壳体单元网格的产品建模策略

作者：DS SolidWorks公司 张俊

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 本文将根据实际工作中钣金件与焊接件的结构和工艺方法，讨论合理建模的策略，使模型达到“真实”的情况，提高分析效率和精确度，真正实现设计验证一体化。并以SolidWorks Simulation为例，阐述壳体单元网格技术特性和一些实用技巧。 一、网格划分概述 网格划分是有限元分析(FEA)的基础，也是设计分析过程中一个至关重要的步骤。网格的质量不仅影响FEA软件的分析效率和精确度，更能直接决定整个仿真过程的成败。面对实际几何体，一般的分析软件都支持实体网格、壳体网格、横梁单元和杆单元等单一类型网格，同时也支持混合网格，如实体—壳—梁复合结构。 通常的做法有手工生成和半自动生成网格，现在较为先进的技术是根据CAD模型自动识别并进行自动网格划分。手工生成网格指不需要建立产品的几何模型，手工生成节点及单元。半自动网格划分主要指针对实体模型可以自动划分成实体单元、曲面模型可以自动生成壳单元，但是针对钣金等薄壁结构、结构件等，需要手工生成壳单元及杆梁等一维单元。全自动网格划分，是指自动网格器会根据产品3D模型，智能识别钣金为壳、结构件为梁。同时也可以实现手工指定单元类型，最大限度实现自动网格划分。另外，半自动和全自动网格划分可以智能识别全局单元大小和公差，可以实现局部网格控制生成高质量的网格。 二、网格类型选择 1.实体单元的选择 网格类型的选择主要取决于零件结构的最大纵横比数值(三维方向)。如果产品的三个方向的尺寸相差不大，可以采用实体网格进行划分。从几何形状上来看，实体网格主要有六面体网格和四面体网格。当然从单元阶次上来说有一阶单元和二阶单元等。 六面体网格的优势在于同样结构情况下节点较少，自由度较少，同样的模型计算速度较快，对于强非线性问题，如含有大应变问题，其收敛性较好。但是全六面体网格无法自动生成，需要手工生成，工作量相当大。若使用四面实体单元可以对任何实体模型进行网格化，特别是具有复杂曲面的实体模型、无法采用六面体网格时进行剖分，同时使用四面体网格可以快速自动生成，并且带有中间节点的四面体网格精度较好，如图1所示。 2.壳单元的选择 使用实体单元对薄壁模型进行网格化会导致生成大量单元，因为必须使用很小尺寸的单元。为了得到更好的精度，必须在厚度方面生成两个以上的单元，因此单元的数量会惊人的增长。如果使用较大的实体单元大小会使网格品质下降，从而导致结果不准确。根据如图2所示的零件最大长宽比率数值，来选择实体单元或者壳单元。显而易见，实体单元适用于“矮胖”的实体零件，壳体单元适用于钣金件或者薄零件。 针对长宽比率在中间范围的零部件，需要工程师进行判断采用哪种类型的单元。大部分的钣金件会被软件归类 为壳体单元类型，然而厚度并不是惟一的考虑因素。如果一些零件的部位(如挂钩、凸台等)是壁厚的2～3倍，并且该部位是承受载荷的部位，那么该部分将不作为壳体单元建模。经验的做法是：建立零件模型，使用曲面实体模型代表零件的中面，如果该模型得到的计算结果和实体模型的计算结果无多大差异，那么该零件模型就是理想的壳体单元类型。反之，需要尝试不同的模型结构，以选择最合适的网格单元类型，在经验中积累网格选择的规则。 三、壳体单元建模基本要素 1.壳单元几何位置选择 FEA软件假设壳体单元网格位置是自动位于零件代表的中性面(见图3) 上，并将分配0.5壁厚到壳体单元的每一面。如果定义的壳体不是零件的中面，分析几何体的任何位置会与实际的几何体模型有0.5壁厚的差异，有些位置比实际大，有些地方比实际小。因此，壳体单元的中面位置非常重要。 最精确的办法是采用薄壁件的中面，如何加速生成中面?可以采用系统提供的中面生成工具(见图4)，在指定的情况下查找中面，这将最大限度提高生成壳单元的效率。多数情况下，为了提高生成壳单元的效率，我们可以采用直接选择零件的内表面或外表面作为壳体定义，计算表明其带来的误差相当小。 以一个滑轮为例进行讨论(见图5)，分别在模型中性面和模型表面定义壳单元，其结果误差不超过3%，如图6所示。 2.壳单元之间的间隙 令人欣慰是零件的纵横比更高，壳体单元网格位置出现的问题更少。但是当多个壳部件组装到一起后，可能产生“T”型的交叉位置，壳体代表是零件的中面，在纯中面模型的壳体将明显地产生0.5壁厚间隙(见图7)，所以必须将0.5壁厚间隙考虑到模型开发过程之内。另外，生成壳体时可以选择薄壳、厚壳或者复合材料壳。具体细节在后续的连载文章中会专门讨论壳单元的选择和误差分析。 四、壳体单元建模建议 壳体模型利用“虚拟结构”，使用设计理想化模型最有效。依据当前的技术现状，利用实体几何体来建立一个好的壳体模型是很难的开端。理想情况下，在设计分析之前就计划建立一个理想化的壳体模型——直接从曲面模型建模开始。 (1)先直接建立曲面模型，通过分析后，可以直接由曲面转换成壳体模型。 (2)建立理想化曲面模型要快得多，如果不能第一次取得合适或者最佳的模型，这就很难弥补之前少量的建模时间(多数情况下，实体模型转化为理想壳模型会花更多的时间进行处理)。 五、壳体模型建模步骤 下面通过一些钣金件和焊接件的例子来阐述壳体模型的建模思路，以保证模型在真实的状态下进行壳体单元类型的有限元分析。 1.产品草绘稿 在图样上使用绘画软件，标注所有焊接，在焊接区域要求网格化连续性(使用分割线及忽略焊缝影响)。非焊接结合位置网格化时，要保证网格不连续(避免共节点)。 2.模态分析 运行大于7个模态形状的模态分析连续性(见图)，以保证模型的正确连接。 3.复杂装配体的设计规划思路 六、从零开始的建模策略 (1)手工素描主要特征，包含所有必须用于施加载荷、添加约束或者远程质量的结构零部件和特征。 (2)忽略螺纹孔和小折弯半径等小特征。 (3)在SolidWorks中建立曲面实体，概念性工作是最快的方式。如果直接利用曲面实体转换成实体模型，则是更周详的考虑。 (4)为接合处定义包含所有焊缝的草图。 (5)使用扫描特征替代拉伸，确保面是分离的，也可选择独立的所选轮廓。 (6)针对复杂装配体，以一个装配体文件模式建模，然后使用爆炸视图便于属性定义。 (7)运行大于7个模态形状的模态分析以核对的连续性(如果是大装配体，可以直接在各个零件单独分析验证)。 七、从实体开始的建模策略 (1)在装配体文件中创建一个零件用 于壳体单元建模。 (2)曲面实体使用的特征来自实体驱 动的基础特征。 (3)在关联状态下，反复进行零件编 辑与正常零件编辑间地来回操作，以获 取必需的几何模型。 总的来说，不建议直接使用零件外表面或者内表面作为壳体，会使分析工作的效率降低。 八、总结 本文通过讨论使用曲面和实体不同方式产生的壳体单元模型，进行现实中钣金件和焊接件装配体的壳体单元优化建模。按照壳体单元的要求建立模型，避免产生曲面之间的缝隙、重叠、错位等缺陷，统一FEA分析和CAD设计的建模思路，减少模型前处理，提高FEA分析效率和计算结果的精确性。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/16/2010)