实体单元网格划分--岳国辉

实体单元网格划分
岳国辉
长城汽车股份有限公司技术研究院
实体单元网格划分
Solid Element Meshing
岳国辉
(长城汽车股份有限公司技术研究院CAE部)
摘要:运用HyperMesh中的3D实体单元网格划分的多种功能，介绍了几种典型几何特征的划分思路，为以后进行类似网格划分工作提供参考，同时也验证了HyperMesh在划分实体网格方面的强大功能。

关键词:HyperMesh 实体单元座椅垫连杆离合器壳
Abstract Applying the 3D solid mesh functions under the HyperMesh, a few typical mesh methods for several geometry characters are introduced. These mesh methods provide some references for the future similar works, and validate the HyperMesh powerful ability in solid meshing.
Key words:HyperMesh，solid mesh，chair mats，connecting rod，clutch shell
1 概述
计算机辅助工程(CAE)在汽车行业应用已有很多年了，许多有限元理论及软件都得到了成熟运用。

但到目前为止，分析结果的精度很大程度上还是要靠前处理有限元模型的准确度来控制，而且在一个完整的有限元分析过程中，通常前处理都要占据百分之七八十的时间。

所以对CAE技术运用者来说前处理能力的提高也就显得尤为重要了。

而前处理能力的提高还需要有合适的前处理软件作保证，在众多前处理软件中美国Altair公司的HyperMesh是其中的佼佼者。

像在板壳单元、实体单元、焊接单元等的创建，以及与其它软件的接口等方面，都能表现出良好的性能。

其中尤其是在实体单元的划分方面有其独特的优势，以下将通过几个比较典型的实例来详细说明，同时也可以为以后再进行类似工作提供解决思路。

2 实例描述
2.1 座椅垫实体几何的网格划分
本例将通过一套座椅垫实体网格划分来介绍在HyperMesh8.0中新增加的处理实体几何的功能。

如图1所示是一套座椅垫，原始几何只有外表面的一层壳几何，而且几何形状也不规则，在以前不能处理实体几何的时候，一般处理方法是首先几何清理，然后通过添加一些辅助面构成封闭壳体，再根据经验把大块儿体分成相对较规则的若干小块儿，最后可以运用3D子面板中的Solid map-general或Linear solid等工具先把各个小块儿划分网格，然后再把各个小块缝合到一起。

这样做的不足是一方面需要做大量的辅助面，另一方面在划分各个小块儿时需要考虑最后缝合时的节点对应问题。

通过观察几何模型发现，虽然座椅垫几何形状不规则，但它没有局部突出或相贯的几何特征，所以可以考虑把板壳几何封闭后生成实体几何，再通过几何清理后得到如图2所示的几何体，运用3D子面板中的Solid map- volume工具，设置好相关参数后就可以自动划分出以六面体为主五面体为辅的实体网格。

而且软件自动划分的网格能够完全与几何贴合，网格质量还比较好，只需稍微调整一下后就可以全部达到网格质量要求。

现在整个过程所花费的时间比以前要节省70％以上。

图1 座椅垫板壳几何图2 实体几何与实体网格
2.2 考虑油道特征的连杆实体网格划分
以下将通过某发动机连杆的实体网格划分实例，简单介绍一下不连续特征处的过渡处理方法。

图3 某发动机连杆实体网格图图4 连杆大头油道位置图
图5 连杆体内油道特征图图6 油道特征网格划分思路图
如图3所示是某发动机连杆总成划分后的实体网格图，连杆本身体积很小但其上布置的几何特征却很多，考虑到该连杆大部分特征都是对称的，所以确定划分思路为，先取连杆带油道特征的四分之一部分划分实体网格，然后把不对称的局部特征重新修改，最后把四块儿缝合到一起。

取出四分之一连杆后再观察其特点发现，两头特征比较复杂中间过渡比较平缓，所以决定把四分之一连杆从中间断开，由中间断面先向大头部分划分，之后用中间断面已存在的面网格向小头部分划分。

在由中间断面向大头部分划分的过程中，如图4、5所示需要经过油道特征的过渡，即要考虑连杆外表面的平滑过渡又要保留油道特征的完整，所以此处的顺利过渡将是本次连杆实体网格划分工作的最大难点。

图6显示了一种划分思路，如图所示先把连杆外表面的特征曲线投影到对称中面上，在被分割的对称中面上划分壳网格，然后在划分好的面网格上割出油道平面特征线，最后在中间断面上划分合适的壳网格，注意在划分壳网格时要考虑到在经过油道时要切割许多六面体网格成五面体网格以得到油道特征，所以在划分壳网格时最好不要出现三角形单元，如果必须出现时也要避开需要切割的六面体单元的切割通路，这样就既可以实现所有单元都能够节点对应，又可以保证不出现四面体单元。

连杆其它不连续特征处的划分思路跟以上所述基本一致。

2.3 离合器壳相交特征实体网格划分
以下将通过某离合器壳的实体网格划分实例，简单介绍一下彼此相交特征处的连接处理方法。

如图7所示是某变速器总成中的离合器壳实体网格完成图，通过观察该离合器壳可以发现，其上的主要几何特征是彼此相交的。

像这种几何特征在实体几何中也是比较典型的，处理的主要思路是先把两个相交特征体各自独立完成实体网格划分，然后在相交截面上通过切割六面体为五面体来实现特征交接处的节点对应连接。

如图8所示是离合器拨插口与主壁面垂直相交的特征图，可以先把拨插口主特征面沿自己的主方向拉伸出规则的六面体单元，然后在拨插口与主壁面交接线上通过切割六面体单元为五面体单元来实现相交特征。

图9、10、
11中的相交特征处理方式与图8所示特征处理方式类似。

图7 离合器壳实体网格完成图图8 离合器拨插口与主壁垂直相交图
图9 螺栓安装座孔与主壁相交图图10 起动机安装孔与主壁相交图
图11 圆孔与方孔交接图图12 不等高壁面连接图
如图12所示是离合器壳壁面不等高连接且图，按常规方法可以把交接面处六面体单元通路对角线切割成五面体单元通路，但是现在该处还有突起几何特征需要保留，不可能在壁面上找出全六面体单元的切割通路，通过观察可以发现该螺栓按装座孔凸起特征是对称的，如图中圈1所示沿特征底边切割一圈六面体单元到壳壁顶面如图中圈2所示，这样即可以保证不等高壁面连接的顺利过渡又可以满足螺栓按装座孔凸起特征的需要。

3 结论
通过以上三种比较典型零部件的实体网格划分方法，可以总结出一些有代表性的几何特征的处理思路：
如果实体几何如图1所示座椅垫、头枕等，没有不连续特征也没有相交、相贯复杂特征的时候，可以把实体几何做几何清理，只保留主要特征曲线，最后运用3D子面板中的Solid map-general- volume工具一次性自动生成实体网格；
如果实体几何如图5所示连杆油道处存在不连续特征时，可以先把不连续特征填充掉，如假设油道不存在，在划分实体网格所必须的辅助壳网格时，把不连续特征保留下来，等到最后实体网格划分好之后，再从实体网格上把不连续特征挖出来；
如果实体几何如图7所示离合器壳存在许多相交特征的时候，可以先把相交两实体几何各自划分网格，再在相交的截面上通过切割六面体网格为五面体网格的方法实现交接特征。

实体网格的划分没有一套固定方法，每一个案例都有自己独有的特征，而且可以通过各种不同的方法实现，主要是思路要清晰，还有就是要掌握一些比较典型几何特征的处理方式。

4 参考文献
[1] HyperMesh Tutorials。