基于Pro_E预处理的ProCAST有限元网格生成方法_饶磊

图 3 MeshCAST 面网格和体网格 Fig． 3 Surface Mesh and volume mesh of MeshCAST
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表 1 MeshCAST 面网格文件信息
Tab． 1 Surface mesh files information of MeshCAST
命令 单元 材料 材料 A 节点 B 节点 C 节点
基于 Pro / E 预处理的 ProCAST 有限元网格生成方法
饶磊，李小龙，胡启耀，朱炼兵
（ 南昌大学 机电工程学院，江西 南昌 330031）
摘要：对铸件模型进行有效的网格划分是进行铸造过程数值模拟研究的前提和关键，在使用 ProCAST 的前处
理模块进行复杂铸件网格划分过程中就时常遇到困难。介绍了一种基于 Pro / E 与 ProCAST 有限元网格传递的网
表 2 ANSYS 单元文件信息
Tab． 2 Elements file information of ANSYS
命令 单元 I 节点 J 节点 K 节点 L 节点
代码 编号
EN 1
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EN 2
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EN 3
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由于 Shell43 单元是四节点单元，无法与 MeshCAST 兼容的三节点单元对应，如将 Shell43 单元中 的 2 个节点合并为一个节点的话，那该四节点壳单 元就退化成为三节点单元，能够与 MeshCAST 的三 节点单元对应。对比表 1 和表 2 中的节点值可以看 出，MeshCAST 生成的面网格与 ANSYS 流文件中单 元节点信息存在对应关系，即 A 节点对应 I 节点，B 节点对应 J 节点，C 节点对应 K、L 节点。从表 2 中 可以看出： 经过转换，Shell43 单元中的 K、L 节点号 均相同，即合并成为一个节点。通过这种单元节点 对应 关 系，将 ANSYS （ * ． ans ） 数 据 文 件 导 入 MeshCAST中，既可 保 证 网 格 划 分 的 质 量，又 确 保 了 数据接口的完整性。
2． 2 数据转换格式研究 本文分别对 ProCAST 中 MeshCAST 模块生成的
网格文件及 Pro / E 中 Mechanica 模块生成的网格文 件的研究发 现，MeshCAST 划 分 网 格 过 程 中 生 成 2 种格式的文件，一种是三角形单元面网格文件（ * ． sm） ，另 一 种 是 四 面 体 单 元 的 体 网 格 文 件 （ * ． mesh） ，如图 3 所示。网格生成中必需先生成面网 格后才能生成体网格，因此模型的面网格生成质量 直接影响到了后续的体网格生成，其面网格单元文 件（ * ． sm） 格式如表 1 所示。Pro / E 中 Mechanica 模块能生产多种类型的面网格文件，其中 ANSYS 表 面网格命令流文件* ． ans 包含了详细的面网格节 点和单元信息，对其研究发现，其采用了 ANSYS 中 的 shell43 四节点壳单元，单元结构形态如图 4 所 示，命令流文件（ * ． ans） 中包含的节点和单元信息 如表 2 所示。
编码 编号 种类 类型
30 3
2
1
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30 17
2
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第3 期
饶磊，等： 基于 Pro / E 预处理的 ProCAST 有限元网格生成方法
·271·
图 4 Shell43 四节点单元 Fig． 4 Shell43 element with 4 nodes
收稿日期：2010 － 12 － 01
基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51165030） 作者简介：饶磊（ 1975—） ，男，副教授，博士，rao_lei@ 163． com。 引文格式：饶磊，李小龙，胡启耀，等． 基于 Pro / E 预处理的 ProCAST 有限元网格生成方法［J］． 南昌大学学报： 工科版，
过程序转换到 MeshCAST 模块中，本文采用 Visual Basic6． 0 开发了网格转换程序，提取出 Pro / E 生成 的命令流文件中所包含的节点坐标和单元信息，按 照 MeshCAST 面网格文件格式转换为 ProCAST 能够 识别的面网格文件（ * ． sm） ，程序界面如图 6 所示。 最后将转换好的面网格文件在 MeshCAST 中打开， 如图 7 所示，并继续进行体网格划分及后续预处理 工作。
Key Words： finite element mesh； interface； Pro / E； ProCAST
随着铸造过程数值模拟技术的发展，各类铸造 数值模拟软件得到了广泛的应用［1］。其中 ProCAST 就是一款基于有限元方法的专业铸造分析软件，能 进行铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、 应力场等的模拟分析，适用于多种类型的铸造过程 仿真［2 － 3］。由于 ProCAST 软件包不具备实体建模功 能，需要由第三方软件导入铸件实体模型，导入的模 型需通过 ProCAST 的网格划分模块 MeshCAST 进行 表面网格和体网格划分。在使用中发现，实体模型 的形状特征、网格的大小、模具装配面的设置都会影 响网格划分的成功率及划分质量。对于一些壁厚不 均匀、细部结构复杂、交汇线或面过多的铸件模型， 通常需要反复进行点线面的合并、偏移、修剪以及删
Abstract： The effective grid division to the casting model is the premise and key factor to conduct casting process numerical simulation research． Many difficulties are appeared when conduct grid division of the complex casting by preprocess module of ProCAST． In this paper，a kind of grid transmission method based on Pro / E and the ProCAST finite element analysis is introduced． The solid and mesh model are created in the Pro / E platform． Surface mesh is transmitted to the preprocess module of ProCAST，the nodes and elements information is acquired in ANSYS stream file． Grid division limitation is overcome greatly in ProCAST． High quality mesh is created by this method with higher success ratio． It provides a new way to get mesh model of large-scale and complex casting．
2． 1 Pro / E 面网格划分 Pro / E 参数化软件是美国参数技术公司的重要
产品，是现今最成功的 CAD / CAM 软件之一，在三维 造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界 机械 CAD / CAE / CAM 领域的新标准而得到业界的 认可和推广［9］。其中的 Mechanica 分析模块具有强 大的有限元分析功能。本文就是借助 Pro / E 强大的 实体建模功能及网格划分功能进行铸件及浇注系统 模型的建立及表面网格的划分，为后续在 ProCAST 中的分析提供基础。
网格生成中必需先生成面网格后才能生成体网格因此模型的面网格生成质量直接影响到了后续的体网格生成其面网格单元文sm格式如表mechanica模块能生产多种类型的面网格文件其中ansysans包含了详细的面网格节点和单元信息对其研究发现其采用了ansysshell43四节点壳单元单元结构形态如图ans中包含的节点和单元信息如表meshcast面网格和体网格fig
通常使用 MeshCAST 对导入的模型进行网格划 分，需要进行以下几个步骤： 1） 进行线和面的几何 修复； 2） 对表面网格进行修复； 3） 生成四面体网格 并进行局部修复。这几个操作步骤需要反复进行， 有时还难以找到问题的原因，给操作者带来了困难。 图 1 所示的为 UG 环境下造型的轴端盖铸件浇注系 统及模具。从图 2 中可以看出： 将几何模型导入 MeshCAST 进行网格划分时，出现了许多的交叉网 格划分错误，经过大量的合并、偏移、修剪以及删除 等操作也较难顺利进行体网格操作，影响了后续模 拟分析的进行。
2． 3 网格转换方法 首先在 Pro / E 平台下完成铸件、浇注系统及模
具的三维造型，将模型转入到 Mechanica 环境下进 行前处理。第 1 步先设置模型中各个部件的材料类 型及材料性质，由于 Pro / E 中的材料库与 ProCAST 的材料库无法共用，此处设置的材料属性将不会带 入到 ProCAST 中，可以忽略。第 2 步就是完成网格 单元设置，可以根据模型的实际形状、尺寸和特殊要 求进行单元大小设置。在面网格划分过程中，Pro / E 的结构分析模块提供了三节点和四节点网格，为了 和 ProCAST 三角形网格单元兼容，必须选择三节点 单元完 成 面 网 格 划 分，如 图 5 所 示。第 3 步 进 行 ANSYS 命令流文件的生成。选择 Mechanica 模块中 的 ANSYS 求解器，形成包含了节点坐标和单元信息 的* ． ans 文件。然后将 ANSYS 中的命令流文件通
2011，33（ 3） ： 269 － 272．
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南昌大学学报（ 工科版）
2011 年
1 ProCAST 网格划分
2 Pro / E 与 ProCAST 数据接口
MeshCAST 是 ProCAST 软件包中的网格划分模 块，其网格质量的好坏直接影响后续工作的开展和 模拟精度。由 于 大 多 数 三 维 造 型 软 件 与 ProCAST 之间没 有 专 用 接 口，通 常 采 用 标 准 格 式 文 件 （ 如 IGES、STEP、STL 等） 进行数据交换［4 － 8］。因此进行 几何模型以及数据文件格式转换时容易造成几何模 型失真、缺面、丢边等问题，尤其在棱角、小凸台、实 体相贯边界处，导致网格划分难以完成。当铸件模 型比较复杂，同时模型中包含了多种材料时，往往会 因为在实体接触面上产生交叉面网格，无法进行体 网格的划分。
第 33 卷第 3 期 2011 年 9 月
南昌大学学报（ 工科版） Journal of Nanchang University（ Engineering ＆ Technology）
文章编号：1006 － 0456（ 2011） 03 － 0269 － 04
Vol． 33 No． 3 Sept． 2011
关键词：有限元网格； 接口； Pro / E； ProCAST
中图分类号：TP391
文献标志码：A
Interface Method of ProCAST Based on Pro / E Preprocess
RAO Lei，LI Xiao-long，HU Qi-yao，ZHU Lian-bing
（ School of Mechatronics and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）
除等操作，耗费大量的时间和精力，有时还无法顺利 完成网格划分。统计表明： 对于大型复杂铸件，在实 体建模和网格划分上花费的时间往往超过 2 /3，但 成功率还达不到 60% 。为了改善 ProCAST 软件在 实体建模和网格划分方面的不足，简化操作步骤，提 高网格模型创建效率，本文研究了Pro / E 与ProCAST 有限元网格传递接口形式，通过在 Pro / E 平台上完 成实体模型的创建和面网格划分工作，而后传递到 ProCAST 前置处理模块中进行后续处理。这极大地 克服了 ProCAST 网格划分的局限性，网格生成质量 好，成功率高，为大型复杂铸件的网格模型生成提供 了一种新的途径。
格生成方法，在 Pro / E 平台上完成实体模型的创建和面网格划分工作，而后通过提取 ANSYS 命令流文件中的节点
和单元信息将面网格模型传递到 ProCAST 前置处理模块中进行后续处理。这极大地克服了 ProCAST 网格划分的
局限性，网格生成质量好，成功率高，为大型复杂铸件的网格模型生成提供了一种新的途径。