基于模流分析軟件的網格劃分和網格修復

田菲

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇蘇州215104）

0 引言

相對于金屬制品，塑料制品具有成本低、可塑性強等優點，因此被廣泛應用于工業和日常生活中。2015年，我國高分子材料行業產值高達5.58萬億元，其主要應用于汽車、軌道交通、航空航天、智能設備等領域，預計2020年高分子材料行業產值高達8萬億元[1]。而采用傳統的試模法生產塑料已不能滿足各行業快速發展的需求，因此急需使用新的技術和方法改善傳統注塑模具設計過程中出現的開發周期長、注塑件質量差的問題[2]。

Autodesk Moldflow Synergy注塑成型仿真軟件作為塑料成型CAE市場的主導者，可以幫助用戶在模具加工前，在計算機上對整個注塑成型過程進行模擬分析，準確預測熔體的填充、保壓和冷卻情況，以及制品中的應力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設計者能盡早發現問題并及時進行修改，而不是等到試模后再返修模具。其結果的準確度依賴于網格劃分質量的好壞、材料選擇的合理性、工藝參數設定的準確性。本文主要探討了在Autodesk Moldflow Synergy軟件中，網格劃分和網格修復過程中一些實用技巧，使模型分析過程更加高效和準確[3-4]。

1 網格劃分的技巧

1.1 文件導入類型選擇

Autodesk Moldflow Synergy軟件可以導入多種文件格式，如DXFGE格式、IGES格式、STEP格式、STL格式、PRT格式等，但用的基本文件格式有IGES格式、STL格式[5-6]。對于結構簡單的模型，采用任意一種文件格式，導入后一般不會出現形狀畸變和結構丟失；對于結構復雜的模型，當選擇文件格式不當時，會出現形狀畸變和結構丟失，而且形狀越復雜，這樣的現象越明顯。如圖1所示的汽車某覆蓋件，使用UG進行三維建模，采用IGS格式導入時，結構缺失嚴重，采用STL格式和PRT格式導入時，沒有出現形狀畸變和結構丟失。因此，最好直接使用模流分析軟件MDL接口導入模型[7]，或者使用STL格式導入，盡量少采用IGS格式導入。

圖1 汽車某覆蓋件

圖2 導入IGS格式

圖3 導入STL格式

圖4 導入PRT格式

1.2 網格類型的選擇

在運行分析之前，必須擁有網格化的模型。網格表示零件形狀，在它的每個節點處對成型屬性進行計算。選定的網格類型或分析技術決定了可以選擇哪些成型工藝和哪些分析序列。Autodesk Moldflow Synergy軟件有中性面、雙層面和3D三種網格類型。采用哪種網格類型，與零件結構和形狀相關，中性面適用于大的薄殼類零件，雙層面用于一般的殼類，3D用于非殼類[8]。一般來說，中性面網格類型網格數量少，分析速度快，但有些零件中性層提取比較困難，3D網格類型網格數量多，運算速度很慢，因此大多數情況下都采用雙層面的網格。

1.3 網格尺寸的選擇

網格劃分時，網格尺寸決定了模擬結果的準確度和模擬時間。一般而言，雙層面網格數量控制在8萬以內，3D網格數量控制在100萬以內，并在保證產品分析精度的條件下盡可能減少網格數量。如圖5所示，零件尺寸為20 mm×20 mm×8 mm，厚度為2 mm，當網格尺寸越大時，模擬時使用的CPU時間越短，當網格尺寸從0.5 mm提高到1 mm時，CPU時間從450降到50，從1 mm提高到6 mm時，CPU時間變化不大；但當網格尺寸為5 mm和6 mm時，充填末端壓力明顯變小，模擬計算的準確度下降。因此，為了提高模擬的準確度沒有必要一味地縮小網格尺寸，也不能為了提高模擬效率，一味地增大網格尺寸。一般來說，網格尺寸選擇制品厚度的1～2倍時，既可以保證模擬的準確度，也能兼顧模擬效率。

圖5 網格尺寸與計算時間和準確度的關系

2 網格修復的技巧

網格劃分完成之后，在模擬分析之前，需要對劃分的網格進行診斷，以衡量網格劃分的質量[9-10]。Autodesk Moldflow Synergy軟件中，衡量網格質量的參數主要有縱橫比、自由邊和多重邊、網格取向、相交單元和重疊單元、匹配率等，網格劃分完成后，必須保證以上參數控制在規定范圍內，否則分析計算不準確，甚至不能進行分析計算[11]。在修復網格時，以上參數修復順序直接關系到網格修復的工作效率。一般來說，可以按照匹配率、相交單元和重疊單元、自由邊和多重邊、縱橫比、網格取向的順序進行網格修復。

圖6 平板邊框

圖7 模型優化后的平板邊框

匹配率是雙層面網格最重要的參數之一，是網格生成后首先檢查的網格參數，匹配率必須達到一定的數值，才能確保網格質量，保證分析計算的準確性，對于流動分析而言，網格匹配率必須達85%以上，翹曲分析達90%以上[12-13]。當匹配率不符合要求時，首先可以通過減小網格尺寸的方法提高匹配率；如果模型結構復雜，可以采用去除小圓角、小肋條等方法優化模型，提高匹配率。如圖6所示平板邊框，尺寸為240 mm×115 mm×15 mm，壁厚1 mm，優化模型時，去除小圓角和倒直角，如圖7所示。模型優化前和優化后網格數和匹配率對比見表1，從表1中可以看出，網格尺寸越小，匹配率越高；相同的網格尺寸下，模型優化后網格數下降，匹配率上升。對兩個模型進行快速充填分析，保證澆口位置、成型參數設置一致，從圖8可以看出，充填末端壓力數值變化不大，說明采用優化模型的方法可行。當采用上述方法匹配率不能達到要求時，可以采用中性面或3D網格類型。

表1 模型優化前和優化后網格數和匹配率對比表

圖8 填充末端壓力

相交單元和重疊單元是指兩個或多個網格單元發生穿插或重疊現象[14]。一般方法是通過刪除網格單元，然后創建三角形網格完成修復；也可以通過合并節點快速完成修復。如圖9（a）所示的模型，網格診斷后，出現相交單元，如果按照一般方法，進行修復時，先刪除網格1、2和3，然后再重新創建三角形單元，修復效率低?？梢酝ㄟ^分別合并圖9（b）、圖9（c）中節點,完成快速修復交叉單元，修復后模型如圖9（d）所示。

圖9 相交單元和重疊單元修復

自由邊產生的原因有兩個：一是修復相交單元和重疊單元時，可能會產生自由邊，另一個是模型轉中性文件的過程中產生破面。修復自由邊一般通過創建三角形網格單位即可，修復完成，必須和模型對比，不能發生結構和形狀的變化。模型轉中性文件時，本不應該相連的多個面發生連接，因此產生重疊邊。有時相交單元和重疊單元會導致重疊邊的出現，這種情況下，只要完成相交單元和重疊單元的修復，重疊邊就會消失；如果沒有，需要找到將使用重疊邊的幾個網格單元刪除，然后重新創建三角形網格單元。

圖10 縱橫比診斷

縱橫比是衡量雙層面網格和中性層網格質量好壞的重要參數，縱橫比高，說明存在狹長的三角形網格單元，將會影響流動分析的時間和準確率。一般要求縱橫比平均值小于3，最大值小于6[15]。修復縱橫比可以通過合并三角形節點的方式，快速消除狹長三角形單元。當縱橫比診斷時，如果發現最大縱橫比數值上萬，甚至如圖9所示達到10的十幾次方時，表明出現零面積單元，這時應該進行零面積單元診斷。刪除零面積單元后，再進行縱橫比修復。

3 結 論

1）Autodesk Moldflow Synergy軟件盡量直接使用模流分析軟件MDL接口導入模型，或者使用STL格式導入，盡量少采用IGS格式導入。2）Autodesk Moldflow Synergy軟件中大多數情況下采用雙層面的網格長度為制品厚度的1～2倍，既可保證模擬的準確度，也能兼顧模擬效率。3）一般來說，可以按照匹配率、相交單元和重疊單元、自由邊和多重邊、縱橫比、網格取向的順序進行網格修復。4）匹配率與網格尺寸相關。網格尺寸越小，匹配率越高；可以通過減小網格尺寸的方法提高匹配率；當雙層面網格匹配率不能達到要求時，可以采用中性面或3D網格類型。5）相交單元和重疊單元可以通過合并節點快速修復網格。6）自由邊通過創建三角形網格單位完成修復；重疊邊通過刪除三角形網格，然后重新創建三角形網格單元完成修復。7）多數情況下，修復縱橫比可以通過合并三角形節點的方式進行修復。