劉德平　王國(guó)鋒　沈輝　彭鴻　管迪

摘 要：塑料件因其密度小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用，成為汽車中不可缺少的一部分。同時(shí)塑料件具有厚度多變，結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜的特性，使其有限元建模相對(duì)鈑金件建模更復(fù)雜和耗時(shí)，為提高建模效率縮短建模周期本文基于大型前處理軟件ANSA介紹了塑料件有限元建模新技術(shù)，并通過(guò)模態(tài)、剛度、接觸力和加速度等不同維度驗(yàn)證了新技術(shù)的可行性。新技術(shù)不僅提高了建模效率，同時(shí)也保證了仿真精度。

關(guān)鍵詞：塑料件 新技術(shù) ANSA 有限元建模 property thickness section thickness

Research on New Technology of Finite Element Modeling of Plastic Parts

Liu Deping Wang Guofeng Shen Hui Peng Hong Guan Di

Abstract：Plastic parts are widely used due to their low density and light weight， and become an indispensable part of automobiles. At the same time， plastic parts have the characteristics of variable thickness and complex structural features， making finite element modeling more complicated and time-consuming than sheet metal modeling. In order to improve modeling efficiency and shorten modeling cycle， this article is based on the large-scale pre-processing software ANSA. The new technology of finite element modeling of plastic parts has verified the feasibility of the new technology through different dimensions such as modal， stiffness， contact force and acceleration. The new technology not only improves modeling efficiency， but also ensures simulation accuracy.

Key words：plastic parts， new technology， ANSA， finite element modeling， property thickness， section thickness

1 引言

有限元法是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種工程實(shí)用數(shù)值分析方法，現(xiàn)已成為航空航天、機(jī)械電子、土木工程、汽車等領(lǐng)域不可缺少的計(jì)算工具[1]。有限元分析的結(jié)果精度和有限元模型質(zhì)量有密切的關(guān)系，高質(zhì)量的有限元模型是有限元分析的基礎(chǔ)和前提。如何快速、高效的完成有限元建模是CAE人員必須具備的基本能力之一。CAE工程師80%時(shí)間是在建立有限元模型和修改模型，整車模型中最多的零件是鈑金件和塑料件。鈑金件厚度單一特征簡(jiǎn)單，在整車建模中難度小，通過(guò)batchmesh即可獲得優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格。塑料件因其厚度多變，結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，使其有限元建模相對(duì)鈑金件建模更復(fù)雜和耗時(shí)，通常占據(jù)整車建模三分之一的時(shí)間。如今人們生活水平不斷提高，人們對(duì)汽車提出了更節(jié)能、更美觀、更環(huán)保、更舒適、更安全的要求，因此要求汽車具有更多更實(shí)用功能。塑料件因其具有密度小，質(zhì)量輕，不易腐蝕，易成型等優(yōu)良性能，使其在汽車中的應(yīng)用不斷增加，隨著塑料件的廣泛應(yīng)用，塑料件有限元建模所需時(shí)間在整車建模中所占比例也將增大，如何快速高效的完成塑料件有限元建模，保障項(xiàng)目順利進(jìn)行成為了一大難題。目前使用率最高的前處理軟件是hypermesh和ANSA，這兩個(gè)軟件在塑料件建模中各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文主要講述基于ANSA的塑料件有限元建模新技術(shù)。通過(guò)casting將網(wǎng)格直接生成中面，并根據(jù)幾何自動(dòng)計(jì)算厚度，同時(shí)將厚度賦予單元節(jié)點(diǎn)上，厚度方式由property thickness轉(zhuǎn)為了section thickness，代替手動(dòng)測(cè)量每個(gè)幾何面厚度的繁瑣操作，即使模型中所有網(wǎng)格單元厚度丟失仍可通過(guò)幾何自動(dòng)將厚度賦予單元，這是一種新的建模技術(shù)。

2 塑料件常用建模流程

塑料件常用的建模方式是先抽取中面，在中面上建立符合要求的網(wǎng)格，網(wǎng)格完成后手動(dòng)測(cè)量每個(gè)幾何面厚度并將不同厚度的單元分為不同的property。主要包括七個(gè)步驟：CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入、幾何清理、抽取中面、網(wǎng)格劃分、付屬性、模型連接&檢查、模型試算等。

3 塑料件新技術(shù)建模流程

塑料件新建模技術(shù)減少了抽取中面和手動(dòng)測(cè)量每個(gè)面的厚度的過(guò)程。主要包括五個(gè)步驟：CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入、幾何清理、casting網(wǎng)格、模型連接、模型檢查&試算等，如圖1所示：

3.1 CAD數(shù)據(jù)輸入

ANSA與其它CAD數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)軟件有強(qiáng)大的接口能力，支持多種格式的CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入，包括CATPart、IGES、STEP、JT、XML等，且CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSA的效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量都很高[2]。高質(zhì)量的CAD數(shù)據(jù)為有限元建模提供了便利，節(jié)省不必要的重復(fù)工作。同時(shí)ANSA也支持?jǐn)?shù)據(jù)打開后自動(dòng)保存功能，解決了用戶因保存不及時(shí)數(shù)據(jù)被突然關(guān)閉的困擾。

3.2 幾何清理

創(chuàng)建有限元網(wǎng)格之前需要對(duì)幾何數(shù)據(jù)處理，通過(guò)Checks-Geometry可檢查數(shù)據(jù)問(wèn)題并自動(dòng)修復(fù)部分破面或重復(fù)的面，減少手動(dòng)操作。如圖2所示：

3.3 casting網(wǎng)格

抽取幾何中面是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，遇到特征復(fù)雜厚度多變的零件可能抽取不了中面或抽取后的中面不能用，增加了無(wú)效時(shí)間。ANSA擁有強(qiáng)大前處理功能，通過(guò)casting實(shí)現(xiàn)從幾何到中面網(wǎng)格的過(guò)渡，減少了抽取中面的環(huán)節(jié)。通過(guò)設(shè)置casting的基本參數(shù)可生成中面網(wǎng)格，通常只需要設(shè)置平均尺寸和最小厚度。ANSA自動(dòng)生成的網(wǎng)格大小均勻，一般不存在細(xì)小單元，網(wǎng)格生成后需要調(diào)整部分不符合質(zhì)量要求的網(wǎng)格。Casting界面如圖3所示：

塑料件的厚度是多變的，常用的塑料件建模方式是手動(dòng)測(cè)量每個(gè)面的厚度，并將相同厚度的單元?dú)w屬到同一個(gè)property，通常一個(gè)塑料件會(huì)有幾個(gè)或者幾十個(gè)property，這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量時(shí)間且存在很大誤差。采用新的建模技術(shù)可直接生成中面網(wǎng)格，并根據(jù)幾何實(shí)際厚度自動(dòng)將厚度賦予每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，減少了手動(dòng)測(cè)量厚度的工作，減小了因人為測(cè)量帶來(lái)的誤差。新建模技術(shù)可提高20%-25%的效率，每個(gè)單元的厚度準(zhǔn)確且方便。shell厚度如圖4所示：

3.4 模型連接

單個(gè)系統(tǒng)內(nèi)塑料件是通過(guò)螺栓和卡扣來(lái)連接。有限元模型里螺栓普遍采用RBE2+CBAR+RBE2或RBE2來(lái)模擬，螺栓連接如圖5所示：

卡扣連接普遍采用RBE2+CBAR+RBE2方式模擬，但卡扣與螺栓的CBAR在有限元模型中的屬性不一樣，需要注意區(qū)分?？圻B接如圖6所示：

3.5 模型檢查&驗(yàn)算

模型完成后通過(guò)ANSA自帶的檢查工具Checks Manager檢查模型，Checks Manager分為多個(gè)模塊，根據(jù)需要選擇模塊，如NASTRAN Checks，檢查結(jié)果如圖7所示：

若模型某項(xiàng)存在問(wèn)題則status為或，將檢查出的問(wèn)題更新，直到各項(xiàng)檢查狀態(tài)都是（某些特殊項(xiàng)除外）。

模型無(wú)問(wèn)題后導(dǎo)出模型驗(yàn)算，如模型存在問(wèn)題，計(jì)算會(huì)停止，同時(shí)將報(bào)錯(cuò)信息輸出到文件，通過(guò)查看信息文件（如f06文件）將報(bào)錯(cuò)問(wèn)題找到并解決，直至模型可以正常計(jì)算。計(jì)算完成后通過(guò)Meta或HyperWorks讀取結(jié)果，通過(guò)結(jié)果動(dòng)畫檢查模型是否存在問(wèn)題，如連接是否缺失，能量是否正常等。為驗(yàn)證新技術(shù)的可行性，從模態(tài)、剛度、接觸力&加速度、建模效率等不同的維度進(jìn)行驗(yàn)證。

1）模態(tài)驗(yàn)證：將同一個(gè)門內(nèi)飾模型采用相同的設(shè)置，計(jì)算前20階模態(tài)。模型A采用傳統(tǒng)建模方式即手動(dòng)測(cè)量厚度并分成不同property，模型B采用新技術(shù)建模，厚度通過(guò)單元節(jié)點(diǎn)體現(xiàn)，由計(jì)算得出模型A的模態(tài)是17.52HZ，模型B的模態(tài)是：17.62HZ，兩個(gè)模型模態(tài)基本一致。模態(tài)云圖如圖8和圖9所示：

2）剛度驗(yàn)證：將同一個(gè)門內(nèi)飾模型采用相同的設(shè)置，加載50N的力計(jì)算其剛度。模型A采用傳統(tǒng)建模方式即手動(dòng)測(cè)量厚度并分成不同property，模型B采用新技術(shù)建模即厚度賦予每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，得出模型A的加載點(diǎn)位移是6.2mm，剛度是8.06MP，最大位移是6.27mm;模型B的加載點(diǎn)位移是：6.19mm，剛度是8.08MP，最大位移6.26mm，兩者結(jié)果基本一致。位移云圖如圖10和圖11所示：

3）接觸力、加速度&變形模式驗(yàn)證：將同一個(gè)模型采用相同的設(shè)置，加載一定的速度撞擊剛性墻驗(yàn)證接觸力、加速度和變形模式。藍(lán)色曲線是運(yùn)用新技術(shù)建模得出的接觸力和加速度曲線，紅色曲線是采用傳統(tǒng)方式建模得出的接觸力和加速度曲線。結(jié)果表明兩種建模方式的接觸力和加速度基本一致，模型變形基本一致，驗(yàn)證了新技術(shù)的可行性。曲線如圖12和13所示，模型變形如圖14和圖15所示：

3）建模效率對(duì)比：同一個(gè)內(nèi)飾數(shù)據(jù)保證模型精度情況下，按照新技術(shù)建?？梢蕴岣呒s20%-25%的效率。建模效率對(duì)比如圖16所示。

4 結(jié)論

隨著仿真技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)有限元建模效率也提出了更高的要求。塑料件因其厚度多變特征復(fù)雜，致使有限元建模周期長(zhǎng)，為縮短建模周期本文基于ANSA軟件介紹了塑料件有限元建模新技術(shù)，并通過(guò)不同的維度進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證我們發(fā)現(xiàn)新技術(shù)不僅保證了仿真精度，同時(shí)提升了建模效率，為后續(xù)大規(guī)模運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)，目前已在多個(gè)車型中運(yùn)用。

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