set_solver_params(solver_params)

# 运行分析

model.run_analysis("laminate_results")

# 保存结果

model.save_results("laminate_results.dat")

案例结果

通过上述代码，我们可以生成一个高质量的网格，并定义好所有必要的材料属性、层合结构、载荷和边界条件。运行分析后，结果将保存在laminate_results.dat文件中，用户可以进一步分析和可视化这些结果。

结果可视化

FiberSIM还提供了结果可视化的工具，用户可以使用这些工具查看应力、应变等物理量的分布。

示例：结果可视化

# 导入FiberSIM库

import fiber_sim as fs

# 加载分析结果

results = fs.load_results("laminate_results.dat")

# 可视化应力分布

results.plot_stress_distribution("von_mises_stress", "top_surface")

# 可视化应变分布

results.plot_strain_distribution("principal_strain", "top_surface")

通过这些步骤，用户可以全面地了解如何在FiberSIM中进行网格划分与模型建立，并确保计算结果的准确性和可靠性。