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(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

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(shè)計(jì)與制造中起分析指導(dǎo)作用，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵，而影響計(jì)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(shè)置都至關(guān)重要。

結(jié)構(gòu)分析的認(rèn)識(shí)

結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常見的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，在汽車模具制造業(yè)中同樣應(yīng)用廣泛，也起著非常大的作用。模具受成形力的作用會(huì)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(dòng)等。通過結(jié)構(gòu)分析能預(yù)先清楚地計(jì)算出模具結(jié)構(gòu)在成形力作用下發(fā)生變形的趨勢(shì)，這樣就能對(duì)后續(xù)工作起到指導(dǎo)作用。

對(duì)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(yīng)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(shí)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(duì)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(shí)體模型以及有限元模型，包括創(chuàng)建實(shí)體模型、定義單元屬性、設(shè)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(shí)體理想化→網(wǎng)格劃分→加載材料→邊界條件設(shè)置→綜合檢查（導(dǎo)出求解文件)，本文主要針對(duì)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(jì)算結(jié)果，制作分析報(bào)告為后續(xù)工作的展開提出指導(dǎo)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(huì)直接影響到后處理的求解和分析過程。實(shí)體理想化是否合理將會(huì)影響到網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)量差將會(huì)影響到計(jì)算的時(shí)間、精度，甚至可能會(huì)在計(jì)算中途發(fā)生不收斂現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)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(shí)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(jī)床模型。將沖壓機(jī)床Part導(dǎo)入實(shí)體裝配文件，在實(shí)體Part（裝配)里挪動(dòng)模具去和機(jī)床對(duì)齊，通過對(duì)齊壓板槽將模具中心和機(jī)床中心對(duì)齊。

實(shí)體理想化

首先導(dǎo)出單個(gè)結(jié)構(gòu)Part文件，并分別導(dǎo)出機(jī)床（滑塊和導(dǎo)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(duì)各個(gè)Part部件進(jìn)行實(shí)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(shí)檢查是否有實(shí)體缺陷，對(duì)有實(shí)體缺陷的地方進(jìn)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(shí)體網(wǎng)格的數(shù)量，減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，逼近真實(shí)結(jié)果。具體處理事項(xiàng)如下：⑴移去對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的特征，包括基準(zhǔn)、CH孔、安全平臺(tái)、安裝面、吊耳等。⑵為滿足其他設(shè)備而設(shè)計(jì)的特征，如流水孔、過線孔、鍵槽等。⑶實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)留下的缺陷，如實(shí)體中的碎面、結(jié)構(gòu)面之間的縫隙等。實(shí)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(duì)照

圖2 實(shí)體理想化后的拉延凹、凸模

網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時(shí)先對(duì)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(duì)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(duì)符型區(qū)劃分二維網(wǎng)格，接著就是劃分體網(wǎng)格；最后進(jìn)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(xiàng)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(diǎn)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(duì)一些型面進(jìn)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(duì)一些多余的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪除，在一些網(wǎng)格翹起的地方添加節(jié)點(diǎn)，具體如下：1)合并型面。打開“Face Merge”界面，點(diǎn)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(diǎn)。打開“Edge Merge”界面，點(diǎn)擊清理節(jié)點(diǎn)命令。點(diǎn)擊“Split Edge”按鈕，添加節(jié)點(diǎn)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(duì)于二維網(wǎng)格的質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算的，三維網(wǎng)格的劃分尤其重要；通常機(jī)床實(shí)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(jī)床導(dǎo)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(dòng)計(jì)算，六節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格。

2)三維網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估。單元的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)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(shí)際值。因此根據(jù)模型的不同特征，設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)一般可采用以下指標(biāo)：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(yīng)力梯度方向和橫向過渡情況，應(yīng)力集中的情況應(yīng)妥善處理，而對(duì)于分析影響較小的局部特征應(yīng)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(diǎn)編號(hào)排布。節(jié)點(diǎn)編號(hào)對(duì)于求解過程中總體剛度矩陣的元素分布、分析耗時(shí)、內(nèi)存及空間有一定的影響。合理的節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)有助于利用剛度矩陣對(duì)稱、帶狀分布、稀疏矩陣等方法提高求解效率，同時(shí)要注意消除重復(fù)的節(jié)點(diǎn)和單元。

打開“Model Check”窗口選擇體網(wǎng)格，Tetra4用于檢查4節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格以及Solid 45(4)單元，Tetra10用于檢查10節(jié)點(diǎn)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(diǎn)擊“Material Properties”命令，按圖5所示加載材料。

圖5 加載材料

設(shè)置邊界條件和載荷

首先在高級(jí)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(duì)網(wǎng)格進(jìn)行排序，再次就是激活模型新建高級(jí)仿真SIM文件，最后設(shè)置邊界條件和載荷。新建new Simulation—SIM文件后進(jìn)行邊界條件設(shè)置。

⑴接觸設(shè)置。在Advanced Simulation工具欄上，單擊Simulation Object Type圖標(biāo)中的箭頭，然后單擊Surface-to-Surface Contact圖標(biāo)，出現(xiàn)Surfaceto-Surface Contact對(duì)話框如圖6所示。

圖6 接觸設(shè)置

⑵主面和從面確定準(zhǔn)則。凸面與平面或凸面與凹面接觸時(shí)，應(yīng)指定平面或凹面為主面；一個(gè)面上的網(wǎng)格較粗，而另一個(gè)面上的網(wǎng)格較細(xì)，應(yīng)指定粗網(wǎng)格面為主面；一個(gè)面比另一個(gè)面的剛度大，應(yīng)指定剛度大的面為主面；一個(gè)面為高階單元，而另一面為低階單元，應(yīng)指定低階單元面為主面；一個(gè)面比另一個(gè)面大，應(yīng)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(biāo)中的箭頭，然后單擊“Force”圖標(biāo)。

⑷設(shè)置固定。在Advanced Simulation工具欄上，單擊“Constraint Type”圖標(biāo)中的箭頭，然后單擊“Fixed Constraint”按鈕。

輸出INP文件

檢查模型，無報(bào)錯(cuò)后輸出INP文件。在Advanced Simulation工具欄上，單擊“Solve”圖標(biāo)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(shí)體理想化注意事項(xiàng)

實(shí)體理想化的目的是在不影響實(shí)體剛度的前提下簡(jiǎn)化實(shí)體，從而減少網(wǎng)格的數(shù)量，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度。在理想化的過程中需要注意一些常見的問題：⑴簡(jiǎn)化較大實(shí)體特征需要考慮是否會(huì)對(duì)實(shí)體剛度產(chǎn)生影響。⑵實(shí)體上用于支撐的筋不可簡(jiǎn)化，如隨行筋、加強(qiáng)筋。⑶實(shí)體內(nèi)部的一些缺陷需要排除，如劃分實(shí)體時(shí)布爾運(yùn)算產(chǎn)生的缺陷，否則會(huì)影響到三維網(wǎng)格的劃分。⑷盡量避免簡(jiǎn)化后實(shí)體出現(xiàn)尖角、棱線。

網(wǎng)格對(duì)計(jì)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(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但是同時(shí)計(jì)算時(shí)間也會(huì)有所延長(zhǎng)，因此在權(quán)衡網(wǎng)格數(shù)量時(shí)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(jì)算時(shí)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(dāng)網(wǎng)格數(shù)量比較少時(shí)，增加網(wǎng)格數(shù)量會(huì)提高計(jì)算精度，計(jì)算時(shí)間沒有太大的變化，但是當(dāng)增加到一個(gè)值以后，再增加網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算時(shí)間將會(huì)大幅度延長(zhǎng)，而計(jì)算精度提高的效果則不明顯。

圖8 位移精度和計(jì)算時(shí)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(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中處)，同時(shí)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(jì)算數(shù)據(jù)變形較小的部位，為了減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對(duì)疏散的網(wǎng)格。這樣一來，整個(gè)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(jì)算精度，因?yàn)楦唠A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(fù)雜場(chǎng)函數(shù)，所以結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時(shí)可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點(diǎn)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(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算時(shí)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(jì)算精度，質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)K止計(jì)算。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個(gè)內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過分扭曲、邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等分點(diǎn)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(xì)長(zhǎng)比、錐度比、內(nèi)角、翹起量、拉伸值、邊節(jié)點(diǎn)位置偏差等指標(biāo)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(jì)算時(shí)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(shí)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(duì)各種類型的網(wǎng)格單元進(jìn)行的模擬。

由圖9可以看出，一次單元的特性是單元解析負(fù)荷小，計(jì)算規(guī)模小，但是精度不高，計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，模擬相對(duì)不真實(shí)。一次三角形的形狀過于穩(wěn)定，模擬不真實(shí)；一次四邊形計(jì)算精度太差，一般也不采用。二次單元的特點(diǎn)是，單元解析負(fù)荷大，計(jì)算規(guī)模大，但是精度高，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，模擬較為真實(shí)。所以通常選用二次單元。

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