文／劉洋·天津汽車模具股份有限公司

結(jié)構(gòu)分析前處理實現(xiàn)要點

文／劉洋·天津汽車模具股份有限公司

結(jié)構(gòu)分析在模具設計與制造中起分析指導作用，計算結(jié)果的準確性十分關鍵，而影響計算結(jié)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(wǎng)格劃分、單元屬性定義和邊界條件設置都至關重要。

結(jié)構(gòu)分析的認識

結(jié)構(gòu)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(yè)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(fā)生結(jié)構(gòu)變形，如彎曲變形、側(cè)向歪斜、水平扭轉(zhuǎn)、滑動等。通過結(jié)構(gòu)分析能預先清楚地計算出模具結(jié)構(gòu)在成形力作用下發(fā)生變形的趨勢，這樣就能對后續(xù)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(nèi)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(jié)構(gòu)變形（一般以彎曲為主)。在模面處理時需要綜合考慮結(jié)構(gòu)變形、工件減薄和制件回彈等因素對成形工藝的影響。

結(jié)構(gòu)分析的基本步驟

結(jié)構(gòu)分析整體過程分為兩部分，第一部分為結(jié)構(gòu)分析前處理，指的是創(chuàng)建實體模型以及有限元模型，包括創(chuàng)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(wǎng)格（面網(wǎng)格、體網(wǎng)格)和修改模型等內(nèi)容，具體流程為實體理想化→網(wǎng)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(jié)構(gòu)分析后處理，指的是整理和分析計算結(jié)果，制作分析報告為后續(xù)工作的展開提出指導意見，具體步驟包括求解和結(jié)果分析。

仿真模型的構(gòu)建規(guī)范

仿真模型的建立過程屬于結(jié)構(gòu)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(wǎng)格劃分的質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)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(fā)生不收斂現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)Part文件，并分別導出機床（滑塊和導柱)、上模（后序?qū)С鰤毫闲?、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(jié)構(gòu)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(yōu)化，這樣能更便于網(wǎng)格的劃分，確保網(wǎng)格質(zhì)量，減少實體網(wǎng)格的數(shù)量，減少計算時間，提高計算精度，逼近真實結(jié)果。具體處理事項如下：⑴移去對計算結(jié)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(jié)構(gòu)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(wǎng)格劃分

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

⑴二維網(wǎng)格。二維網(wǎng)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(wǎng)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(fā)生變形。為了提升二維網(wǎng)格的質(zhì)量，對一些多余的節(jié)點進行刪除，在一些網(wǎng)格翹起的地方添加節(jié)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(jié)點。打開“Edge Merge”界面，點擊清理節(jié)點命令。點擊“Split Edge”按鈕，添加節(jié)點命令。3)二維網(wǎng)格質(zhì)量檢查。二維網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到三維網(wǎng)格的質(zhì)量，對于二維網(wǎng)格的質(zhì)量評定標準是網(wǎng)格單元越接近等邊三角形越好，內(nèi)角度為30°～120°，不能出現(xiàn)扭曲、變形、重疊。

⑵三維網(wǎng)格。

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

2)三維網(wǎng)格質(zhì)量評估。單元的質(zhì)量和數(shù)量對求解過程和求解結(jié)果影響較大，如果結(jié)構(gòu)單元全部由正四面體、六面體等單元構(gòu)成，則求解精度可接近實際值。因此根據(jù)模型的不同特征，設計不同形狀種類的網(wǎng)格，有助于改善網(wǎng)格的質(zhì)量和求解精度。單元質(zhì)量評價一般可采用以下指標：①扭曲度。單元面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)和面外的翹曲程度。②疏密過渡。網(wǎng)格的疏密主要表現(xiàn)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(nèi)圓角的影響小得多。③節(jié)點編號排布。節(jié)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(nèi)存及空間有一定的影響。合理的節(jié)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(jié)點和單元。

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

圖4 劃完網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)格較粗，而另一個面上的網(wǎng)格較細，應指定粗網(wǎng)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(wǎng)格的數(shù)量，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)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(chǎn)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(nèi)部的一些缺陷需要排除，如劃分實體時布爾運算產(chǎn)生的缺陷，否則會影響到三維網(wǎng)格的劃分。⑷盡量避免簡化后實體出現(xiàn)尖角、棱線。

網(wǎng)格對計算的影響

網(wǎng)格數(shù)量

網(wǎng)格數(shù)量的多少直接影響到計算時間和計算精度。一般來講，網(wǎng)格數(shù)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(wǎng)格數(shù)量時需要綜合考慮這兩方面的因素。圖8中曲線1表示結(jié)構(gòu)中位移隨網(wǎng)格數(shù)量變化的收斂情況，曲線2表示計算時間隨網(wǎng)格數(shù)量變化而變化的情況。

從圖8中可以看出，當網(wǎng)格數(shù)量比較少時，增加網(wǎng)格數(shù)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(wǎng)格數(shù)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(wǎng)格數(shù)量的變化

網(wǎng)格疏密

網(wǎng)格疏密程度是指在結(jié)構(gòu)不同的部位采用大小不同的網(wǎng)格，為了適應計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應力集中處)，同時較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計算數(shù)據(jù)變形較小的部位，為了減小模型規(guī)模，則應劃分相對疏散的網(wǎng)格。這樣一來，整個結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)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(jié)構(gòu)的曲線或曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復雜場函數(shù)，所以結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)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(jié)點數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下，由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多。因此在使用時應權衡考慮計算時間和精度。

網(wǎng)格質(zhì)量

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

單元類型

圖9 不同類型網(wǎng)格單元的模擬結(jié)果

在網(wǎng)格劃分過程中，網(wǎng)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(wǎng)格劃分時能做出明確的選擇。根據(jù)單元位移函數(shù)(形函數(shù))的不同，可以分為一次單元、二次單元。二維網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(guī)模小，但是精度不高，計算結(jié)果不準確，模擬相對不真實。一次三角形的形狀過于穩(wěn)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(guī)模大，但是精度高，計算結(jié)果準確，模擬較為真實。所以通常選用二次單元。

對于三維網(wǎng)格，二次單元比一次單元更能反映真實結(jié)果，所以一般都采用二次四面體或六面體單元，對于結(jié)構(gòu)比較簡單的采用二次六面體單元，而結(jié)構(gòu)較為復雜的需采用二次四面體單元。