結構分析前處理實現要點

文／劉洋·天津汽車模具股份有限公司

結構分析前處理實現要點

文／劉洋·天津汽車模具股份有限公司

結構分析在模具設計與制造中起分析指導作用，計算結果的準確性十分關鍵，而影響計算結果的原因很多，其中前處理占主要部分，它所涉及到的有限元網格劃分、單元屬性定義和邊界條件設置都至關重要。

結構分析的認識

結構分析是有限元分析方法最常見的一個應用領域，在汽車模具制造業中同樣應用廣泛，也起著非常大的作用。模具受成形力的作用會發生結構變形，如彎曲變形、側向歪斜、水平扭轉、滑動等。通過結構分析能預先清楚地計算出模具結構在成形力作用下發生變形的趨勢，這樣就能對后續工作起到指導作用。

對模面處理而言，模具型面處的變形主要有兩部分組成，一是由制件內應力引起的模具型面局部變形，二是由于成形力作用而引起的模具結構變形（一般以彎曲為主)。在模面處理時需要綜合考慮結構變形、工件減薄和制件回彈等因素對成形工藝的影響。

結構分析的基本步驟

結構分析整體過程分為兩部分，第一部分為結構分析前處理，指的是創建實體模型以及有限元模型，包括創建實體模型、定義單元屬性、設置邊界條件（接觸、固定、成形力)、劃分有限元網格（面網格、體網格)和修改模型等內容，具體流程為實體理想化→網格劃分→加載材料→邊界條件設置→綜合檢查（導出求解文件)，本文主要針對前處理展開論述。第二部分為結構分析后處理，指的是整理和分析計算結果，制作分析報告為后續工作的展開提出指導意見，具體步驟包括求解和結果分析。

仿真模型的構建規范

仿真模型的建立過程屬于結構分析前處理，操作軟件為UG NX 7.5，仿真模型建立是否合理，會直接影響到后處理的求解和分析過程。實體理想化是否合理將會影響到網格劃分的質量，網格質量差將會影響到計算的時間、精度，甚至可能會在計算中途發生不收斂現象，導致計算停止。仿真模型的具體建立步驟如下。

裝配模型

下載模具實體文件和工藝卡，弄清模具結構和沖壓成形力，選擇合適的沖壓機床模型。將沖壓機床Part導入實體裝配文件，在實體Part（裝配)里挪動模具去和機床對齊，通過對齊壓板槽將模具中心和機床中心對齊。

實體理想化

首先導出單個結構Part文件，并分別導出機床（滑塊和導柱)、上模（后序導出壓料心)、下模（或下模和下模本體)的Part文件，然后對各個Part部件進行實體理想化處理，如圖1所示。理想化的目的是要保證在不改變結構剛度的前提下，盡量移去不必要的大、小特征，同時檢查是否有實體缺陷，對有實體缺陷的地方進行優化，這樣能更便于網格的劃分，確保網格質量，減少實體網格的數量，減少計算時間，提高計算精度，逼近真實結果。具體處理事項如下：⑴移去對計算結果影響不大的特征，包括基準、CH孔、安全平臺、安裝面、吊耳等。⑵為滿足其他設備而設計的特征，如流水孔、過線孔、鍵槽等。⑶實體設計時留下的缺陷，如實體中的碎面、結構面之間的縫隙等。實體理想化后的拉延凹模、凸模如圖2所示。

圖1 理想化前后對照

圖2 實體理想化后的拉延凹、凸模

網格劃分

網格劃分時先對有接觸和著色要求的地方劃分二維網格，拉延工序通常對大面積接觸面、產品外露面劃分二維網格；后序通常根據不同的功能劃分符型區，然后對符型區劃分二維網格，接著就是劃分體網格；最后進行網格質量檢查，包括網格單元形狀、數量、大小。具體網格劃分的注意事項如下。

⑴二維網格。二維網格采用Shell 93(6)，打開“2D Mesh”界面，點擊如圖3所示命令。

圖3 2D Mesh窗口

在劃分二維網格的過程中需對一些型面進行合并，前提是保證合并后型面不發生變形。為了提升二維網格的質量，對一些多余的節點進行刪除，在一些網格翹起的地方添加節點，具體如下：1)合并型面。打開“Face Merge”界面，點擊合并型面命令，選擇需要合并的型面，單擊“OK”按鈕。2)清理、添加節點。打開“Edge Merge”界面，點擊清理節點命令。點擊“Split Edge”按鈕，添加節點命令。3)二維網格質量檢查。二維網格的質量直接影響到三維網格的質量，對于二維網格的質量評定標準是網格單元越接近等邊三角形越好，內角度為30°～120°，不能出現扭曲、變形、重疊。

⑵三維網格。

1)具體操作。三維網格是參與計算的，三維網格的劃分尤其重要；通常機床實體三維網格類型選用Solid 92(10)，大小為150mm的四面體網格，機床導軌類型選用Solid 45(8)，大小一般為50～60mm的六面體網格，其余部件類型選用Solid 45(6)，大小參考自動計算，六節點四面體網格。

2)三維網格質量評估。單元的質量和數量對求解過程和求解結果影響較大，如果結構單元全部由正四面體、六面體等單元構成，則求解精度可接近實際值。因此根據模型的不同特征，設計不同形狀種類的網格，有助于改善網格的質量和求解精度。單元質量評價一般可采用以下指標：①扭曲度。單元面內的扭轉和面外的翹曲程度。②疏密過渡。網格的疏密主要表現為應力梯度方向和橫向過渡情況，應力集中的情況應妥善處理，而對于分析影響較小的局部特征應分析其情況，如外圓角的影響比內圓角的影響小得多。③節點編號排布。節點編號對于求解過程中總體剛度矩陣的元素分布、分析耗時、內存及空間有一定的影響。合理的節點、單元編號有助于利用剛度矩陣對稱、帶狀分布、稀疏矩陣等方法提高求解效率，同時要注意消除重復的節點和單元。

打開“Model Check”窗口選擇體網格，Tetra4用于檢查4節點四面體網格以及Solid 45(4)單元，Tetra10用于檢查10節點四面體網格以及Solid 92(10)單元。通過檢查三維網格質量，劃完網格后的凸模、凹模如圖4所示。

圖4 劃完網格后的凸、凹模

加載材料

點擊“Material Properties”命令，按圖5所示加載材料。

圖5 加載材料

設置邊界條件和載荷

首先在高級仿真模塊里新建裝配文件，并按從上至下順序添加裝配模型，其次就是對網格進行排序，再次就是激活模型新建高級仿真SIM文件，最后設置邊界條件和載荷。新建new Simulation—SIM文件后進行邊界條件設置。

⑴接觸設置。在Advanced Simulation工具欄上，單擊Simulation Object Type圖標中的箭頭，然后單擊Surface-to-Surface Contact圖標，出現Surfaceto-Surface Contact對話框如圖6所示。

圖6 接觸設置

⑵主面和從面確定準則。凸面與平面或凸面與凹面接觸時，應指定平面或凹面為主面；一個面上的網格較粗，而另一個面上的網格較細，應指定粗網格面為主面；一個面比另一個面的剛度大，應指定剛度大的面為主面；一個面為高階單元，而另一面為低階單元，應指定低階單元面為主面；一個面比另一個面大，應指定大的面為主面。

⑶加載成形力。在Advanced Simulation工具欄上，單擊“Load Type”圖標中的箭頭，然后單擊“Force”圖標。

⑷設置固定。在Advanced Simulation工具欄上，單擊“Constraint Type”圖標中的箭頭，然后單擊“Fixed Constraint”按鈕。

輸出INP文件

檢查模型，無報錯后輸出INP文件。在Advanced Simulation工具欄上，單擊“Solve”圖標中的箭頭，然后單擊“Solve”按鈕輸出文件，建立的仿真模型如圖7所示。

圖7 仿真模型

實體理想化注意事項

實體理想化的目的是在不影響實體剛度的前提下簡化實體，從而減少網格的數量，優化網格質量，縮短計算時間，提高計算精度。在理想化的過程中需要注意一些常見的問題：⑴簡化較大實體特征需要考慮是否會對實體剛度產生影響。⑵實體上用于支撐的筋不可簡化，如隨行筋、加強筋。⑶實體內部的一些缺陷需要排除，如劃分實體時布爾運算產生的缺陷，否則會影響到三維網格的劃分。⑷盡量避免簡化后實體出現尖角、棱線。

網格對計算的影響

網格數量

網格數量的多少直接影響到計算時間和計算精度。一般來講，網格數量的增加，計算精度會有所提高，但是同時計算時間也會有所延長，因此在權衡網格數量時需要綜合考慮這兩方面的因素。圖8中曲線1表示結構中位移隨網格數量變化的收斂情況，曲線2表示計算時間隨網格數量變化而變化的情況。

從圖8中可以看出，當網格數量比較少時，增加網格數量會提高計算精度，計算時間沒有太大的變化，但是當增加到一個值以后，再增加網格數量，計算時間將會大幅度延長，而計算精度提高的效果則不明顯。

圖8 位移精度和計算時間隨網格數量的變化

網格疏密

網格疏密程度是指在結構不同的部位采用大小不同的網格，為了適應計算數據變化梯度較大的部位（如應力集中處)，同時較好地反映數據變化規律，需要采用比較密集的網格。而在計算數據變形較小的部位，為了減小模型規模，則應劃分相對疏散的網格。這樣一來，整個結構便表現出疏密不同的網格劃分形式。

單元階次

具有線性、二次和三次形式的單元稱為高階單元。高階單元可提高計算精度，因為高階單元的曲線或曲面邊界能更好地逼近結構的曲線或曲面邊界，且高次插值函數可更高精度地逼近復雜場函數，所以結構形狀不規則、應力分布或變形很復雜時可以選用高階單元。但高階單元的節點數較多，在網格數量相同的情況下，由高階單元組成的模型規模要大得多。因此在使用時應權衡考慮計算時間和精度。

網格質量

網格質量是指網格幾何形狀的合理性，質量好壞將影響計算精度，質量太差的網格甚至會終止計算。直觀上看，網格各邊或各個內角相差不大、網格面不過分扭曲、邊節點位于邊界等分點附近處等，這幾種條件下的網格質量較好。網格質量可用細長比、錐度比、內角、翹起量、拉伸值、邊節點位置偏差等指標度量。

單元類型

圖9 不同類型網格單元的模擬結果

在網格劃分過程中，網格單元類型的選擇直接影響到計算時間和精度，所以理解各類型的單元特性，有助于網格劃分時能做出明確的選擇。根據單元位移函數(形函數)的不同，可以分為一次單元、二次單元。二維網格單元通常有一次三角形、二次三角形、一次四邊形、二次四邊形。三維網格單元通常有一次四面體、二次四面體、一次五面體、二次五面體、一次六面體、二次六面體。圖9是針對各種類型的網格單元進行的模擬。

由圖9可以看出，一次單元的特性是單元解析負荷小，計算規模小，但是精度不高，計算結果不準確，模擬相對不真實。一次三角形的形狀過于穩定，模擬不真實；一次四邊形計算精度太差，一般也不采用。二次單元的特點是，單元解析負荷大，計算規模大，但是精度高，計算結果準確，模擬較為真實。所以通常選用二次單元。

對于三維網格，二次單元比一次單元更能反映真實結果，所以一般都采用二次四面體或六面體單元，對于結構比較簡單的采用二次六面體單元，而結構較為復雜的需采用二次四面體單元。