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感謝成都航天模塑有限責(zé)任公司孫正峰投稿

工裝設(shè)計(jì)在制造前，需具備一定的剛強(qiáng)度指標(biāo)，以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)功能試驗(yàn)。采用傳統(tǒng)的有限元仿真分析，雖然精度可以保證，但是時(shí)間較長(zhǎng)，且需具備一定的專(zhuān)業(yè)能力。為了提高效率，可以采用 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。

本文采用有限元仿真和 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格對(duì)比分析，最后和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)。

一、背景

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試的急劇增加，要求越來(lái)越嚴(yán)格，應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷更新。為了能滿(mǎn)足測(cè)試需求，針對(duì)不同測(cè)試要求需要設(shè)計(jì)不同配置的工裝，久而久之，工裝越來(lái)越多，成本也越來(lái)越高，且安裝操作也較繁瑣。面對(duì)有些大載荷工況（載荷≥2500N），公司配備的試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足，只能委托其他試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，這樣一來(lái)，試驗(yàn)成本、工裝成本、人力成本等也隨之增加。

基于上述現(xiàn)狀，公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款大型通用工裝，結(jié)合公司新配置的設(shè)備，針對(duì)不同測(cè)試要求可選擇性搭配，且可滿(mǎn)足不同位置、不同角度、不同載荷大?。ㄝd荷最大可達(dá)10000N）的功能性測(cè)試。

測(cè)試工裝設(shè)計(jì)好后，在制造之前，需要驗(yàn)證其剛強(qiáng)度性能，這類(lèi)復(fù)雜工裝的有限元仿真驗(yàn)證，要求仿真人員具備較專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)格模型搭建能力，并且存在仿真時(shí)間長(zhǎng)迭代慢的問(wèn)題，所以探索了無(wú)網(wǎng)格快速仿真軟件，測(cè)試無(wú)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)仿真的精度和效率。

二、數(shù)據(jù)模型

大型通用工裝尺寸為2410mm×1710mm×1800mm，總重628kg，采用鋁合金和鈑金相結(jié)合的方式，如圖1所示：

圖1 大型通用工裝數(shù)據(jù)模型圖

如圖1所示，灰色部件為鋁合金材料，其余部件均為鈑金材料。

三、有限元仿真分析

3.1 網(wǎng)格劃分及連接方式

工裝總共由183個(gè)零部件組成。鋁合金及大部分鈑金均采用殼單元，即中面四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸大小為4mm，不同截面分別賦予不同料厚，如圖2所示；剩余部分鈑金件采用六面體網(wǎng)格，為了保留產(chǎn)品的所有特征，網(wǎng)格大小采用2mm，如圖3所示。鋁合金件之間通過(guò)角碼進(jìn)行連接，鈑金件之間通過(guò)焊接及螺栓進(jìn)行連接?？偝删W(wǎng)格及連接如圖4所示。網(wǎng)格單元總數(shù)量為1645393個(gè)。

圖2 中面四邊形網(wǎng)格

圖3 六面體網(wǎng)格

圖4 有限元網(wǎng)格總成裝配圖

3.2 材料參數(shù)

鋁合金和鈑金材料參數(shù)如表1所示。

表1 大型通用工裝材料參數(shù)

3.3 分析工況

為了驗(yàn)證工裝的可靠性，需要保證工裝具有一定的剛性，同時(shí)，在大載荷作用下，工裝具備足夠的強(qiáng)度。因此，對(duì)工裝采用剛度和強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。

約束：對(duì)工裝底部4個(gè)腳進(jìn)行全約束，即約束dof1～dof6。

載荷：對(duì)工裝與產(chǎn)品的連接點(diǎn)進(jìn)行加載，剛度載荷大小為1000N，測(cè)量點(diǎn)位上橫梁中間位置，目標(biāo)值為≤0.5mm；強(qiáng)度載荷大小為5000N，最大應(yīng)力＜材料屈服強(qiáng)度×0.8。

工裝仿真分析工況如圖5所示：

圖5 工裝仿真分析工況示意圖

3.4 仿真分析結(jié)果

工裝剛度仿真分析結(jié)果如圖6所示：

圖6 工裝剛度仿真分析位移云圖

由圖6所示，工裝剛度工況，指定點(diǎn)位移為0.104mm。

工裝強(qiáng)度仿真分析結(jié)果如圖7所示：

圖7 工裝強(qiáng)度仿真分析應(yīng)力云圖

由圖7所示，工裝強(qiáng)度工況，最大應(yīng)力為45.8MPa，低于材料屈服強(qiáng)度的0.8倍。

小結(jié)：有限元仿真分析網(wǎng)格劃分、連接、分析設(shè)置等，總共耗時(shí)7天時(shí)間（平均每天按照7個(gè)小時(shí)計(jì)算）。

備注：此有限元仿真分析為工作一年工程師的效率。

四、SimSolid仿真分析

鑒于有限元仿真分析耗時(shí)耗力，因此考慮 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格軟件。首先導(dǎo)入幾何模型，如圖8所示：

圖8 導(dǎo)入幾何模型

導(dǎo)入幾何模型后，對(duì)總成數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)綁定接觸，間隙和穿透均設(shè)置為0.5mm，設(shè)置如圖9所示：

圖9 自動(dòng)綁定接觸設(shè)置

接著進(jìn)行約束和載荷工況設(shè)置，如圖10所示：

圖10 約束和載荷工況設(shè)置

分析設(shè)置和分析方法均和有限元仿真保持一致，即采用線(xiàn)性靜力學(xué)分析，如圖11所示：

圖11 線(xiàn)性靜力學(xué)分析

求解設(shè)置采用Adapt for stiffness進(jìn)行，如圖12所示：

圖12 求解設(shè)置Adapt for stiffness

分析結(jié)果如圖13所示：

圖13 基于求解設(shè)置Adapt for stiffness的位移云圖

由圖13可知，提取與有限元仿真位移云圖中相同的點(diǎn)，指定點(diǎn)位移為0.075mm。

此結(jié)果與有限元仿真位移云圖中相同點(diǎn)位移結(jié)果0.104mm相差較大，誤差達(dá)到27.9%。結(jié)合模型進(jìn)行誤差原因分析：由于幾何模型厚度較薄，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，符合薄壁件特征，因此，將求解設(shè)置改為Custom，同時(shí)勾選 Adapt to features 和 Adapt to thin solids，Refinement level 選擇higt，如圖14所示：

圖14 求解設(shè)置Custom

根據(jù)求解設(shè)置Custom，其分析結(jié)果如圖15所示（SimSolid 的云圖和有限元的云圖對(duì)比）：

圖15 基于求解設(shè)置Custom的位移云圖

由圖15可知，提取與有限元仿真位移云圖中相同的點(diǎn)，指定點(diǎn)位移為0.094mm。

此結(jié)果與有限元仿真位移云圖中相同點(diǎn)位移結(jié)果0.104mm相差較小，誤差僅9.6%。

剛度誤差＜10%可接受，按照同樣的分析方法，將載荷改為5000N，其應(yīng)力云圖如圖16所示（SimSolid的云圖和有限元的云圖對(duì)比）：

圖16 基于SimSolid的強(qiáng)度分析結(jié)果-應(yīng)力云圖

由圖16所示，基于SimSolid的強(qiáng)度分析結(jié)果，最大應(yīng)力為42.3MPa。

此結(jié)果與有限元仿真應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力結(jié)果45.8Mpa相差較小，誤差僅7.6%。

小結(jié)：SimSolid 仿真分析綁定接觸、連接、分析設(shè)置等，總共耗時(shí)1.5h。

五、試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)工裝總成如圖17所示：

圖17 試驗(yàn)工裝總成

試驗(yàn)按照與有限元仿真加載點(diǎn)位置、大小和方向一致進(jìn)行，試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)與仿真分析結(jié)果選取點(diǎn)一致，加載1000N載荷下的試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示：

圖18 試驗(yàn)剛度結(jié)果

由圖18可知，試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)（與仿真分析結(jié)果選取點(diǎn)一致）位移為0.139mm。相比有限元仿真分析結(jié)果0.104mm和 SimSolid 分析結(jié)果0.094mm大一些。

誤差原因分析：從圖17可以看出，工裝底部放置在地面上，僅地面對(duì)工裝有支撐作用，試驗(yàn)過(guò)程中，工裝受力后，會(huì)有一點(diǎn)翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，仿真中四個(gè)底角是全約束，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)。因此，造成試驗(yàn)結(jié)果比有限元分析結(jié)果和 SimSolid 結(jié)果都偏大，屬于正常范圍。

接著對(duì)工裝進(jìn)行5000N強(qiáng)度試驗(yàn)，由于沒(méi)有應(yīng)變片，因此，無(wú)法檢測(cè)應(yīng)力，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察工裝有無(wú)永久變形和發(fā)白的現(xiàn)象，如圖19所示：

圖19 工裝強(qiáng)度5000N試驗(yàn)結(jié)果圖片

由圖19可知，工裝強(qiáng)度5000N試驗(yàn)卸載后，沒(méi)有永久變形。

六、對(duì)標(biāo)

將 SimSolid 結(jié)果、有限元仿真結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，如表2所示：

表2 SimSolid結(jié)果、有限元仿真結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)

備注：

1.試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析：工裝底部放置在地面上，僅地面對(duì)工裝有支撐作用，試驗(yàn)過(guò)程中，工裝受力后，會(huì)有一點(diǎn)翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。仿真中四個(gè)底角是全約束，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)。因此，造成試驗(yàn)結(jié)果比有限元分析結(jié)果和 SimSolid 結(jié)果都偏大，屬于正常范圍。后續(xù)減小仿真與試驗(yàn)差異的操作是，更改仿真時(shí)底角的約束，使其更貼近試驗(yàn)條件。

2.SimSolid 與有限元仿真對(duì)比，SimSolid 與有限元仿真的位移差異為-0.01mm，體現(xiàn)在百分比上是9.6%，應(yīng)力差異是-3.5MPa,體現(xiàn)在百分比上是7.6%。該精度已能指導(dǎo)設(shè)計(jì)，且提速明顯。

3.SimSolid 與有限元仿真，差異來(lái)源可能是有限元模型中部分殼單元的簡(jiǎn)化偏離了原始模型，使得在局部幾何上有限元模型與 SimSolid 模型不一致。

七、總結(jié)

針對(duì)大型復(fù)雜的工裝，零件數(shù)量又龐大的類(lèi)型，前處理模型搭建（即殼單元和六面體網(wǎng)格劃分、單元連接等）非常費(fèi)時(shí)間，且搭建的模型網(wǎng)格數(shù)量也多，計(jì)算時(shí)間也較長(zhǎng)，采用 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析，不僅能大大縮短時(shí)間，同時(shí)能保證精度，具體結(jié)論如下：

1.SimSolid從導(dǎo)入模型到結(jié)果查看，總計(jì)耗時(shí)1.5h，而有限元仿真分析導(dǎo)入模型到結(jié)果查看，總共耗時(shí)49h，僅有限元仿真總時(shí)長(zhǎng)的3%。（備注：此有限元仿真分析為工作一年工程師的效率。）

2.SimSolid 與有限元仿真，剛度和強(qiáng)度誤差可控制在10%以?xún)?nèi)。

3.針對(duì)薄壁零件，采用 SimSolid 進(jìn)行仿真分析時(shí)，建議將求解設(shè)置改為 Custom，同時(shí)勾選Adapt to features和Adapt to thin solids，Refinement level 選擇 higt，這樣可以提高仿真精度。

4.SimSolid、有限元仿真、試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

八、展望

1.目前我用的這個(gè)2020版本無(wú)法創(chuàng)建質(zhì)量點(diǎn)，無(wú)法創(chuàng)建剛性單元等，最新的2025版本可以支持等效創(chuàng)建剛性單元、創(chuàng)建質(zhì)量點(diǎn)，新增的建模功能可更好對(duì)標(biāo)有限元模型，降低精度差異，因此，后續(xù)我也會(huì)下載最新版本進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。

2.目前 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格仿真方法是有限元隱式算法類(lèi)似的外部近似方法，無(wú)法仿真碰撞，期待后續(xù)能有沖擊碰撞類(lèi)顯式問(wèn)題的快速仿真。

2025年5月15日，來(lái)自全球不同行業(yè)的知名企業(yè)專(zhuān)家將線(xiàn)上實(shí)時(shí)分享他們使用快速仿真設(shè)計(jì)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，歡迎您報(bào)名會(huì)議，了解如何利用仿真技術(shù)加快產(chǎn)品研發(fā)速度， CAE 和有限元分析技術(shù)的應(yīng)用如何在產(chǎn)品研發(fā)中實(shí)現(xiàn)降本增效。

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