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有限元素結構分析 (FEA) 的基礎知識

在諸如模擬之類的電腦輔助工程(CAE)應用程式中,有多種類型的軟體可以分析您的產品,例如有限元分析(FEA),計算流體力學(CFD)等。

要進行CAE模擬,需要進行三個重要的分析步驟:前處理,求解和後處理。讓我們討論FEA前處理步驟,特別是高品質網格的重要性。

      變速箱外殼零件上的範例網格

 

  • 什麼是FEA中的網格劃分?

有限元分析(FEA)是包含零件/組件,材料屬性和邊界條件的物理系統的數學表示。在某些情況下,無法通過簡單的手工計算來近似現實世界中的產品行為。像FEA這樣的通用技術是一種通過使用偏微分方程精確捕獲物理現象來表示複雜行為的便捷方法。FEA已經成熟並且已經民主化,因此設計工程師和專家都可以使用它。

網格劃分是使用FEA進行精確模擬的最重要步驟之一。網格由包含代表幾何形狀形狀的節點(可隨元素類型變化的空間坐標位置)的元素組成。FEA求解器無法輕鬆處理不規則形狀,但是對於常見的形狀(例如立方體)則更加滿意。網格劃分是將不規則形狀變成更易識別的體積(稱為“元素”)的過程。

開始網格劃分之前,必須首先將幾何圖形或CAD模型導入到,例如Ansys Mechanical or LS-DYNA 中才能開始模擬過程。

 

  • 如何為網格劃分準備CAD /幾何

在使用FEA模擬軟體(例如 Mechanical or LS-DYNA )時,確定需要對CAD模型中的哪些要素進行網格劃分以及哪些要素不需要進行網格劃分非常重要。很多時候,CAD幾何形狀非常複雜且出於製造目的而細化。但是對於模擬而言,您可能不需要所有細節,因此可以對幾何圖形的各個部分進行簡化處理,這意味著刪除這些細節可以節省時間。

例如,您的產品可能附有logo。您可能不需要學習此logo的物理效果,因此可以將logo打碎以避免產生網格,從而節省了網格並節省了時間。

    使用Ansys Spaceclaim,可以輕鬆簡化幾何圖形上的銘牌,以避免對logo進行不必要的分析。
 

準備要進行模擬的CAD模型的另一個重要方面是描述幾何中兩個或多個零件之間的關係。例如,如果您的幾何圖形在公共面(或邊)之間共享節點,那麼確定它是保形網格還是非保形網格很重要。保形網格用於通過膠水或焊縫連接的零件。非共形網格用於通過接觸或接頭連接的零件。在Ansys Mechanical中,您可以混合使用這些方法來滿足您的需求。

 

  • 網格劃分方法的類型:四面體與六面體

網格劃分方法主要有兩種。為此,我們指的是3D模型:

  • 四面體單元網格或“ tet”
  • 六面體單元網格或“hex”或“Brick”

Hex 元素通常可以比 tet 元素更少的元素數量,產生更準確的結果。如果幾何形狀複雜,則tet元素可能是最佳選擇。這些預設的或自動的網格劃分方法可能足以使您到達需要的位置,但是,還有其他方法可以為您提供更多的網格控制。

 

  • 混合網格 (Hybrid Meshing)

在“Mechanical”中,可以使用“多區域Multizone method”方法,該方法是hex和tet元素的混合,允許您使用不同的方法對幾何圖形的不同部分進行網格劃分。這使您可以執行較少的幾何準備,並擁有更多的局部控製網格。 

       使用Ansys Mechanical的混合網格劃分功能的管道連接幾何。
 

  • 掃描網格 (Sweep Meshing)

使用掃描網格劃分時,網格實際上會“掃描”整個體積和面的網格,以幫助創建具有常規大小的有效網格。

確定使用哪種網格方法通常取決於要解決的分析類型(顯式或隱式)或物理學,以及要達到的精度水平。其他一些選擇是笛卡爾網格劃分和分層tet,用於諸如增材製造之類的特定分析。

 

  • 網格控制

網格劃分控件可實現更精確的網格劃分。Ansys Mechanical使您可以控制局部網格,而不是控制使用相同方法將整個CAD網格化的全局網格。局部網格控制的一些範例包括幾何的局部大小,細化和影響範圍。

讓我們以摩托車框架為例。您可能想在整個幾何體上應用通用的網格方法,但是在焊接和螺栓連接所在的位置使用不同的策略。使用局部網格劃分控件可讓您在這些位置創建更精細的網格,而不用較小的元素對整個零件進行網格劃分,這需要花費更長的時間才能解決。

     摩托車車架的幾何形狀已網格化,顯示出焊接接頭。
 

  • 為什麼高質量的網格很重要?

簡而言之,高質量的網格等於更精確的結果。較差的網格會導致收斂困難,從而可能導致錯誤的結果和錯誤的結論。網格的質量取決於以下幾種情況:

您正在執行哪種類型的分析。
您要在網格上投入多少時間。
您想投資多少時間來解決問題。
在某些情況下,您可能正在尋找一種快速的解決方案,這將有助於闡明設計決策。在這種情況下,您可能不想花費很多時間來設置網格。有時,您可能需要非常精確的解決方案或結果,這需要花費一些時間和精力才能使用不同的方法和控件來設置網格。

好的網格具有符合您的需求(分析類型,準確性級別,時間)的質量標準,例如元素質量和長寬比。最終,我們建議您了解您的幾何形狀並使用控件來獲得最佳的網格效果-畢竟,這將導致更好的產品設計。

 

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