汽车车身地板总成有限元分析网格的快速修复

汽车车身地板总成有限元分析网格的快速修复

随着计算机和数值分析方法的发展，有限分析是解决复杂工程计算问题的有效途径。而结构分析结果的可靠性最终取决于所建立的有限元模型质量。现在通用的有限元分析软件主要有Abaqus,Ansys,I-DEAS,MARC,Nastran,Permas等,但在进行模型数据网格划分等前处理工作时,模型存在的缝隙、重叠、错位等不规则形状,给有限元建模工作带来许多麻烦,即几何清理问题,它涉及到小特征的抑制,复杂形状网格划分,前处理不好会影响网格质量,严重时会导致有限元模型无法求解或结果失真,甚至是难以克服的障碍,因此应给予充分重视。Hypermesh作为一种优秀的有限元网格划分软件已被广泛运用于各个领域的复杂工程计算的前处理,为用户提供了一整套先进、完善、使用方便的工具包。本文针对Hypermesh特有的网格划分与质量检查等方面灵活运用进行了介绍,得出了一些重要结论。1cad几何数模的导入在了解所分析的零部件的功能或者要解决的问题性质基础上,必须明确以下几个因素:设计区域、目标与约束、分析类型与模型。实践证明,拓扑优化约97%的时间消耗在有限元分析过程中。确定分析的目的和内容,简单模型可用CAE软件自带的简单建模工具进行建模,但结构复杂的模型需导入利用Pro/E,UG或CATIA等所建的CAD几何数模。如果是较大的项目,需要考虑模型规模的大小,在同类车型基本结构参数基础上,提取典型参数,如总布置参数(主要包括车长、车宽、车高、车门数、车门位置、前悬、后悬、轴距、轮距、接近角、离去角、最小离地间隙等),根据车身轮廓空间尺寸,在相应位置预留出驾驶室座椅、车门及轮罩位置,构建优化设计空间。本文利用CATIA中钣金建模模块(SheetMetalModule)建立的车身地板总成CAD模型如图1所示。建模过程中鉴于如小孔、开口、或由胀形工艺压成的尺寸不大的筋和凸台等小尺寸结构,其设计目的并非用于提高刚度方面考虑,包括一些小的圆角结构,常常是从制造工艺和安装其它设备以及与其它部件配合的角度出发的,因此可将这些对结构特性影响很小的部分简化掉。2midsurfix面板网格划分将数据输入Hypermesh是一个繁琐的过程,需要结合其一般准则:如有相关接口,则首选相关接口,否则应将其转换为IGES/STL形式再输入模型;在导入过程中,有可能发生几何特征缺失或者产生一些不必要的小碎面,故需要通过AutoCleanup结合其它面板进行几何整理或修复,如对模型中存在的自由边、T接头进行处理,释放硬点等。由于地板总成为钣金件焊接而成,所以在形成封闭面后,要先提取中面之后,即可选用方便的Automesh面板进行网格划分。由Midsurface面板提取中面后定义网格尺寸为20mm,地板总成5个钣金件共划分为15653个节点,15827个单元。初始网格划分模型如图2所示。3queindex面板的pge首先对模型网格进行总体评价。Qualityindex面板是一个重要的网格质量检查工具,CompQI为衡量总体网格质量的重要参数,可表示如下:CompQI=SUM⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪满足阀值的单元各QI值加权平均不满足阀值的各QI值加权和QΙ=SUΜ{满足阀值的单元各QΙ值加权平均不满足阀值的各QΙ值加权和其中,质量指标QI为各标准惩罚值的函数。进入Qualityindex面板的pg3,调用已设置的标准Criteria,其中目标单元尺寸为20,注意此时CompQI值为3780.02。图形界面显示的前地板如图3所示,可见越平坦部位划分质量越好,但不可避免棱角部位网格质量不能满足要求,图中以色码显示,颜色越深质量越差。3.1单元格手动处理3.1.1孔周围单元格划分地板前端两边留有螺栓孔,与前车箱支撑梁相连,故此为承受载荷的重要部位,应予以保留。对于孔周围网格划分可调用Utility中Addwasher,设置宽度12,孔周围最小单元数为10,选取孔周围的某一节点,即可方便快捷的划分孔周围的单元格,如图4所示。利用Smooth面板进行总体平滑处理,配合pg3面板中节点定位、共享边交换及节点、单元优化等,手工优化网格质量,应用到的面板如图5所示。3.1.2单元格自适应识别模块除利用上述方法,也可将不合格单元删除,结合Elemedit对其进行编辑修改,即单元格劈分、重组。该面板也可用于去除网格中三角形单元,删除单元格的某行后产生的缝隙可通过Replace面板缝合等,如图6所示。这些质量不达标的单元很容易在前处理期间被忽视,而这些单元在一定程度上却可能成为后期结构分析计算的障碍,必须予以处理。3.2单元清理面板elemclearup以上仅列举了一些简单但易被忽视的例子,与Smooth面板相类似,基于已定义标准的单元清理面板Elemcleanup实现了2D部分网格的自动清理,其应用于模型或外部文件不符合当前标准的情况下。此面板可以对模型总体网格进行全面的单元自动清理与优化,从而避免手工对整个模型网格逐一处理,达到快速清理的目的。4刑质指标影响重新回到Qualityindex面板,如图7所示,结合表1观察通过整理后的网格质量指标,此时CompQI值已由最初的3780.02降低为131.04,已基本满足此阶段质量要求。通过观察图7面板中QI列可了解各指标对网格质量的影响程度。可以看出,翘曲度Warpage指标对于综合值CompQI贡献最大,而一些如最大尺寸等指标的贡献最小,从而在降低复合质量指标过程中可忽略该指标的影响,这是由模型复杂程度决定的。可通过分别打开Checkelems面板某一指标来查看单元格质量情况,从而根据该指标信息对其进行查看、进一步编辑与修改,如图8所示。设置翘曲度Warpage指标为5,调用Assignplot功能,可以更直观地看到,仅红色区域①处翘曲度在5上下变化,大部分为蓝色区域②,翘曲度均低于5,全部单元质量满足此项指标要求。最终生成的评价数据见图9。4基于质量的大规模网格质量优化方法模型修复与网格划分在有限元分析中占据着重要地位。Qualityindex面板用于评估网格划分的质量,通过定义标准对网格的质量进行优化,对于提高总体或局部划分质量非常重要。Smooth面板具有对矩形平面上网格节点位置、尺寸、形状进行调整,或选择自动处理以及对已定义的标准