殼體單元網(wǎng)格的產(chǎn)品建模策略

本文將根據(jù)實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,使模型達到“真實”的情況,提高分析效率和精確度,真正實現(xiàn)設計驗證一體化。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,也是設計分析過程中一個至關重要的步驟。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 定整個仿真過程的成敗。面對實際幾何體,一般的分析軟件都支持實體網(wǎng)格、殼體網(wǎng)格、橫梁單元和桿單元等單一類型網(wǎng)格,同時也支持混合網(wǎng)格,如實體—殼—梁 復合結(jié)構(gòu)。

  通常的做法有手工生成和半自動生成網(wǎng)格,現(xiàn)在較為先進的技術(shù)是根據(jù)CAD模型自動識別并進行自動網(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)點及單元。半自動網(wǎng)格劃分主要指針對實體模型可以自動劃分成實體單元、曲面模型可以自動生成殼單元,但是針對鈑金等薄壁結(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。全自動網(wǎng)格劃分,是指自動網(wǎng)格器會根據(jù)產(chǎn)品3D模型,智能識別鈑金為殼、結(jié)構(gòu)件為梁。同時也可以實現(xiàn)手工指定單元類 型,最大限度實現(xiàn)自動網(wǎng)格劃分。另外,半自動和全自動網(wǎng)格劃分可以智能識別全局單元大小和公差,可以實現(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)品的三個方向的尺寸相差不大,可以采用實體網(wǎng)格進行劃分。從幾何形狀上來看,實體網(wǎng)格主要有六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格。當然從單元階次上來說有一階單元和二階單元等。

  六面體網(wǎng)格的優(yōu)勢在于同樣結(jié)構(gòu)情況下節(jié)點較少,自由度較少,同樣的模型計算速度較快,對于強非線性問題,如含有大應變問題,其收斂性較好。但是 全六面體網(wǎng)格無法自動生成,需要手工生成,工作量相當大。若使用四面實體單元可以對任何實體模型進行網(wǎng)格化,特別是具有復雜曲面的實體模型、無法采用六面 體網(wǎng)格時進行剖分,同時使用四面體網(wǎng)格可以快速自動生成,并且?guī)в兄虚g節(jié)點的四面體網(wǎng)格精度較好,如圖1所示。

  2.殼單元的選擇

  使用實體單元對薄壁模型進行網(wǎng)格化會導致生成大量單元,因為必須使用很小尺寸的單元。為了得到更好的精度,必須在厚度方面生成兩個以上的單元, 因此單元的數(shù)量會驚人的增長。如果使用較大的實體單元大小會使網(wǎng)格品質(zhì)下降,從而導致結(jié)果不準確。根據(jù)如圖2所示的零件最大長寬比率數(shù)值,來選擇實體單元 或者殼單元。顯而易見,實體單元適用于“矮胖”的實體零件,殼體單元適用于鈑金件或者薄零件。

  針對長寬比率在中間范圍的零部件,需要工程師進行判斷采用哪種類型的單元。大部分的鈑金件會被軟件歸類 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)驗的做法是:建立零件模型,使用曲面實體模型代表零件的中面,如果該模型得到的計算結(jié)果和實體模型的計算結(jié)果無多大差異,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軟件假設殼體單元網(wǎng)格位置是自動位于零件代表的中性面(見圖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與實際的幾何體模型有0.5壁厚的差異,有些位置比實 際大,有些地方比實際小。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,計算表明其帶來的誤差相當小。

  以一個滑輪為例進行討論(見圖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)的問題更少。但是當多個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(見圖7),所以必須將0.5壁厚間隙考慮到模型開發(fā)過程之內(nèi)。另外,生成殼體時可以選擇薄殼、厚殼 或者復合材料殼。具體細節(jié)在后續(xù)的連載文章中會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)”,使用設計理想化模型最有效。依據(jù)當前的技術(shù)現(xiàn)狀,利用實體幾何體來建立一個好的殼體模型是很難的開端。理想情況下,在設計分析之前就計劃建立一個理想化的殼體模型——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,這就很難彌補之前少量的建模時間(多數(shù)情況下,實體模型轉(zhuǎn)化為理想殼模型會花更多的時間進行處理)。

  五、殼體模型建模步驟

  下面通過一些鈑金件和焊接件的例子來闡述殼體模型的建模思路,以保證模型在真實的狀態(tài)下進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,要保證網(wǎng)格不連續(xù)(避免共節(jié)點)。

  2.模態(tài)分析

  運行大于7個模態(tài)形狀的模態(tài)分析連續(xù)性(見圖10),以保證模型的正確連接。

  3.復雜裝配體的設計規(guī)劃思路(見圖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中建立曲面實體,概念性工作是最快的方式。如果直接利用曲面實體轉(zhuǎn)換成實體模型,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,也可選擇獨立的所選輪廓。

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

  (7)運行大于7個模態(tài)形狀的模態(tài)分析以核對的連續(xù)性(如果是大裝配體,可以直接在各個零件單獨分析驗證)。

  七、從實體開始的建模策略

  (1)在裝配體文件中創(chuàng)建一個零件用 于殼體單元建模。

  (2)曲面實體使用的特征來自實體驅(qū) 動的基礎特征。

  (3)在關聯(lián)狀態(tài)下,反復進行零件編 輯與正常零件編輯間地來回操作,以獲 取必需的幾何模型。

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

  八、總結(jié)

  本文通過討論使用曲面和實體不同方式產(chǎn)生的殼體單元模型,進行現(xiàn)實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、錯位等缺陷,統(tǒng)一FEA分析和CAD設計的建模思路,減少模型前處理,提高FEA分析效率和計算結(jié)果的精確性。