壳体单元网格的产品建模策略

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,如图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,如图9所示;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10),以保证模型的正确连接。

  3.复杂装配体的设计规划思路(见图11)

  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。