基于Hypermesh的有限元前置优化设计

*+,-./-01 是一个高性能的有限元前后处理器 " 它能
让 ’(2 分 析 工 程 师 在 高 度 交 互 及 可 视 化 的 环 境 下 进 行 仿真分析工作 $ 它支持直接输入已有的三维 ’() 几何模 型 34567.8926’(:;( 等 < 和已有的有限元模型 " 并且导入的 效率和模型质量都很高 " 可以大大减少很多重复性的工 作 " 使得 ’(2 分析工程师能够投入更多的精力和时间到 分析计算工作上去 $
V)*/%&1&*(% W/&1*"’OOOOOOOOOOOO 图 % 最佳浇口位置 3"/$/%&’ %(& ()*/%&/W > .%&/)’/0&*(% W/&1*"’OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO 3"/$/%& *%&/)’/0&*(%’ > X7""8 (9/)"1::*%; /"/$/%&’ > !> <7:"*01&/ =/1$’ ?7)@10/ &)*1%;"/ 1’:/0& )1&*(OOOOOOOOOOOOOOOOOOO A*%*$7$ 1’:/0& )1&*( CDCJ,5CJ A1F*$7$ 1’:/0& )1&*( JD5-C,K, L9/)1;/ 1’:/0& )1&*( ,DGJCC>G A1&0N)1&*(OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO A1&0N )1&*( J-DCP 分析结果可以看出 ! 我们只要在 AU. 中做少许修改
格面的扭曲过大 ! 调整的难度也随之增高 ! 使得调整网格 质量变成枯燥乏味的重复性劳动 ! 花费的时间过长 " 经长 时间的修复工作后 ! 再进行最佳浇口分析 ! 如图 G " 由 于 这 种 发 生 畸 变 的 有 限 元 网 格 无 法 逼 近 RL< 模
&, $ 将 划 分 好 的 网 格 数 据 导 入到 AU. 中 ! 可以看到原先内角 相差太大 ’ 网格面过分扭曲的地 方和边节点没有位于边界等份点 附近的缺陷有明显改善 " 打开菜单 $/’N ’&1&*’&*0’ 我们 可以看到网格统计数据 (
-%$,%./$’’.% 0,12&23412.5 6$’275 .8 92521: ;<:&:51 .5 1(: =4’2’ .8 +",$%&$’(
>? @25ABC. ! DEFB +C2 ! >?G +.57
) ’8CC-P- 8E B-L1GNJLGC GND 2C-LI.JLGC " Q1-RJGNP 4NJS-.0JI+ 8E :-L1N8C8P+ " *GNPT18H "%$$%&> ’1JNG(
制造业信息化
!!"#$%&’#()"* +"$,(-%’),"%.)/!’),"
基于 !"#$%&$’( 的有限元前置优化设计
李金国 ! 王 慧! 刘 红 ! 浙江工业大学 机电工程学院 " 浙江 杭州 "#$$%& #
摘 要 ’ 网 格 质 量是 指 网 格几 何 形 状的 合 理 性 " 网 格 质 量不 好 将 影响 计 算 精度 " 甚 至 会中 止 计 算 $ 因 此 " 工 程 师 往 往 在 !"# 分析工程中要花费大量的时间来建立有限元模型和修改模型 $ 作为一个高性能的有限元前后处理器 "$%&’()’*+ 有效地解决了有限元软件存在的前后置处理的问题 " 大大提高了生产率 $ 文中给出了 ,-./0.-1 模流分析前处理实例 $ 关键词 ’ 网格质量 & 有限元模型 & $%&’()’*+& ,-./0.-1 ! $##’( #(%#"$)%#$ 中图分类号 ’2$345 文献标识码 ’! 文章编号 ’"##$%$&&&
型 ! 导致有限元分析结果出错 " 这时 ! 就必须定义新的网 格系统 ! 即进行网格再划分 ! 才 能 继 续 进行 有 限 元 模 拟 分析 " 所需的时间过长 ! 影响了生产效率 "
?4N/$/ \8 &N/ LW91%4*%; X)(%& A/&N(W )# *$ R($$7%*41&*(%’ *% ]7$/)*41" A/&N(W’ *% 3%;*%//)*%; ! C--K !CG^ GG2M5I
!
实例分析 本文采用一个简单的流体分析实例来具体演示整个
优化过程 $ 选用的注塑件为手机外壳 " 对于手机外壳这 种结构复杂的注塑件 " 采用传统的手工设计方式来选择 浇口数量与位置 " 必须反复修模 % 试模 " 开发周期长 " 成本 高 $ 因此在试模之前需要进行模流分析 " 建立有限元模 型 " 选择合理的浇口位置 " 并分析缺陷 $ 本文采用两种方 案进行试验 $
*
+",$%&$’( 网格生成的基本方法
在建立和编辑有限元模型方面 "*+,-./-01 提供用户
一整套完善的 % 高度先进的 % 易于使用的工具包 $ 对于 =) 和 ") 有限元建模 "用户可以使用各种网格生成模板以及 强大的自动网格划分模块 $ 并且 *+,-./-01 的自动网格 划分模块提供用户一个智能的网格生成工具 " 该模块会 自动 地 先 对 分 析 域 生 成 的 粗 略 网 格 进行 有 限 元 求 解 " 从 解的结果判断求解区域哪个地方的结果或结果的梯度较 高 " 再 在 该 处 局 部 细 化 网 格 " 如 此 反复 进 行 " 直 至 网 格 密 度分布合理为止 $ 在生成网格的同时 " 该算法还不断地对 网格进行交叉处理 % 边界的光滑处理 % 网格的整合和光 顺 " 直到最佳网格的生成 $ 并且这种算法具有较高的边界
)
引
言
灵敏度 > 能较好地拟合边界形状 " 得到的边界单元形状较 好 > 网格接近方形单元 " 是一种较好的网格生成算法 $
划分网格是建立有限元模型的一个重要环节 " 它要 求考虑的问题较多 " 需要的工作量较大 " 所划分的网格形 式对计算精度和计算规模直接产生影响 $ 所以采用一个 功 能 强 大 " 使 用 方 便 灵 活 " 并 能 够 与 众 多 ’() 系 统 和 有 限 元 求 解器 进 行 方 便 的 数 据 交 换 的 有 限 元 前处 理 工 具 " 对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的 意义 $
’7)@10/’ ();1%*T/ =8 @/1&7)/ 将小曲面片合并成规则的大曲
面片 ! 压缩不必要的线条 ! 提高曲面质量 " 通过一系列的 模型修复工作后 ! 进行网格自动划分 ! 调整对应边的节点 数 ! 使不规则的网格变得规则 " 这些操作非常简便 ! 因此 不需要花费太长时间 " 调整好网格后 !打开网格曲面可以 看到网格质量明显提高 ! 如图 ! "
!"#
方案 % 直接将模型导入 B8CDEC8F 模流分析软件 & 先进行网
格自动划分 " 再进行网格 GHI8 .-,GJ. 和 EJK G0,-LI .GIJ8 得 到如图 % 的网格 $ 图中网格各边和各个内角相差太大 % 网格面过分扭 曲 % 边节点没有位于边界等份点附近而且细长比大 " 锥度 比 %内角 %翘曲量 %拉伸值 %边节点位置偏差等都超出指标 $ 在 /-01 0IGIJ0IJL0 中可以看到网格统计结果如下 ’
"#$%&’(%" B-01 UHGCJI+ .-E-.0 I8 I1- .GIJ8NGC /-01 P-8/-I.+ 01G,-V B-01 UHGCJI+ FJCC JNECH-NL- I1- ,.-LJ0J8N 8E LGCLHCGIJNP> GND ,88. /-01 UHGCJIJC+ FJCC -S-N 0I8, LGCLHCGIJ8NV :1-.-E8.- " I1- -NPJN--. 018HCD 0,-ND G C8I 8E IJ/- 8N 0-IIJNP H, EJNJI-C-/-NI /8D-C GND .-SJ0- /8D-C0 JN ’(2 ,.8R-LI 8E GNGC+0J0V (0 G EJNJI- -C-/-NI 7.8L-008. FJI1 1JP1 O,-.E8./GNL-> *+,-./-01 -EE-LIJS-C+ 08CS-0 I1- ,.8WC-/0 8E ,.-,.8L-008. GND ,80I,.8L-008. -KJIJNP JN EJNJI- -C-/-NI 08EIFG.- " GND P.-GIC+ J/,.8S-0 ,.8DHLIJSJI+ V :1J0 I-KI FJCC GD8,I B8CDEC8F ,.-,.8L-008. I8 ,.8S- JIV )*+ ,-&.$ " /-01 UHGCJI+X EJNJI- -C-/-NI /8D-CX *+,-./-01X B8CDEC8F
M.J-NIGIJ8N D-IGJC0OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO
!"#
机械工程师
$##’ 年第 ( 期
!!"#$%&’#()"* +"$,(-%’),"%.)/!’),"
制造业信息化
图+
,%-%&./ ’%()
图0
纵横比诊断
图1
"#$ 重生成网络

图2
重生成的纵横比
!"#$#%&’ %(& ()*#%&#+ ,.%&/)’/0&*(% +#&1*"’222222222222222222222222222 3"/$/%& *%&/)’/4&*(%’ 5, 67""8 (9/)"1::*%; /"/$/%&’ , !> <7:"*01&/ =/1$’ ?7)@14/ &)*1%;"/ 1’:/4&)1&*( 2222222222222222222 A*%*$7$ B’:/4& )B&*( CDC5,5-, EBF*$7$ B’:/4& )B&*( GHI,H5JK L9#)1;# 1’:#0& )1&*( 5IMJ5C5A1&0N )1&*(O222222222222222222222222222222222 A1&0N )1&*( 5JI5P 分析结果显示网格中没有定向单元 ,- 个 ! 单元相交 叉个数为 5, 个 ! 这是有限元建模中所不允许的 " 网格纵 横比最大值为 GH 已经超过 5 ! 而且网格的匹配率没有超 过 JHP ! 计算结果偏差大 " 因此在 A("+@"(Q 中利 用 $/’N &(("’ 网格修复工具 ! 调整纵横比 ! 修复网格面 " 但由于网
S8:/)$/’N 能够与众多 RL< 系统和有限元求解器进行方
图! 浇口位置设计 图!
"#$%&’%() 有限元前处理
便的数据交换 ! 对于提高有限元分析工作的质量和效率 是非常有意义的 %
) 参考文献 * )"* RN1% R Y! L%1’&1’*(% ZD L% L7&($1&*4 Y/&)1N/W)1" A/’N [/%/)1&*(%
!+,-./-01 也可 以 快 速 地 用 高 质 量 的 一 阶 或 二 阶四
面体单元自动划分封闭的区域 $ 四面体自动网格划分模 块应用强大的 (?@A 算法 $ 用户可以根据结构和 ’?) 建 模需要来单元增长选项 % 选择浮动或固定边界三角形单 元和重新划分局部区域 $ 同时可以交互调整每一个曲面 或 边界 的 网 格 参 数 " 包 括 单 元 密 度 % 单 元 长度 变 化 趋 势 % 网格划分算法等等 $ 因此 " 可以说 !+,-./-01 的网格优化 处理方法优于传统的有限元网格处理方法 $
)% * )’ * )! * 杜 平 安 $ 有 限 元 网 格 划 分 基 本 原 则 )# *$ 机 械 设 计 与 制 造 !%&&&_ #" $(’!(’)$ 呙 嘉 妮 $ 有 限 元 网 格 自 动 生 成 的 并 行 区 域 划 分 算 法 )*+‘,- *$
!"#
方案 , #C $ 将 手 机 RL< 模 型 导 入 到 S8:/)$/’N 中 ! 进 行 有 限元建模% 先进行曲面自动缝合! 去除间隙! 再利用
就可以进入求解器 % 大大节省了建立有限元模型的时间 % 从图 K 可以看出分析的最佳浇口位置很合理 %
*
结
论
通过以上一个具体实例 ! 可以看出 S8:/)$/’N 软 件 是有限元前置处理的好帮手 % 特别是对于大型 ’ 复杂的模 型 ! 如果直接在有限元软件中进行前处理 ! 不但花费时 间 ! 而 且 修 改 后 模 型 产生 了 畸 变 ! 直 接 影 响 计 算 精 度 %