基于LS-DYNA和TrueGrid的组合应用解决方案

随着计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的进步,有限元数值分析在结构、热场、声场、流体、电磁场以及多场耦合分析中的能力不断得到拓展。而在利用有限单元法进行分析和设计的过程中,模型有限单元网格的划分作为其前处理的必要过程,则是一项非常重要而复杂的工作,网格质量的好坏将直接影响到求解的时间和结果的准确性。尤其对于显示有限元计算,结果精确性对网格质量非常敏感。LS-DYNA是最著名的显式有限元求解器,TrueGrid是一种功能强大易学的专业网格生成前处理软件。因此,利用前处理软件TrueGrid与显式求解器LS-DYNA相结合可以充分发挥两者的性能,为科学研究和工程应用提供强大的CAE平台。

1.1 TrueGrid 功能及应用简介

TrueGrid是一套优秀的、功能强大的通用网格生成前处理软件。它可以方便快速生成优化的、高质量的、多块结构的六面体网格模型。作为一套简单易用,交互式、批处理前处理器,TrueGrid支持三十多款当今主流的分析软件。使用TrueGrid 软件可以仅仅花费数天时间便完成了使用其它网格生成软件通常需要花费几个月时间的工程项目。

TrueGrid 提供了工业界最先进的映射网格划分功能, 使用户快速完成他们想做的工作,迅速而有效地创建顶级优质的网格模型。TrueGrid基于投影几何学的投影方法,免去了设计者指定结构体积详细信息的需要,而这往往是其它CAD导向网格生成器所必需的。而且,这种精确的投影方法能够处理复杂的几何结构,表面和曲线可以有无限制的任意曲率。用户只需选取表面,TrueGrid 会完成其余的工作。

TrueGrid创立的网格模型可以导入到有限元或有限差分软件中进行模拟计算。TrueGrid提供了很多网格优化工具,例如多线性插值、无限插值、椭圆求解器。网格生成后,TrueGrid还提供了很多诊断工具辅助分析网格的质量。此外,TrueGrid不仅仅是一个网格生成工具,它还可以针对大多数分析软件生成输入文件。在TrueGrid中定义网格的同时,用户可以指定有限元网格模型的物理特性、材料参数及其他与网格划分无关的一些模拟参数。一旦完成了整个网格的划分工作,TrueGrid会自动生成输入文件。

图 1 导弹弹体网格(上图为外部网格,下图为内部网格)

由于TrueGrid 出色的有限单元网格划分功能,使它在航空航天、汽车、制造行业等结构有限元分析的前处理上得到了非常广泛的应用。图1为TrueGrid 生成的导弹弹体网格,模型分为内外两层,网格密度从中心到外壁分为3个层次,在保证计算精度的基础上降低了计算成本。

1.2 LS-DYNA简介

LS-DYNA 是世界上著名的通用显式动力分析程序,能够模拟真实世界的各种复杂问题,特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题,同时也可以求解传热、流体及流固耦合问题,在工程应用领域被广泛认可为。

LS-DYNA求解器是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(140多种材料动态模型)和接触非线性(50多种)有限元程序。它以Lagrange算法为主,兼有ALE和Euler算法;以显式求解为主,兼有隐式求解功能;以结构分析为主,兼有热分析、流体-结构耦合功能;以非线性动力分析为主,兼有静力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算);军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元求解器。

LS-DYNA在求解过程中,是以差分代替微分进行迭代计算,需要小的时间步长来保证计算稳定性。而时间步长的确定与单元的大小有着直接的关系。因此,高质量的网格对提高LS-DYNA求解的效率以及结果的精确性有很大的帮助。

1.3 TrueGrid 与 LS-DYNA的结合

在三维有限元仿真领域,六面体单元是受到一致的认同的首选单元。其原因在于与四面体单元相比,六面体单元具有更好的力学性能,达到同样的精度,所需的六面体单元和节点数远小于四面体单元,可以大大节省计算时间。

目前,六面体网格的生成主要由二维四边形有限元网格扫描、拉伸、旋转等几何变换而形成六面体网格。这种方法难度低,比较容易实现,在当前大多数商业CAE软件或前处理软件中使用。但该方法缺点明显:只能用于形状简单的结构,对于一些细部结构,如倒角、孔等无法处理,常常需要将细部结构删除再进行网格划分,或者将复杂结构大量简化后再求解分析。而在工程应用中,一些细部结构常常起到如减小应力集中、改善应力分布的作用,去除细部结构进行建模的方法会对计算结果的准确性产生影响。

TrueGrid 使用先进的代数法网格生成技术,在网格节点分布上引入算法,将计算区域上均匀分布的网格,通过变换,映射为物理区域上的坐标。因此无论是大型零件,多体结合还是微小复杂的细部结构,都可以便捷快速地进行网格映射处理。此外,TrueGrid 还可以完成LS-DYNA前处理中,包括part定义,材料参数设置,边界条件设定等工作。

图 2 快捷的细微结构处理方法

作为通用的显式有限元求解器,LS-DYNA可以求解撞击、跌落、成形、爆炸等问题;TrueGrid是一种功能强大的专业六面体网格生成软件,生成网格速度快、质量高,因此,利用前处理软件TrueGrid与显式求解器LS-DYNA相结合可以充分发挥两者的性能,为科学研究和工程应用提供强大的CAE平台。

2. 应用实例

2.1 应用实例1——车辆后轮毂冲击载荷下的应力分析

该实例为TrueGrid与显式求解器LS-DYNA相结合分析车辆后轮毂在复杂历程冲击载荷下的应力分布状况。车辆后轮毂是影响车辆安全运行的重要零件,如图3所示,因此利用CAE软件对其进行全面分析十分必要,但由于后轮毂具有外形复杂,包含通孔、沉孔等细部结构,因此传统方法是对它进行四面体网格划分,这样在相同的计算成本下,结果的精确就会受到影响。

图 3 后轮毂实物图