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    1. 重慶鐵力士科技有限公司

      Chongqing Titlis Technology Ltd.



      有限元建模


      前處理的重要性

              有限元方法已經迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域。隨著數值分析方法的逐步完善和計算機運算速度的飛速發展,整個計算系統用于求解運算的時間越來越少,而數據準備(前處理)和運算結果的表現問題卻日益突出。前處理工作成為CAE工作的重中之重。為建立正確、合理的有限元模型,需要把握好模型的簡化、布局合理的網格密度以及確保網格的質量等。

             高質量的網格是高精度分析結果的保證,而質量不好或者差的網格,則可能會導致計算的無法完成或者得到無意義的結果。在一個完整的分析計算過程中,與網格設計與修改相關的前處理工作占到了CAE工程師工作量的60%-70%,CAE工程師往往要花費大量的時間來進行網格處理,所以主要的瓶頸在于如何快速準備好高質量的滿足分析計算要求的網格。

             準備高質量的分析模型是一件很費時間和精力的事情,而且要求前處理工程師能夠根據CAE工程師提出的分析要求設計出能滿足CAE工程師分析要求的合適的網格,然后提交給CAE工程師進行分析計算。所以前處理工程師應當具有相當的技術經驗和背景,才能完成高質量的網格。

      前處理的考慮因素

              理論上講,模型中使用的單元越多,結果就越接近真實結果。然而,我們不可能去分析無限多的單元,一方面是為了節省計算資源;另一方面需要找到計算的規模(網格數量)和計算的準確性之間的平衡。因此,前處理工程師需要從以下幾個方面進行綜合考慮:

              要進行什么類型的分析計算?非線性分析往往比線性分析有更嚴格的網格要求。例如滑動接觸問題可能需要一個更精細的網格來捕捉變化的狀態行為;高級材料,如塑性、超彈性等,通常需要更精細的網格來捕捉大應變梯度;大變形分析需要更精細的網格來適應分析過程中形狀的大變化

              關注的區域在哪里?如果事先知道關注區域在哪里,與其細化整體網格,不如將單元集中在關注的區域,粗網格通常足夠用于力傳遞,可以用于不需要應力信息的區域。如果事先不知道關注的區域,可先進行粗網格分析,確定后續分析中需要細化的區域。

              小特征將會如何影響結果?小孔、圓角、凸角、窄邊都將自動生成一個非常精細、局部化的網格。我們需要評估這些特性是否會影響分析:它是否在關鍵區域?它會影響加載路徑嗎?這些需要用戶在求解精度和時間中做出權衡。

              需要一個什么樣的結果?定性還是定量?對于線性分析,精確的位移結果不需要像應力結果那樣精細的網格——如果分析是為了確保位移不會太大,那么可以使用較粗的網格,如果分析需要評估結構的應力,在關鍵的區域需要加密網格。

               使用什么樣的單元?有些單元在彎曲時比較“剛”,需要在零件的厚度上加密網格來正確地捕捉彎曲行為。這類問題通常被稱為“鎖定”,原則上有中間節點的單元(二次單元)比線性單元更不容易被鎖定,但如果彎曲非常顯著,即使使用帶中節點的單元,也建議厚度上大于一個單元。此外,某些單元的形狀對變形更敏感。例如,一個六面體單元可以拉長,但仍然提供良好的結果。然而,一個四面體單元在一個方向上伸長時會產生小角度,這可能會提供不那么精確的結果。

              1. 復雜結構的中面網格,主要針對薄壁件尤其是汽車,航天航空,電子這個行業里大量存在,像手機、汽車上的儀表板、汽車的車身,這樣的結構件單元很薄,很難用實體單元來描述。用殼單元描述更合適一些。用殼單元描述,就首先要得到這個結構的幾何中面。一般來說像塑料件、薄壁件有一個共同的特點就是結構比較復雜,有很多的筋、圓孔等等。難度在于如何得到這個復雜結構的中面網格,幾何上有圓角、加強筋、圓孔等等,抽完中面之后,怎樣把它們連接起來;得到幾何之后如何保證高質量的面網格。

              2. 復雜結構的六面體,像結構體,譬如發動機的缸蓋、活塞、缸體、曲軸、轉向節、變速箱的殼體,這樣的結構最好的形式是用六面體,因為六面體精度比較高。六面體的生成完全依靠人工來完成,這就需要非常專業的工程師才能完成。

              3. 比較復雜的網格,就是流體網格CFD網格。流體網格幾何的外表面是封閉的,對于一個結構來說,比如整車,導彈的外流場,飛機等的外流場,有大量的曲面間隙需要去縫合修補,要生成面網格,還要考慮附面層,流體網格的特點是幾何清理極其復雜,工作量特別大,對附面層的質量要求非??量?。根據你選擇的不同的流體方程,附面層網格的質量有不同的要求。

      網格質量

              單元的質量是非常主觀的——一套網格在一組邊界條件和載荷下給出好的結果,在另一組邊界條件和載荷下可能給出糟糕的結果。然而,它依然不失為一個有用的工具來大致了解網格的質量好壞。下面列出了一些常見的質量度量標準:

              Aspect ratio。Aspect ratio是單元的最長邊與最短邊的比值。理想的單元具有1的長寬比,但是正如前面提到的,一些單元(如六面體)對大的高寬比不太敏感。

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             Skewness。Skewness衡量一個單元的面有多接近理想情況。值的范圍從0(理想)到1(退化)。它是通過比較實際單元的大小和理想單元的大小來計算的,理想單元的大小可以與原始單元在相同大小的圓內匹配。

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              Jacobian Ratio。該比值基于雅可比矩陣的行列式,在有限元分析中,雅可比矩陣用于將單元矩陣從理論形狀(如完全平方、三角形)轉換為實際形狀。理想單元的雅可比矩陣比為1,該值離1越遠,該單元網格質量也越差。

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       鐵力士科技的經驗

             鐵力士科技多年來承接了汽車、軌道交通、航空航天、醫學生物工程等多個行業的上百個項目,積累了豐富的工程經驗以及軟件使用經驗??梢詾榭蛻籼峁└哔|量的網格設計服務,可以熟練應用ANSA、HyperMesh、ANSYS和其他常用的網格劃分工具來進行網格生成,包括結構網格和流體網格,網格類型涵蓋了殼網格、四面體網格、六面體網格以及多面體網格等,在確保網格質量的前提下,實現快速及時的網格劃分,從而為您節省大量的時間和精力,使得您可以集中精力于實際工程問題的分析與求解。網格質量好、效率高。如整車(含白車身加閉合件、底盤、動力總成)的網格我們一般只需1個月左右時間完成。





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