基于模流分析軟件的網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格修復(fù)

田菲

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215104）

0 引言

相對(duì)于金屬制品，塑料制品具有成本低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和日常生活中。2015年，我國(guó)高分子材料行業(yè)產(chǎn)值高達(dá)5.58萬億元，其主要應(yīng)用于汽車、軌道交通、航空航天、智能設(shè)備等領(lǐng)域，預(yù)計(jì)2020年高分子材料行業(yè)產(chǎn)值高達(dá)8萬億元[1]。而采用傳統(tǒng)的試模法生產(chǎn)塑料已不能滿足各行業(yè)快速發(fā)展的需求，因此急需使用新的技術(shù)和方法改善傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的開發(fā)周期長(zhǎng)、注塑件質(zhì)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(chǎng)的主導(dǎo)者，可以幫助用戶在模具加工前，在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、保壓和冷卻情況，以及制品中的應(yīng)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(shè)計(jì)者能盡早發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)進(jìn)行修改，而不是等到試模后再返修模具。其結(jié)果的準(zhǔn)確度依賴于網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞、材料選擇的合理性、工藝參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性。本文主要探討了在Autodesk Moldflow Synergy軟件中，網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格修復(fù)過程中一些實(shí)用技巧，使模型分析過程更加高效和準(zhǔn)確[3-4]。

1 網(wǎng)格劃分的技巧

1.1 文件導(dǎo)入類型選擇

Autodesk Moldflow Synergy軟件可以導(dǎo)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(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模型，采用任意一種文件格式，導(dǎo)入后一般不會(huì)出現(xiàn)形狀畸變和結(jié)構(gòu)丟失；對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，當(dāng)選擇文件格式不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)形狀畸變和結(jié)構(gòu)丟失，而且形狀越復(fù)雜，這樣的現(xiàn)象越明顯。如圖1所示的汽車某覆蓋件，使用UG進(jìn)行三維建模，采用IGS格式導(dǎo)入時(shí)，結(jié)構(gòu)缺失嚴(yán)重，采用STL格式和PRT格式導(dǎo)入時(shí)，沒有出現(xiàn)形狀畸變和結(jié)構(gòu)丟失。因此，最好直接使用模流分析軟件MDL接口導(dǎo)入模型[7]，或者使用STL格式導(dǎo)入，盡量少采用IGS格式導(dǎo)入。

圖1 汽車某覆蓋件

圖2 導(dǎo)入IGS格式

圖3 導(dǎo)入STL格式

圖4 導(dǎo)入PRT格式

1.2 網(wǎng)格類型的選擇

在運(yùn)行分析之前，必須擁有網(wǎng)格化的模型。網(wǎng)格表示零件形狀，在它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處對(duì)成型屬性進(jìn)行計(jì)算。選定的網(wǎng)格類型或分析技術(shù)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(wǎng)格類型。采用哪種網(wǎng)格類型，與零件結(jié)構(gòu)和形狀相關(guān)，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(wǎng)格類型網(wǎng)格數(shù)量少，分析速度快，但有些零件中性層提取比較困難，3D網(wǎng)格類型網(wǎng)格數(shù)量多，運(yùn)算速度很慢，因此大多數(shù)情況下都采用雙層面的網(wǎng)格。

1.3 網(wǎng)格尺寸的選擇

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

圖5 網(wǎng)格尺寸與計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確度的關(guān)系

2 網(wǎng)格修復(fù)的技巧

網(wǎng)格劃分完成之后，在模擬分析之前，需要對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行診斷，以衡量網(wǎng)格劃分的質(zhì)量[9-10]。Autodesk Moldflow Synergy軟件中，衡量網(wǎng)格質(zhì)量的參數(shù)主要有縱橫比、自由邊和多重邊、網(wǎng)格取向、相交單元和重疊單元、匹配率等，網(wǎng)格劃分完成后，必須保證以上參數(shù)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，否則分析計(jì)算不準(zhǔn)確，甚至不能進(jìn)行分析計(jì)算[11]。在修復(fù)網(wǎng)格時(shí)，以上參數(shù)修復(fù)順序直接關(guān)系到網(wǎng)格修復(fù)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(wǎng)格取向的順序進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)。

圖6 平板邊框

圖7 模型優(yōu)化后的平板邊框

匹配率是雙層面網(wǎng)格最重要的參數(shù)之一，是網(wǎng)格生成后首先檢查的網(wǎng)格參數(shù)，匹配率必須達(dá)到一定的數(shù)值，才能確保網(wǎng)格質(zhì)量，保證分析計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)于流動(dòng)分析而言，網(wǎng)格匹配率必須達(dá)85%以上，翹曲分析達(dá)90%以上[12-13]。當(dāng)匹配率不符合要求時(shí)，首先可以通過減小網(wǎng)格尺寸的方法提高匹配率；如果模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以采用去除小圓角、小肋條等方法優(yōu)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(yōu)化模型時(shí)，去除小圓角和倒直角，如圖7所示。模型優(yōu)化前和優(yōu)化后網(wǎng)格數(shù)和匹配率對(duì)比見表1，從表1中可以看出，網(wǎng)格尺寸越小，匹配率越高；相同的網(wǎng)格尺寸下，模型優(yōu)化后網(wǎng)格數(shù)下降，匹配率上升。對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行快速充填分析，保證澆口位置、成型參數(shù)設(shè)置一致，從圖8可以看出，充填末端壓力數(shù)值變化不大，說明采用優(yōu)化模型的方法可行。當(dāng)采用上述方法匹配率不能達(dá)到要求時(shí)，可以采用中性面或3D網(wǎng)格類型。

表1 模型優(yōu)化前和優(yōu)化后網(wǎng)格數(shù)和匹配率對(duì)比表

圖8 填充末端壓力

相交單元和重疊單元是指兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格單元發(fā)生穿插或重疊現(xiàn)象[14]。一般方法是通過刪除網(wǎng)格單元，然后創(chuàng)建三角形網(wǎng)格完成修復(fù)；也可以通過合并節(jié)點(diǎn)快速完成修復(fù)。如圖9（a）所示的模型，網(wǎng)格診斷后，出現(xiàn)相交單元，如果按照一般方法，進(jìn)行修復(fù)時(shí)，先刪除網(wǎng)格1、2和3，然后再重新創(chuàng)建三角形單元，修復(fù)效率低。可以通過分別合并圖9（b）、圖9（c）中節(jié)點(diǎn),完成快速修復(fù)交叉單元，修復(fù)后模型如圖9（d）所示。

圖9 相交單元和重疊單元修復(fù)

自由邊產(chǎn)生的原因有兩個(gè)：一是修復(fù)相交單元和重疊單元時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生自由邊，另一個(gè)是模型轉(zhuǎn)中性文件的過程中產(chǎn)生破面。修復(fù)自由邊一般通過創(chuàng)建三角形網(wǎng)格單位即可，修復(fù)完成，必須和模型對(duì)比，不能發(fā)生結(jié)構(gòu)和形狀的變化。模型轉(zhuǎn)中性文件時(shí)，本不應(yīng)該相連的多個(gè)面發(fā)生連接，因此產(chǎn)生重疊邊。有時(shí)相交單元和重疊單元會(huì)導(dǎo)致重疊邊的出現(xiàn)，這種情況下，只要完成相交單元和重疊單元的修復(fù)，重疊邊就會(huì)消失；如果沒有，需要找到將使用重疊邊的幾個(gè)網(wǎng)格單元?jiǎng)h除，然后重新創(chuàng)建三角形網(wǎng)格單元。

圖10 縱橫比診斷

縱橫比是衡量雙層面網(wǎng)格和中性層網(wǎng)格質(zhì)量好壞的重要參數(shù)，縱橫比高，說明存在狹長(zhǎng)的三角形網(wǎng)格單元，將會(huì)影響流動(dòng)分析的時(shí)間和準(zhǔn)確率。一般要求縱橫比平均值小于3，最大值小于6[15]。修復(fù)縱橫比可以通過合并三角形節(jié)點(diǎn)的方式，快速消除狹長(zhǎng)三角形單元。當(dāng)縱橫比診斷時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)最大縱橫比數(shù)值上萬，甚至如圖9所示達(dá)到10的十幾次方時(shí)，表明出現(xiàn)零面積單元，這時(shí)應(yīng)該進(jìn)行零面積單元診斷。刪除零面積單元后，再進(jìn)行縱橫比修復(fù)。

3 結(jié) 論

1）Autodesk Moldflow Synergy軟件盡量直接使用模流分析軟件MDL接口導(dǎo)入模型，或者使用STL格式導(dǎo)入，盡量少采用IGS格式導(dǎo)入。2）Autodesk Moldflow Synergy軟件中大多數(shù)情況下采用雙層面的網(wǎng)格長(zhǎng)度為制品厚度的1～2倍，既可保證模擬的準(zhǔn)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(wǎng)格取向的順序進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)。4）匹配率與網(wǎng)格尺寸相關(guān)。網(wǎng)格尺寸越小，匹配率越高；可以通過減小網(wǎng)格尺寸的方法提高匹配率；當(dāng)雙層面網(wǎng)格匹配率不能達(dá)到要求時(shí)，可以采用中性面或3D網(wǎng)格類型。5）相交單元和重疊單元可以通過合并節(jié)點(diǎn)快速修復(fù)網(wǎng)格。6）自由邊通過創(chuàng)建三角形網(wǎng)格單位完成修復(fù)；重疊邊通過刪除三角形網(wǎng)格，然后重新創(chuàng)建三角形網(wǎng)格單元完成修復(fù)。7）多數(shù)情況下，修復(fù)縱橫比可以通過合并三角形節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行修復(fù)。