殼體單元網(wǎng)格的產(chǎn)品建模策略

本文將根據(jù)實(shí)際工作中鈑金件與焊接件的結(jié)構(gòu)和工藝方法,討論合理建模的策略,使模型達(dá)到“真實(shí)”的情況,提高分析效率和精確度,真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證一體化。并以SolidWorks Simulation為例,闡述殼體單元網(wǎng)格技術(shù)特性和一些實(shí)用技巧。

  一、網(wǎng)格劃分概述

  網(wǎng)格劃分是有限元分析(FEA)的基礎(chǔ),也是設(shè)計(jì)分析過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的步驟。網(wǎng)格的質(zhì)量不僅影響FEA軟件的分析效率和精確度,更能直接決 定整個(gè)仿真過(guò)程的成敗。面對(duì)實(shí)際幾何體,一般的分析軟件都支持實(shí)體網(wǎng)格、殼體網(wǎng)格、橫梁?jiǎn)卧蜅U單元等單一類型網(wǎng)格,同時(shí)也支持混合網(wǎng)格,如實(shí)體—?dú)ぁ?復(fù)合結(jié)構(gòu)。

  通常的做法有手工生成和半自動(dòng)生成網(wǎng)格,現(xiàn)在較為先進(jìn)的技術(shù)是根據(jù)CAD模型自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。手工生成網(wǎng)格指不需要建立產(chǎn)品的幾何 模型,手工生成節(jié)點(diǎn)及單元。半自動(dòng)網(wǎng)格劃分主要指針對(duì)實(shí)體模型可以自動(dòng)劃分成實(shí)體單元、曲面模型可以自動(dòng)生成殼單元,但是針對(duì)鈑金等薄壁結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)件等, 需要手工生成殼單元及桿梁等一維單元。全自動(dòng)網(wǎng)格劃分,是指自動(dòng)網(wǎng)格器會(huì)根據(jù)產(chǎn)品3D模型,智能識(shí)別鈑金為殼、結(jié)構(gòu)件為梁。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)手工指定單元類 型,最大限度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)網(wǎng)格劃分。另外,半自動(dòng)和全自動(dòng)網(wǎng)格劃分可以智能識(shí)別全局單元大小和公差,可以實(shí)現(xiàn)局部網(wǎng)格控制生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。

  二、網(wǎng)格類型選擇

  1.實(shí)體單元的選擇

  網(wǎng)格類型的選擇主要取決于零件結(jié)構(gòu)的最大縱橫比數(shù)值(三維方向)。如果產(chǎn)品的三個(gè)方向的尺寸相差不大,可以采用實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。從幾何形狀上來(lái)看,實(shí)體網(wǎng)格主要有六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格。當(dāng)然從單元階次上來(lái)說(shuō)有一階單元和二階單元等。

  六面體網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)在于同樣結(jié)構(gòu)情況下節(jié)點(diǎn)較少,自由度較少,同樣的模型計(jì)算速度較快,對(duì)于強(qiáng)非線性問(wèn)題,如含有大應(yīng)變問(wèn)題,其收斂性較好。但是 全六面體網(wǎng)格無(wú)法自動(dòng)生成,需要手工生成,工作量相當(dāng)大。若使用四面實(shí)體單元可以對(duì)任何實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格化,特別是具有復(fù)雜曲面的實(shí)體模型、無(wú)法采用六面 體網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行剖分,同時(shí)使用四面體網(wǎng)格可以快速自動(dòng)生成,并且?guī)в兄虚g節(jié)點(diǎn)的四面體網(wǎng)格精度較好,如圖1所示。

  2.殼單元的選擇

  使用實(shí)體單元對(duì)薄壁模型進(jìn)行網(wǎng)格化會(huì)導(dǎo)致生成大量單元,因?yàn)楸仨毷褂煤苄〕叽绲膯卧榱说玫礁玫木?必須在厚度方面生成兩個(gè)以上的單元, 因此單元的數(shù)量會(huì)驚人的增長(zhǎng)。如果使用較大的實(shí)體單元大小會(huì)使網(wǎng)格品質(zhì)下降,從而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。根據(jù)如圖2所示的零件最大長(zhǎng)寬比率數(shù)值,來(lái)選擇實(shí)體單元 或者殼單元。顯而易見(jiàn),實(shí)體單元適用于“矮胖”的實(shí)體零件,殼體單元適用于鈑金件或者薄零件。

  針對(duì)長(zhǎng)寬比率在中間范圍的零部件,需要工程師進(jìn)行判斷采用哪種類型的單元。大部分的鈑金件會(huì)被軟件歸類 為殼體單元類型,然而厚度并不是惟一的考慮因素。如果一些零件的部位(如掛鉤、凸臺(tái)等)是壁厚的2~3倍,并且該部位是承受載荷的部位,那么該部分將不作 為殼體單元建模。經(jīng)驗(yàn)的做法是:建立零件模型,使用曲面實(shí)體模型代表零件的中面,如果該模型得到的計(jì)算結(jié)果和實(shí)體模型的計(jì)算結(jié)果無(wú)多大差異,那么該零件模 型就是理想的殼體單元類型。反之,需要嘗試不同的模型結(jié)構(gòu),以選擇最合適的網(wǎng)格單元類型,在經(jīng)驗(yàn)中積累網(wǎng)格選擇的規(guī)則。

  三、殼體單元建模基本要素

  1.殼單元幾何位置選擇

  FEA軟件假設(shè)殼體單元網(wǎng)格位置是自動(dòng)位于零件代表的中性面(見(jiàn)圖3) 上,并將分配0.5壁厚到殼體單元的每一面。如果定義的殼體不是零件的中面,分析幾何體的任何位置會(huì)與實(shí)際的幾何體模型有0.5壁厚的差異,有些位置比實(shí) 際大,有些地方比實(shí)際小。因此,殼體單元的中面位置非常重要。

  最精確的辦法是采用薄壁件的中面,如何加速生成中面?可以采用系統(tǒng)提供的中面生成工具(見(jiàn)圖4),在指定的情況下查找中面,這將最大限度提高生 成殼單元的效率。多數(shù)情況下,為了提高生成殼單元的效率,我們可以采用直接選擇零件的內(nèi)表面或外表面作為殼體定義,計(jì)算表明其帶來(lái)的誤差相當(dāng)小。

  以一個(gè)滑輪為例進(jìn)行討論(見(jiàn)圖5),分別在模型中性面和模型表面定義殼單元,其結(jié)果誤差不超過(guò)3%,如圖6所示

  2.殼單元之間的間隙

  令人欣慰是零件的縱橫比更高,殼體單元網(wǎng)格位置出現(xiàn)的問(wèn)題更少。但是當(dāng)多個(gè)殼部件組裝到一起后,可能產(chǎn)生“T”型的交叉位置,殼體代表是零件的 中面,在純中面模型的殼體將明顯地產(chǎn)生0.5壁厚間隙(見(jiàn)圖7),所以必須將0.5壁厚間隙考慮到模型開發(fā)過(guò)程之內(nèi)。另外,生成殼體時(shí)可以選擇薄殼、厚殼 或者復(fù)合材料殼。具體細(xì)節(jié)在后續(xù)的連載文章中會(huì)專門討論殼單元的選擇和誤差分析。

  四、殼體單元建模建議

  殼體模型利用“虛擬結(jié)構(gòu)”,使用設(shè)計(jì)理想化模型最有效。依據(jù)當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀,利用實(shí)體幾何體來(lái)建立一個(gè)好的殼體模型是很難的開端。理想情況下,在設(shè)計(jì)分析之前就計(jì)劃建立一個(gè)理想化的殼體模型——直接從曲面模型建模開始。

  (1)先直接建立曲面模型,通過(guò)分析后,可以直接由曲面轉(zhuǎn)換成殼體模型,如圖8所示。

  (2)建立理想化曲面模型要快得多,如果不能第一次取得合適或者最佳的模型,這就很難彌補(bǔ)之前少量的建模時(shí)間(多數(shù)情況下,實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為理想殼模型會(huì)花更多的時(shí)間進(jìn)行處理)。

  五、殼體模型建模步驟

  下面通過(guò)一些鈑金件和焊接件的例子來(lái)闡述殼體模型的建模思路,以保證模型在真實(shí)的狀態(tài)下進(jìn)行殼體單元類型的有限元分析。

  1.產(chǎn)品草繪稿

  在圖樣上使用繪畫軟件,標(biāo)注所有焊接,如圖9所示;在焊接區(qū)域要求網(wǎng)格化連續(xù)性(使用分割線及忽略焊縫影響)。非焊接結(jié)合位置網(wǎng)格化時(shí),要保證網(wǎng)格不連續(xù)(避免共節(jié)點(diǎn))。

  2.模態(tài)分析

  運(yùn)行大于7個(gè)模態(tài)形狀的模態(tài)分析連續(xù)性(見(jiàn)圖10),以保證模型的正確連接。

  3.復(fù)雜裝配體的設(shè)計(jì)規(guī)劃思路(見(jiàn)圖11)

  六、從零開始的建模策略

  (1)手工素描主要特征,包含所有必須用于施加載荷、添加約束或者遠(yuǎn)程質(zhì)量的結(jié)構(gòu)零部件和特征。

  (2)忽略螺紋孔和小折彎半徑等小特征。

  (3)在SolidWorks中建立曲面實(shí)體,概念性工作是最快的方式。如果直接利用曲面實(shí)體轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型,則是更周詳?shù)目紤]。

  (4)為接合處定義包含所有焊縫的草圖。

  (5)使用掃描特征替代拉伸,確保面是分離的,也可選擇獨(dú)立的所選輪廓。

  (6)針對(duì)復(fù)雜裝配體,以一個(gè)裝配體文件模式建模,然后使用爆炸視圖便于屬性定義。

  (7)運(yùn)行大于7個(gè)模態(tài)形狀的模態(tài)分析以核對(duì)的連續(xù)性(如果是大裝配體,可以直接在各個(gè)零件單獨(dú)分析驗(yàn)證)。

  七、從實(shí)體開始的建模策略

  (1)在裝配體文件中創(chuàng)建一個(gè)零件用 于殼體單元建模。

  (2)曲面實(shí)體使用的特征來(lái)自實(shí)體驅(qū) 動(dòng)的基礎(chǔ)特征。

  (3)在關(guān)聯(lián)狀態(tài)下,反復(fù)進(jìn)行零件編 輯與正常零件編輯間地來(lái)回操作,以獲 取必需的幾何模型。

  總的來(lái)說(shuō),不建議直接使用零件外表面或者內(nèi)表面作為殼體,會(huì)使分析工作的效率降低。

  八、總結(jié)

  本文通過(guò)討論使用曲面和實(shí)體不同方式產(chǎn)生的殼體單元模型,進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中鈑金件和焊接件裝配體的殼體單元優(yōu)化建模。按照殼體單元的要求建立模型,避 免產(chǎn)生曲面之間的縫隙、重疊、錯(cuò)位等缺陷,統(tǒng)一FEA分析和CAD設(shè)計(jì)的建模思路,減少模型前處理,提高FEA分析效率和計(jì)算結(jié)果的精確性。