搜索有限元網格生成方法
2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: 李瑞明 郭連水 王巧暇 范素梅 程軍梅 那佳 來源: 萬方數據
關鍵字: 螺紋聯接 有限元網格劃分方法 混合網格劃分 自由網格
(l)復雜裝配休各零部件的聯接關系
對復雜裝配體各零部件的聯接關系的模擬,直接關系到仿真計算的準確程度。聯接關系主要有固連、焊接、螺紋聯接、接觸等。采用何種關系模擬,視具體情況及計算結果的精度要求而定。
(2)復雜腔體和薄殼體的網格劃分
復雜腔體和薄殼體是抽取中面采用2D殼單元來模擬還是采用3D實體單元來模擬;若采用3D實體單元,是采用四面體單元(單元數目多,質量差,計算費時且精度較六面體為差),還是采用映射、掃掠等方法劃分為六面體單元。這些都是需要解決的問題。
(3)螺釘、螺栓的網格劃分
對于螺釘、螺栓,也要依具體要解決的問題考慮是采用2D桿單元還是3D實體單元;若采用后者,因為復雜裝配體的單元及節點數目本身就已非常大,所以必須考慮怎樣才能將數目多、質量差的四面體單元轉化為數目較少、質量較高的六面體單元。
本文研究了帶有螺紋聯接的復雜裝配體模型的網格劃分方法,同時將采用自由網格劃分和混合網格劃分生成的有限元模型進行比較。
2 復雜裝配體有限元網格生成方法
復雜裝配體有限元網格生成方法可歸納為如下三個方面:
2.1 復雜裝配體各零部件的聯接關系的處理方法
由于要涉及到靜態接觸非線性及模態和隨機振動分析,且螺釘、螺栓是一個重要的關注焦點,所以螺紋聯接的模擬,采用三維螺栓、螺釘簡化模型(省略廠螺紋)和螺栓預緊單元;而接觸的模擬,采用氣維接觸單元。
2.2 腔體、薄殼體的網格劃分方法
由于要計算3D螺釘、螺栓,所以腔體、薄殼體的網格劃分也要采用3D實體單元。同時為減少整體單兀的數目并提高網格質量,將零部件分割成規則形體再掃掠劃分網格可以將網格全部劃分為六面體。
2.2.1 腔體劃分方法
已經建好的三維復雜實體,如果其在某個方向上的拓撲形式始終保持一致,則可用(人工或全自動)掃掠網格劃分功能來劃分網格;這種方式形成的單元幾乎都是六面體單元。通常,采用掃掠網格劃分方式形成網格是一種非常好的方式,對于復雜幾何實體,經過一些必要的切分、粘接處理,就可以自動形成規整的六面體網格,它比映射網格劃分方式具有更大的優勢和靈活性。
現舉例說明。如圖1(a)所示的腔體劃分網格時可先將其構造封閉環面,切分為內外兩層(如圖1(b)所示);再將外面的一層切分為上卜兩層(如圖1(c)所示);之后可以分別采用掃掠網格劃分。
2.2.2 薄殼體劃分方法
將帶有螺紋孔的薄殼體模型切分為螺紋孔處和其它部分,切分之后將各部分粘接在一起,使之在單元網格上保持連續;之后可以分別采用掃掠網格劃分。現舉例說明如下:圖2(a)所示為薄殼體主視圖,在其螺紋孔附近構造圓柱面或圓柱面的一部分,其它部分再切分成小塊,可切分成圖2(b)所示的若干殼體的粘接體,這樣各部分都可掃掠劃分,從而可保證對單元數目及單元質量的有效控制。
2.3 螺釘、螺栓的網格劃分方法
采用將螺桿柱面延伸至螺釘(螺栓)頭端面,再用此柱面切分整個螺釘(螺栓)的方法將螺釘(螺栓)切分為內外兩層,之后將切分后的兩個子實體粘接在一起就可以分別采用掃掠網格劃分了。現舉例說明:圖3(a)所示為螺釘實體模型,圖3(b)所示為切割后的爆炸視圖,圖3(c)所示為網格劃分后的結果。
3 實例驗證
以XX型號部件為例來驗證文中所述網格劃分方法。分別采用自由網格劃分方法及本文所述的混合網格劃分方法對其進行網格劃分。
3.1 采用自由網格劃分方法
自由網格劃分是自動化程度最高的網格劃分技術之一,它在面上(平面、曲面)可以自動生成三角形或四邊形網格,在體上自動生成四血體網格。通常情況下,可利用ANSYS的智能尺寸控制技術(SMARTSIZE命令)來自動控制網格的大小和疏密分布,也可進行人工設置網格的大小(AESIZE,LESIZE,KESIZE,ESIZE等系列命令)并控制疏密分布以及選擇分網算法等(MOPT命令)。對于復雜幾何模型而言,這種分網方法省時省力,但缺點是單元數量通常會很大,計算效率降低,且這種方法對于三維復雜模型只能生成四面體單元。如果選用的是六面體單元,則此方法自動將六面體單元退化為階次一致的四面體單元,因此,最好不要選用線性的六面體單元,因為該單元退化后為線性的四面體單元,具有過剛的剛度,計算精度較差;如果選用二次的六面體單元,由于其是退化形式,節點數與其六面體原型單元一致,只是有多個節點在同一位置而已,因此,可以利用TCHG命令將模型中的退化形式的四面體單元變化為非退化的四面體單元,減少每個單元的節點數量,提高求解效率zo裝配體模型采用自由網格劃分后,得到如圖4所示的有限元模型(圖4(a)為整體模型,圖4(b)為其中的螺釘模型)。
3.2采用混合網格劃分方法
混合網格劃分即在幾何模型上,根據各部位的特點,分別采用自由、映射、掃掠等多種網格劃分方式,以形成綜合效果盡量好的有限元模型。采用混合網格劃分(體分別按如上方法切分、掃掠,面則自由劃分)后,得到了如圖5所示的有限元模型。
采用自由網格劃分和混合網格劃分得到的單元及節點等相關數據,列表對比如下 從上表的數據中可以看出:自由網格劃分單元數目比混合網格劃分單元多近100萬個,且單元為四面體;單元階次也比混合分網要低,其單元質量比混合網格(六面體)劃分要差。
4 總結
為了提高計算精度和減少計算時間,應首先考慮對適合掃掠和映射網格劃分的區域先劃分六面體網格,這種網格既可以是線性的(無中節點)、也可以是二次的(有中節點),如果無合適的區域,應盡量通過切仆等多種布爾運算手段來創建合適的區域(尤其是對所關心的區域或部位);其次,對實在無法再切分而必須用四面體自由網格劃分的區域,采用帶中節點的六面體單元進行自由分網(自動退化成適合于自由劃分形式的單兀),此時,在該fx:域與已進行掃掠或映射網格劃分的區域的交界面上,會自動形成金字塔過渡單元(無中節點的六面體單元沒有金字塔退化形式),
總之,綜合運用多種手段建立起高質量、高計算效率的有限元模型是極其重要的,這里介紹的僅僅是很少一部分,必要時還可以借助專業的網格劃分軟件(Hypermesh等);而對許多工程問題的不斷摸索、總結和驗證才是最能保證高效處理復雜模型的手段。
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