用MSC Patran快速建立双轴柔性铰链六面体有限元模型

用MSCPatran快速建立双轴柔性铰链六面体有限元模型

作者：刘巨

MSC.Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。在Patran中，可对任意结构的实体模型进行Tet自动划分，而Hex模型的建立却有一定难度。双轴柔性铰链是实际工程应用中的一种典型结构，且往往用于结构的重要部位，因此需进行Hex建模以提高分析精度。由于它具有圆表面相贯特征，进行Hex建模有一定难度，本文将介绍如何对该结构进行六面体快速建模。

一、双轴柔性铰链的合理分块

Patran具有几何模型的直接访问技术，与大多数CAD/CAE软件都可以进行几何沟通。图1是由UG建模后导入Patran的双轴柔性铰链实体模型。

图1 双轴柔性铰链实体模型

不难看出，结构中铰链底座部分的Hex建模难度不大，而前面的双轴柔性部分具有圆表面相贯特征，是Hex建模的关键。综合考虑其结构特点，可将整体划分为三部分，如图2所示。

图2 分块后模型

对于前部，显然应先在区域Ⅰ划分面单元，然后用Patran提供的“Sweep”功能沿X方向生成体单元；同样，中部应先在区域Ⅱ划分面单元，然后沿Y方向“Sweep”生成体单元。由于两部分“Sweep”的方向不同，关键问题就是前部沿X方向生成的体单元如何与中部沿Y 方向生成的体单元“对正”。为解决此问题，进一步划分结构，只考虑前部下半部分和中部上半部分划分网格后体单元的“对正”问题，如图3所示。

图3 不同方向的“Sweep”

图3中，前部沿X轴生成体单元时要兼顾到后部的子块以保证“对正”，后部沿Y轴生成体单元时也要兼顾到前部的子块。因此要将图3中的实体再次分块以方便网格划分，如图4所示。

图4 再次分为两个部分

图4中，前后部中间块的底面为面积相等的正方形，这样，只要前部沿X轴与后部沿Y轴“Sweep”的面单元相同，就可实现中间块（相贯特征部分）的“对正”。

二、快速建立六面体有限元模型

1、Hex模型的建立

由于图4中块1沿X轴的两个面分别为柱面和平面，所以必须要使用“Sweep”功能下的“Loft”方法（如图5）生成体单元。先在块1的柱面上划分四边形“Paver”面单元（如图6），然

后将该面上的结点投影（“Project”）于块1沿X轴的平面上，在该平面上生成与柱面一一对应的面单元（“Loft”方法必须保证对应两个面上的单元位置协调一致，因此必须进行“Project”）。此时就可将两个面上的面单元通过“Loft”方法生成体单元（如图7）。

图5 选择正确方法

图6 划分柱面

图7 沿X轴投影后的结果

2. 相贯特征部分的单元“对正”

图4中块1的Hex模型建立后，可继续通过“Sweep”功能下的拉伸（“Extrude”）方法生成

中间块的Hex模型，面单元选择块1沿X轴向的平面的面单元即可。应注意的是，前部中间块沿X轴“Extrude”的单元层与后部中间块沿Y轴“Extrude”的单元层在长度和数量上均应保持一致，只有这样才能保证前后部分中间块体单元的最终“对正”。

图4中其余相应位置的单元模型可通过块1的移动（“Translate”）、旋转（“Rotate”）和镜像（“Mirror”）方法生成，这里不做介绍。生成关键位置的Hex模型如图8；图4中铰链子块的Hex模型如图9。

图8 关键位置的Hex模型

图9 铰链Hex模型

图9中Hex模型建立后，继续应用上述几种方法就可生成整个铰链的Hex模型。生成模型应经过消除重复结点（“Equivalence”）和验证（“Verify”）后，才可使用。最终模型如图10所示。

图10 最终模型(end)