有限元网格划分对零件热力学分析的影响研究

有限元网格划分对零件热力学分析的影响研究
张蓓，陈帆
(武汉软件工程职业学院，武汉430205 )
摘要：网格划分在零件热力学模拟中是重要前处理环节，文中针对塑料模具型芯零件，采用了不同的网格划分方式，比
对该模型有限元计算结果，讨论网格划分方式及网格密度对零件热力学分析产生的影响。

关键词：有限元;网格划分;热力学分析中图分类号:TG 156.34
文献标志码:A
文章编号：1002-2333(2016)12-0140-03
Influence of Mesh Generation on FEM Analysis of Thermodynamic Simulation
ZHANG Bei, CHEN Fan
(Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205, China)
Abstract ： Mesh generation is a very important pre-treatment part in thermodynamic modeling of components . This paper
studies mesh generation of a plastic mold part . Comparing with the results of finite element calculations , the effects of mesh generation types and mesh density on the thermodynamic analysis of components are investigated .Keywords ： FEM ; thermodynamic analysis ; mesh generation
1
分析模型的建立
结构复杂的模具工作部位零件，在进行有限元热处
理模拟时，常遇到模型网格划分的难题，例如:过多的孔 洞和曲率圆弧过渡造成面连接处的错位现象，使得手动 网格划分或是扫略划分方式失败[1_2];图1中是塑料模具型 芯零件，具有此类结构特征，采用ANSYS Workbench 的自 由网格划分方式建立网格，在设定的参数条件下，进行瞬 态热分析，获得结构热应力随时间步长的变化关系。

2
网格划分零件模型呈圆 锥式外形，顶部有 螺旋结构，采用
Solid 70 3-D 实体热 单元，保证模型内 匀速的热流传递， 使结构等效应力计 算相对稳定。

模型
共93个面，若手动划分则会带来大量的工作量和计算时长％ 因此本研究中采用了四面体自由网格划分和六面体自由 网格划分方式，并对关键部位网格加密，在同等条件下开 展模拟分析，获取瞬态温度场和结构等效应力的计算结 果。

图2是两种网格划分方式在加密前后的节点密度分布 情况，四面体网格划分节点分布均勻，模型顶部螺旋部分 的过渡面网格衔接良好，在网格加密前后节点分布变化不 明显;而六面体网格划分呈现明显的网格疏松现象，加密
后才趋于均匀，但是网格密度仍较四面体划分疏松。

3
网格质量评价
实践证实，采用ANSYS Workbench 网格划分工具所
建立的自由网格通常都能满足计算需求[5_\通过对网格
(a)四面体自由网格划分 （b)四面体网格加密
(c )六面体自由网格划分 （d )六面体网格加密
图
2
四组网格划分
3D-节点密度分布图
质量进行了单元质量、纵横比、翘曲因子和彳质斜度四项检
查，得到表1中的评价参数:其中四面体划分网格均存在 与平面之上，不存在翘曲；网格在加密后单元质量水平相 当，其中采用六面体自由划分的网格质量缺陷指数偏高; 网格质量缺陷通常会影响模型计算结果，以下将结合结 构等效应力的计算结果来综合评价。

4
网格划分方式对结构等效应力计算结果的影响 4.7计算路径的确定
表1
网格质量评价
网格质量评价参数
单元质量
纵横比
翘曲因子
倾斜度
四面体自由0.5734
3.785400.5982四面体加密0.6346 3.214500.5190六面体自由0.375412.22457.50.7203六面体加密
0.6346 3.214500.5190
140
2016 年第 12 期网址: 电邮：
hrbengineer@
〇四面体自由
*四面体加密
图5同一路径等效结构应力取值
有限单元能够提取的计算结果是节点解[8]，由于几种 网格划分方式不同，因此模型上同一个区域节点的位置 与数量都存在差异;为了进行计算结果的比对，在模型的 纵轴方向的圆柱表面设置了一条路径(图3 )，将计算结果 映射到该路径上，保证了在节点数目不一致的情况下，读 取模型不同网格划分时同一区域的计算结果。

4.2 等效结构应力的 结果比对
等效结构应力是在 建立模型温度场的基础 上进行计算的，针对金 属零件的瞬态热分析， 其现实意义是预测在设
定条件下进行热处理过 程中的零件的各个部位
在不同的时间点下温度和应力的变化情况[94()]。

图4是采 用六面体自由网格划分在加密前后的等效应力分布云 图，可以看出，网格加密后，应力大小在复杂的过渡面及 轴向圆柱面处呈现出更微小的区别，而这些区别在加密 前并没有体现出来。

表2同一路径等效结构应力取值的收敛性
图3
映射路径轨迹
从映射于同一路径的等效应力比对曲线中（图5 )，发 现网格划分方式是造成计算结果产生较大差异的主要原 因，六面体网格划分的计算取值较四面体偏高，而网格加 密只是获得了更多的节点取值，并没有使计算结果产生 明显的偏移。

如果从数据收敛性的角度分析[11_12](表2)，四 面体网格划分则是更适合该模型的网格划分方式，理论 求解值会更加接近真实热处理工艺中的实际数据。

基于实体单元的四面体和六面体划分方式，在实际 应用中没有绝对的划分标准；以模型的结构复杂程度为
网格划分方式 ■
数据收敛性
方差标准偏差四面体自由 5.44232E -10 2.33288E -05四面体加密 5.27492E -10 2.29672E -05六面体自由 6.23463E -10 2.49692E -05六面体加密
6.03908E -10
2.45745E -05
例:如果结构比较简单，可以很方便地全部划分为六面体 单元，或者绝大部分是六面体，只含有少量四面体和棱柱 体;如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面体，则 应该选择带中间节点的四面体单元[13_14]。

模型具有多面结 构，在六面体网格划分中，很容易造成划分不成功，而形 成退化的六面体，计算精度会受到较大影响，这也是六面 体划分的结构应力值在加密前后都有较大发散性的主要 原因。

古成中、吴新跃[13在研究中指出，六面体网格划分 的网格边界拟合能力较差，网格质量不稳定;提高六面体 网格质量的方式有单元转换法、栅格法、多子区域法等， 或者米用Hypermesh 等专业网格划分工具来对模型进行 前处理，都是获得高质量网格的有效途径。

5
结论1)
具多面结构的模具零件在热力学有限元分析的前
处理过程中，采用四面体网格划分方式可以获得更精确 的计算结果，网格质量较髙;复杂结构的分析模型可尝试 采用多种网格划分方法，根据网格质量评价与计算结果 精度选取最优网格划分方式。

2) 采用有限元分析软件的网格划分工具，可高效率
地完成模型的前处理环节，在有必要的情况之下进行手 动修改，弥补自动划分的误差或疏漏。

3)
对模型的分析结果造成误差的主要原因是网格划
分方式，网格加密起到了改善网格节点的计算精度的作 用，但是对计算结果不产生明显的数值偏差。

4)
网格质量检查数据对网格方式的选择起到一定的
参考作用，但不能作为网格质量优劣的评定标准；
[参考文献]
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(a )六面体网格划分
（b )六面体网格加密
图4六面体网格划分加密前后的等效应力云图
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网址: 电邮：hrbengineer@ 2016 年第 12 期
■ 14
1
燃机传动系统17CrNiMo6齿轮材料不同热处理
R-S-N疲劳曲线测试研究
刘韶峰、胡云波2,邹俊伟'郑学斌2
(1.中国航空动力机械研究所，湖南株洲412002;2.中国航发湖南南方宇航工业有限公司，湖南株洲412002)
摘要：以燃气轮机传动系统中应用的17CrNiMo6齿轮材料为研究对象，通过两种不同的热处理工艺，分别得到两种齿 轮的心部硬度,分别为心部硬度大于30H R C和大于25HRC(J=12 m m处不大于28H R C),再以齿轮高频试验测试为研究手 段，得到两种不同热处理条件下的弯曲疲劳fl-S-A/曲线。

关键词:燃机传动;齿轮;弯曲疲劳;高频试验
中图分类号:T H 114 文献标志码:B文章编号：1002-2333(2016)12-0142-03
0引言
燃气轮机传动系统齿轮箱属于高速重载设备，其中
齿轮为主要失效件之一，其失效形式主要为齿轮弯曲疲
劳失效。

齿轮弯曲疲劳失效的主要表现形式为在零件表
面或局部形成裂纹或发生断裂的现象。

本文主要以燃机
传动系统中齿轮材料17CrNiM〇6为研究对象，通过两种不
同的热处理工艺,分别得到两种不同的齿轮心部硬度，以
齿轮高频试验测试为研究手段,得到齿轮材料17CrNiM〇6
的两种弯曲疲劳R-S-N曲线，为类似齿轮箱齿轮的设计
提供重要的试验依据。

1试验
1.1试验方法
采用齿轮弯曲试验设备对轮齿进行脉动加载试验，
加载至轮齿出现裂纹或失效，停止试验，得出在此应力下
的循环应力次数即寿命数据。

试验时，载荷仅施加在试验
轮齿上,每个试验齿轮根据试验要求可进行无数次试验，
则可以得到无数个试验点。

每做完一个轮齿的试验，再选
取另外一个轮齿进行试验，但所选取的轮齿与进行过试
验的轮齿(包括用以支承的轮齿)间隔不少于一个齿。

试
验齿轮不作啮合运转。

7.2试验齿轮参数 *123
湖南省战略新兴产业项目（2014GK1029)
[9 ]张宿，陈淑玲.基于ANSYS Workbench直齿圆柱齿轮淬火过程
的热应力模拟[J].机械工程师，2013 (11): 106-107.
[10 ]张蓓，袁小会，肖志余.塑料模零件淬火过程有限元模拟分析
[J]•模具工业，2014, 40(8): 65-68.，
[11 ]董立伟，谷正气,刘水长，等.网格划分对汽车外流场数值计算
影响的研究[J]•汽车科技,2012 (1): 12-15.
[12]齐学义，陈大为，胡家昕，等.网格划分对轴流式水轮机数值
计算结果的影响[J].水电能源科学,2010, 28 (1): 107-109. [13]袁国勇.ANSYS网格划分方法的分析[J].现代机械,2009(6): 59-
60.
根据GB/T 14230中的相关规定，试验齿轮随机抽取，目的是为了提高试验结果的可信度，并使试验结果能够
反映该种齿轮的承载能力[1_\齿轮材料为17CrNiM〇6(渗
碳淬火)。

试验时每种齿轮材料取5个应力级，在每个应力
级取6个试验点进行试验。

试验齿轮的参数和精度:模数
m=4 mm,螺旋角)6=0°，齿宽6=25 mm,应力修正系数y s T=
2.0,齿根圆角参数=2.5,齿根圆角粗糙度/?^10 pm,
精度为GB/T10095.1的6级。

齿廓线与齿根圆弧线是圆滑过渡，检查试验齿轮精
度并记录其实测数值。

实测全部试验齿轮的表面硬度、基
节偏差并剔除不合格的试验齿轮。

7.3试验时弯曲失效判据
试验载荷加载方式为高频脉动，所以工作时,试验设
备是处在共振状态下，如轮齿出现明显疲劳裂纹或断裂
时，系统的共振频率就会发生变化。

试验中出现以下情况
时，设备将自动停机，试验结束。

具体操作是通过试验设
备控制程序设置失效判据。

根据GB/T 14230®求。

试验中，如果发生下列现象之
一时,都应判为失效:1)当轮齿沿齿根发生断裂或轮齿出
现疲劳裂纹时;2)试验载荷或频率相比原始设置值下降
了5%~10%〇
7.4试验齿轮热处理工艺
为获得两种试验齿轮样件的心部硬度，采取如下两
[14]王明强，朱永梅,刘文欣.有限元网格划分方法应用研究[J].
机械设计与制造,2004⑴:22-24.
[15]古成中，吴新跃有限兀网格划分及发展趋势[J].Journal of F rontiers
of Computer Science and Technology,2008, 3(3):248—259.
(编辑黄荻）
作者简介:张蓓(1983—),女，硕士，讲师，研究方向为金属材料与热
处理。

收稿日期：2016-10 -24
1422016 年第12 期网址: 电邮：hrbengineer@。