基于MATLAB的三维六面体有限元网格模型

基于MATLAB的三维六面体有限元网格模型

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一、代码

function [nodes, elems] = generateHexMesh(xRange, yRange, zRange, nx, ny, nz)
    % 参数说明：
    % xRange: [xmin, xmax] x方向范围
    % yRange: [ymin, ymax] y方向范围
    % zRange: [zmin, zmax] z方向范围
    % nx, ny, nz: 各方向网格划分数量

    % 生成节点坐标
    x = linspace(xRange(1), xRange(2), nx);
    y = linspace(yRange(1), yRange(2), ny);
    z = linspace(zRange(1), zRange(2), nz);
    [X, Y, Z] = ndgrid(x, y, z);
    nodes = [X(:), Y(:), Z(:)]';
    
    % 生成单元连接关系
    elemID = 1:(nx-1)*(ny-1)*(nz-1);
    elems = zeros(size(elemID, 1), 8);
    
    % 单元节点索引计算
    k = 1;
    for i = 1:nx-1
        for j = 1:ny-1
            for l = 1:nz-1
                % 定义单元8个节点索引
                nodeIndices = [
                    (i-1)+(j-1)*(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    i    +(j-1)*(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    i    +j    *(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    (i-1)+j    *(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    (i-1)+(j-1)*(nx) + l    *(nx*ny),
                    i    +(j-1)*(nx) + l    *(nx*ny),
                    i    +j    *(nx) + l    *(nx*ny),
                    (i-1)+j    *(nx) + l    *(nx*ny)
                ];
                elems(k,:) = nodeIndices;
                k = k + 1;
            end
        end
    end
end

% 示例调用
[xRange, yRange, zRange] = deal(0, 1, 0, 1, 0, 1);
[nx, ny, nz] = deal(10, 10, 10);
[nodes, elems] = generateHexMesh(xRange, yRange, zRange, nx, ny, nz);

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二、网格可视化

function plotHexMesh(nodes, elems)
    % 创建图形窗口
    figure;
    hold on;
    
    % 绘制所有单元
    for e = 1:size(elems, 1)
        % 提取当前单元节点坐标
        coords = nodes(elems(e,:), :);
        
        % 绘制六面体表面
        patch(coords(:,1), coords(:,2), coords(:,3), 'b', 'FaceAlpha', 0.3, 'EdgeColor', 'k');
    end
    
    % 设置坐标轴
    axis equal;
    grid on;
    xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z');
    title('三维六面体有限元网格');
    hold off;
end

% 调用可视化函数
plotHexMesh(nodes, elems);

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三、功能扩展

1. 非均匀网格生成

function [nodes, elems] = genNonUniformHexMesh(xPoints, yPoints, zPoints)
    % 非均匀网格生成（输入节点坐标数组）
    nx = numel(xPoints);
    ny = numel(yPoints);
    nz = numel(zPoints);
    
    % 生成节点坐标矩阵
    X = repmat(xPoints', ny, nz);
    Y = repmat(yPoints, 1, nz);
    Y = repmat(Y, 1, 1, nx);
    Z = repmat(zPoints, ny, 1);
    Z = permute(Z, [3,1,2]);
    
    nodes = [X(:), Y(:), Z(:)]';
    
    % 生成单元连接关系（同均匀网格）
    elemID = 1:(nx-1)*(ny-1)*(nz-1);
    elems = zeros(size(elemID, 1), 8);
    k = 1;
    for i = 1:nx-1
        for j = 1:ny-1
            for l = 1:nz-1
                nodeIndices = [
                    (i-1)+(j-1)*(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    i    +(j-1)*(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    i    +j    *(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    (i-1)+j    *(nx) + (l-1)*(nx*ny),
                    (i-1)+(j-1)*(nx) + l    *(nx*ny),
                    i    +(j-1)*(nx) + l    *(nx*ny),
                    i    +j    *(nx) + l    *(nx*ny),
                    (i-1)+j    *(nx) + l    *(nx*ny)
                ];
                elems(k,:) = nodeIndices;
                k = k + 1;
            end
        end
    end
end

2. 网格质量评估

function quality = checkMeshQuality(nodes, elems)
    % 计算网格质量指标（雅可比行列式）
    numElems = size(elems, 1);
    quality = zeros(numElems, 1);
    
    for e = 1:numElems
        % 提取单元节点坐标
        coords = nodes(elems(e,:), :);
        
        % 计算形函数雅可比矩阵
        J = zeros(3,3);
        for i = 1:8
            xi = coords(i,1); yi = coords(i,2); zi = coords(i,3);
            J(1,:) = J(1,:) + [1, xi, yi, zi] * [1,1,1,1; xi, xi^2, xi*yi, xi*zi; yi, yi*xi, yi^2, yi*zi; zi, zi*xi, zi*yi, zi^2]/8;
        end
        
        % 计算雅可比行列式
        detJ = det(J(1:3,1:3));
        quality(e) = abs(detJ);
    end
end

参考代码 三维六面体有限元网格模型matlab源代码 www.youwenfan.com/contentcni/64632.html

四、工程应用

1. 梁结构网格划分

% 梁参数
L = 1.0; nx = 20; % 长度与划分数量
nodes = linspace(0, L, nx)';
elems = [ones(nx-1,1) (2:nx)';
         zeros(nx-1,2) ones(nx-1,1) 2:nx]';
% 可视化
plot3(nodes(elems(:,1)), nodes(elems(:,2)), nodes(elems(:,3)), 'r-o');
xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z');

2. 复杂几何建模

% 创建球体网格（通过坐标变换）
[x, y, z] = sphere(20);
nodes = [x(:), y(:), z(:)]';
% 生成六面体网格（需配合网格生成算法）

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五、性能优化

1. 并行计算：使用parfor加速大规模网格生成

   parfor e = 1:numElems
       % 并行计算单元属性
   end
   

2. 内存优化：使用稀疏矩阵存储连接关系

   elemConn = sparse(elems(:,1), elems(:,2), 1);
   

3. GPU加速：利用CUDA并行计算雅可比行列式

   J_gpu = gpuArray(J);
   detJ = arrayfun(@(i) det(J_gpu(:,:,i)), 1:size(J,3));
   

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该方案通过模块化设计实现了三维六面体网格的自动生成与验证，实际应用中需根据具体几何形状调整节点分布策略，并通过质量评估确保网格收敛性。对于复杂几何体，建议结合CAD软件导出网格数据后进行后处理。