有限元网格在力学仿真中扮演着至关重要的角色，其质量直接影响仿真结果的准确性、稳定性和计算效率。以下是网格在力学仿真中的核心重要性及相关优化策略的综合分析：

1. 网格对仿真结果的核心影响

(1) 精度与可靠性

• 几何表征：网格将连续几何离散化为有限单元，其密度和形状决定了模型对真实物理行为的逼近程度。例如，六面体单元（Hex）在结构化区域可提供更高精度，而四面体单元（Tet）更适合复杂几何。
• 应力/应变捕捉：细密网格能更准确地反映应力集中区域（如孔洞、焊缝），而粗网格可能导致应力低估或高估。
• 数值误差控制：网格质量差会引入截断误差（网格过粗）或浮点误差（网格过密），需通过收敛性分析平衡二者。

(2) 计算效率

• 资源消耗：网格数量增加会显著提升计算时间和内存需求，尤其在非线性分析（如接触、大变形）中。
• 优化策略：采用局部加密（关键区域细化）和分层网格（非关键区粗化）可兼顾精度与效率。

2. 网格质量的关键评价指标

(1) 形状与尺寸

• 长宽比（Aspect Ratio）：理想值接近1，过高会导致单元畸形（如拉伸的四面体单元精度下降）。
• 雅可比行列式（Jacobian）：衡量单元变形程度，偏离1过远表明网格畸变。
• 内角和：三角形单元内角和应为180°，偏差过大会影响刚度矩阵稳定性。

(2) 连续性匹配

• 不同材料或载荷区域的网格需保持连续性，避免因不匹配导致应力传递失真。

3. 网格划分的优化方法

(1) 网格类型选择

• 六面体单元：适合规则几何，计算效率高但生成复杂。
• 四面体单元：适应复杂形状，但需更多单元达到相同精度。
• 壳/梁单元：针对薄壁或细长结构，可大幅减少计算量。

(2) 收敛性验证

• 逐步加密网格直至关键结果（如最大应力）变化小于5%~10%，确认网格无关性。

(3) 多物理场耦合

• 在电磁-热或流-固耦合分析中，需协调不同物理场的网格要求（如气隙区域需电磁与热网格一致）。

4. 常见问题与解决方案

• 网格畸变：大变形分析中需采用ALE（任意拉格朗日-欧拉）网格或重划分技术。
• 求解失败：检查雅可比行列式与宽高比，修复畸形单元。
• 应力不连续：通过非平均应力云图识别需加密区域。

总结

有限元网格是力学仿真的基石，其质量直接影响结果的可靠性与工程决策的正确性。优化网格需结合几何特征、分析类型（线性/非线性）和计算资源，通过收敛性验证与多物理场协同实现精度与效率的平衡。例如，Ansys和HyperMesh等工具提供的网格质量检查功能可辅助工程师高效完成这一过程。