多尺度算法在增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析中的應(yīng)用（上篇）

2019-04-05  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

作者| 段衛(wèi)毅 安世中德結(jié)構(gòu)仿真咨詢專家

 

隨著增材制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的快速發(fā)展,增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航天航空、船舶、汽車(chē)、體育和醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,如圖1所示。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),除輕量化特點(diǎn)外,同時(shí)還具有優(yōu)良的比剛度/強(qiáng)度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點(diǎn)。由于其含有大量復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu),包括胞元類(lèi)型和幾何尺寸等參數(shù),導(dǎo)致建模和仿真計(jì)算工作量巨大,傳統(tǒng)有限元分析已經(jīng)無(wú)法適用。因此,經(jīng)過(guò)多年的仿真計(jì)算積累和努力探索,我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一款專業(yè)用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析的軟件,即Lattice Simulation。

本文分為上、下兩篇,上篇結(jié)合應(yīng)用案例,淺談基于多尺度算法開(kāi)發(fā)出的這款點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具,是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的CAE分析問(wèn)題的。下篇將對(duì)Lattice Simulation和ANSYS Discovery進(jìn)行分析對(duì)比,以說(shuō)明多尺度算法在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析中的準(zhǔn)確性。

圖1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

1、概述

Lattice Simulation是一款用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析的工具,具有用戶自定義和內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種方式,已集成在ANSYS add-in擴(kuò)展工具中?；诙喑叨人惴?用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù),在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后,可以通過(guò)局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。

圖2 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具功能

圖3 Workbench點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程

2、Lattice Simulation功能與優(yōu)勢(shì)

Lattice Simulation提供增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在有限元仿真中涉及的相關(guān)分析功能

(1) 均質(zhì)化分析

基于胞元結(jié)構(gòu)類(lèi)型及在空間上的周期排列特性,進(jìn)行均質(zhì)化計(jì)算,提取等效實(shí)體的材料力學(xué)特性。

(2) 宏觀分析

采用均質(zhì)化分析得到的等效材料數(shù)據(jù),并對(duì)等效實(shí)體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,校核點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剛度性能。

(3) 細(xì)觀校核

考慮胞元外部邊界條件(采用應(yīng)變加載),對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,校核點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。

圖4 多尺度算法原理圖

圖5 多尺度分析流程圖

Lattice Simulation的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:

(1) 強(qiáng)大的點(diǎn)陣建模功能

① 支持spaceclaim中內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

② 支持外部導(dǎo)入點(diǎn)陣類(lèi)型。

(2) 高效求解:大大降低建模難度,高效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。

(3) 自動(dòng)生成材料數(shù)據(jù)庫(kù)和內(nèi)置材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4) 支持參數(shù)優(yōu)化功能。

(5) 圖6 Lattice Simulation操作界面 。

界面友好,易于操作

圖7 Spaceclaim內(nèi)置點(diǎn)陣建模過(guò)程

圖8 均質(zhì)化分析過(guò)程胞元變形結(jié)果

3、Lattice Simulation應(yīng)用案例

① 懸臂梁剛度和強(qiáng)度分析

② 支架

圖10 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支架分析

③ 直升機(jī)支架

圖11 直升機(jī)支架分析

結(jié)論

本文結(jié)合Lattice Simulation對(duì)增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的CAE分析問(wèn)題進(jìn)行了討論,在考慮點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)類(lèi)型、材料、幾何尺寸和周期性邊界等條件下,通過(guò)均質(zhì)化分析得到胞元的等效材料參數(shù)。在應(yīng)變能和宏觀平均應(yīng)力一致下,以保證較高的計(jì)算精度。基于此,在宏觀分析之后,對(duì)胞元加載應(yīng)變分量,并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度校核。

通過(guò)以上篇幅討論,可以得出以下結(jié)論:

1、采用多尺度算法,有效避免耗時(shí)耗力的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模問(wèn)題,大大降低建模難度。

2、 多尺度算法基于細(xì)觀-宏觀-細(xì)觀的分析方式,可準(zhǔn)確的求解點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度問(wèn)題。

3、有效減小計(jì)算規(guī)模,可以高效快速地對(duì)增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。

4、支持點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,可與optislang等優(yōu)化軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真,實(shí)現(xiàn)參數(shù)最優(yōu)組合。

5、Lattice Simulation add-in點(diǎn)陣分析工具完全無(wú)縫集成在Workbench環(huán)境中,可與其他模塊軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

作者:段衛(wèi)毅,男,德國(guó)Ingolstat&Landshut大學(xué)應(yīng)用計(jì)算力學(xué)碩士,現(xiàn)為安世中德結(jié)構(gòu)仿真咨詢專家,10年以上仿真分析經(jīng)驗(yàn),專長(zhǎng)于顯式動(dòng)力學(xué)分析、多尺度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

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