CAE前处理进阶：薄壁+实体结构的深度剖析

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CAE前处理 | 薄壁+实体结构处理难题破解指南（上）

2025年最新实践经验分享

直击痛点：常规网格划分为何失效？

最近在处理一个包含大量一体焊件的结构分析项目时，发现采用常规的网格加密方法后，应力云图的分布趋势存在明显异常，这给后续结果解读和工程决策带来了困扰。很多工程师在遇到类似问题时，可能会直接选择局部加密和整体加密，认为这样就能解决所有问题。但实际情况却并非如此，特别是在薄壁与实体结构并存的复杂场景中，这种处理方式往往适得其反，甚至可能导致结果偏离真实状态。

问题描述：结构形式与分析目标

该结构的具体情况是：右端面被固定约束，左端面施加集中力F，需要计算施力点处的位移值以及危险区域的应力值。从表面看，这似乎是一个常规的有限元分析问题。但当我们对模型进行剖切后，问题就变得复杂了。

关键矛盾点：薄壁与实体并存带来的挑战

这个模型的特殊之处在于：一部分是薄壁结构（壁厚仅0.6mm），另一部分是实体结构（跨度达到60mm）。这种组合结构在建模时存在天然的矛盾。如果强行采用统一的网格划分，要么会导致薄壁区域出现计算误差放大，要么会让实体部分的应力集中区域被忽视。为此，我们先对模型进行了粗略的1mm网格划分，观察初步结果：

加载点处的位移值为2.54mm（2025）

弯管区域的应力值达到488MPa（2025）

圆角处的应力峰值为510MPa（2025）

从数据来看，整体加密似乎能勉强满足基本需求，但模型的局部精度依然存在问题。更进一步的加密操作（比如三轮细分）让计算资源消耗达到瓶颈，计算机处理速度明显下降，同时应力分布的数值波动并没有显著减小，甚至出现局部区域数值失真。

为什么高密度网格效果不佳？

这里需要明确一点：模型的设计本身就具有特殊性。薄壁结构放大了实体单元的误差敏感度，而长达60mm的结构又加剧了低阶四面体单元的计算误差。也就是说，即使划分了五十万级的四面体单元（2025），也不能完全规避这些问题。

问题思考：结构特征决定处理策略

针对这种矛盾，我们进行了深入分析。该结构 以薄壁和实体结合为核心特征，但两者又某种方式连接在一起，形成一个不可分割的整体。这种特性导致在传统前处理中，难以同时保证两种结构的计算精度。

常规方法的局限性

对比不同网格密度下的结果，我们发现使用统一网格划分的策略存在明显缺陷。具体表现为：

薄壁区域的数据失真：在壁厚仅为0.6mm的区域，接近实体单元的计算误差，导致局部应力值偏高。

实体区域的精度不足：在跨度较大的实体结构中，低阶四面体单元无法捕捉细节，影响整体结构的可靠性。

连接处的应力断层：由于两种结构的网格密度不同，连接部位容易出现应力跳跃现象，这在实际工程中必须作出修正。

解决方案：分区分控才是关键

根据分析结果，我们最终选择将结构分为薄壁和实体两个部分，分别采用最适合的单元类型进行处理。这并非简单的分而治之，而是需要面对以下几个核心问题：

① 壳单元与实体单元的对接难题

如果采用壳单元处理薄壁部分，壳单元本身的误差累积可能会影响整体结果。在弯管区域，壳单元的节点分布不均可能导致应力峰值失真。为此，我们尝试在断面处采用共节点连接，即壳单元和实体单元共享边界节点，减少应力断层。

② 分层控制与常规划分的平衡策略

另一种方案是在薄壁区域采用分层控制，实体区域则保留常规网格划分。这种方法的关键是确保两种结构的过渡区域平滑。在薄壁与实体交界处，设置合理的边界条件，避免单元形状差异带来的应力异常。

③ 网格密度与计算效率的权衡

最终选择分区域加密方案：对薄壁部分进行高密度网格划分，同时对实体部分进行适度加密。这样既能保证关键区域的精度，又能避免计算资源过度消耗。在加载点附近加密到0.5mm的网格尺寸，同时在弯管区域局部加密补充细节。

为什么分区域加密更优？

实测数据表明，采用分区域加密后，应力峰值的分布更符合预期，而位移值的计算精度也显著提升。在加载点处，位移值稳定在2.54mm（2025），而在弯管区域，应力值波动幅度控制在±10MPa以内，这表明优化后的网格划分已经能够满足工程需求。

2025年实操：分而治之是关键

上述分析，我们总结出一个重要的结论：对于薄壁+实体结构的复杂模型，分区域加密才是有效的处理方式。在以下步骤中进行操作：