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基于碰撞失效模擬的鑄鋁件四面體網(wǎng)格劃分要求

2020-07-16 21:34:30·  來源：迅仿工程技術(shù)ShareFEA  
　
隨著鑄造工藝越來越發(fā)達(dá)，多數(shù)汽車廠商也越來越重視鑄鋁的使用。對(duì)于鑄鋁而言，高壓鑄造工藝使其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能復(fù)雜，合理的網(wǎng)格類型模擬是為了能夠準(zhǔn)確表征實(shí)際鑄
隨著鑄造工藝越來越發(fā)達(dá)，多數(shù)汽車廠商也越來越重視鑄鋁的使用。對(duì)于鑄鋁而言，高壓鑄造工藝使其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能復(fù)雜，合理的網(wǎng)格類型模擬是為了能夠準(zhǔn)確表征實(shí)際鑄鋁件的力學(xué)性能。但完全依靠六面體網(wǎng)格模擬鑄鋁件難度較大，效率低，局部過度區(qū)域復(fù)雜，使其無法利用網(wǎng)格將完整幾何特征表達(dá)出來，因此在提高建模效率的同時(shí)又能保證仿真精度是模擬鑄鋁網(wǎng)格類型的抉擇關(guān)鍵。
 
進(jìn)行鑄造件斷裂失效分析時(shí)，一般六面體網(wǎng)格建模的仿真精度比四面體高，且相同網(wǎng)格尺寸下采用六面體的單元數(shù)遠(yuǎn)小于四面體單元數(shù)量，故在結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的零部件模擬中六面體應(yīng)用廣泛。但絕大多數(shù)鑄造件幾何特征復(fù)雜，利用六面體網(wǎng)格劃分效率較低并且較困難，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄造件常采用四面體進(jìn)行模擬。
 
四面體網(wǎng)格劃分一般先在幾何表面上進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，保證表面的網(wǎng)格單元質(zhì)量，使其形成一個(gè)封閉連續(xù)的、無重復(fù)單元的表面殼網(wǎng)格。盡量避免因輔助線以及倒角引導(dǎo)線導(dǎo)致單元的質(zhì)量以及網(wǎng)格的均勻度較差問題。創(chuàng)建內(nèi)部實(shí)體單元前，需要控制內(nèi)部網(wǎng)格尺寸上下限，以保證內(nèi)部生成的四面體網(wǎng)格質(zhì)量以及網(wǎng)格均勻度在合理的區(qū)間內(nèi)。
 
未設(shè)置限制區(qū)間               設(shè)置限制區(qū)間
四面體內(nèi)部限制區(qū)間設(shè)置前后均勻度示意圖
  
為合理計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變、達(dá)到理想的失效狀態(tài)，加強(qiáng)筋或平面的厚度方向至少需要2排實(shí)體單元。倘若設(shè)置了內(nèi)部四面體網(wǎng)格尺寸上下限后自動(dòng)生成的單元依然無法滿足2排實(shí)體單元的要求，可人為將表面單元offset至中間并與之相連，用hypermesh軟件生成實(shí)體單元時(shí)可將這部分網(wǎng)格作為參考內(nèi)部生成網(wǎng)格的參考節(jié)點(diǎn)或者直接用simlab軟件直接控制內(nèi)部網(wǎng)格生成的實(shí)體單元層數(shù)。
 
中層作為參考網(wǎng)格生成的內(nèi)部鑄鋁結(jié)構(gòu)剖面圖
 
Simlab內(nèi)部控制生成網(wǎng)格示意圖
實(shí)體網(wǎng)格仿真結(jié)果的合理性很大程度上依賴于單元類型的選擇。常用的擁有較高精度的六面體單元Hexahedron由于劃分網(wǎng)格存在相當(dāng)難度，很少被用來模擬復(fù)雜的鑄造件。作為替代的四面體Tetrahedron網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)單，但計(jì)算精度較差，且相同尺寸下單元數(shù)量遠(yuǎn)多于六面體網(wǎng)格。
 
 
實(shí)體單元三點(diǎn)彎模型網(wǎng)格 (左)四面體；(右)六面體
LS-DYNA中提供了單元積分類型，除了常用的elform1-單點(diǎn)積分6面體和elform2-縮減積分6面體單元外，還包括：elform4-二階四面體單元、elform10-一階四面體單元、以及elform16-二階10節(jié)點(diǎn)四面體單元。Elform1單點(diǎn)積分6面體單元具有計(jì)算效率高，結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但易出現(xiàn)沙漏能，且本身不具有彎曲特性，建模時(shí)厚度方向需要至少兩排單元；Elform10一階四面體單元有較嚴(yán)重的體積自鎖現(xiàn)象，不適合模擬塑性變形較大的金屬材料；elform4和elorm16都是2階四面體單元，有較好的協(xié)調(diào)變形能力，仿真精度遠(yuǎn)高于elform10。
 
 
 
常用單元積分形式
圖片來源于dynamore
如下圖所示考察了相同網(wǎng)格密度條件下六面體elform1和四面體elform4、elform10和elform16四種單元類型仿真計(jì)算的結(jié)果。比較圖（a）中力-位移曲線，elform10、4、16斷裂載荷逐次逼近六面體elform1的結(jié)果；除了應(yīng)變，金屬材料斷裂性能與材料受力狀體有著密切的關(guān)系，而應(yīng)力三軸度是判定材料應(yīng)力狀態(tài)最常用的指標(biāo)之一。比較四種單元類型在相同載荷下的應(yīng)力三軸度可知，elf16四面體單元基本和elf1六面體單元計(jì)算結(jié)果一致，elf4四面體的結(jié)果較為接近，而elf10四面體單元的結(jié)果有較明顯的不連續(xù)性，誤差較大。
 
 
(a)力-位移曲線               (b)應(yīng)力三軸度
 實(shí)體單元三點(diǎn)彎模型計(jì)算結(jié)果
 
 
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