SOLIDWORKS Simulation攻略丨网格技巧这样用,真巧妙!

 

随着计算机运算速率的提高,数值模拟方法被广泛的应用到力学的各个领域,其中有限元法以它通用、灵活的特点而被作为一种常见的用于求解关于场问题偏微分方程近似解的数值方法。当然,有限元法并不是唯一的分析方法,如有限差分法、有限体积法、边界元法等,以及近年来发展迅速的无网格法(Meshlfree Mothed)用于解决有限元法较难处理的特大变形、裂纹扩展、奇异性等问题,有兴趣的小伙伴们可以自行深入学习了解。

有限元法作为基于网格的算法,数学模型和离散化后的有限元模型必然会产生无法避免的误差,因此网格的划分质量直接关系到我们是否能够得到一个更加精确的解,划分网格(离散化过程)也是成为了我们做分析过程中至关重要的一步。

在划分网格之前,我们首先要了解有限单元的类型,在SOLIDWORKS Simulation中,共有5种单元类型:一阶实体四面体单元、二阶实体四面体单元;一阶三角形壳单元、二阶三角形壳单元和横梁单元,我们可以把这三类单元理解为分别用来解决实体结构、薄壁结构(纵向尺寸远小于平面尺寸)、梁结构(纵向尺寸远大于平面尺寸)的分析问题,而一阶单元是草稿品质,二阶单元是高品质。

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实体单元
 
一阶单元:
四面体具有4个节点,每个节点3个自由度,6条边线均为直线,4个面均为平面,在单元加载变形后,这些边和面仍保持为直线和平面的状态。

二阶单元:
四面体具有10个节点,每个节点3个自由度,6条边线为二阶函数(抛物线形),加载变形后,线和曲面可以为曲线型状态:

壳单元

一阶单元:

类似实体单元,一阶单元有3个节点(分布在角点上),每个节点6个自由度,变形前后如下图所示:

二阶单元:

每个高品质单元6个节点,包括3个角点和3个中间点,变形后可模拟曲线形状。

横梁单元

2个节点,每个节点6个自由度,把轴向平移和扭转模拟为线性,两节点梁单元的形状在初始为平直的,但在变形后可以为一个三次方的函数。

网格品质的选择:

对于草稿品质单元,无论实体或壳,仅在对特定目标作初步分析时使用,如证实载荷、约束的方向或计算反作用力;对于准备用来作最后计算的算例,以及在应力分布非常重要的区域应采用高品质网格。

备注:在2020版本之前,分析只能统一使用草稿品质或高品质网格;在2020版本的新功能中,可以根据实际需要混合使用草稿单元和高品质单元,但需注意在不同单元类型网格的交界处,即使单元角部节点是重合的(兼容网格),仍然有可能出现不连续的应力场,而且在交界处的应力可能大幅度的增大,因此在混合使用不同类型单元时,应确保其交界处远离所关心的区域,并仔细检查分析结果是否正确。

 

案例分析

某悬臂支架吊起500N的重物,在重力的作用下,分析支架当前固定端的扭矩情况,未标明的接头均以销钉接头处理,左侧三条梁的节点处圆柱面分别采用固定约束、固定约束和铰链约束,其中套杆内加载了预载400N的弹簧,轴向刚度1000NM。

按要求设定好边界条件后,先将所有网格作为草稿品质网格,网格精度默认,试算。

 

得到了关于弹簧单元的错误提示,因此首先需要细化弹簧接头处网格,使用默认值,以使计算不会再出现上述问题,同时选用基于混合曲率生成网格,使用默认值,如下图所示,并重新计算。

 

本分析目的主要是想了解梁端的扭矩情况,因此在应力图解的高级选项中选择3条杆件展示结果如下图:

 

由上图可见,轴孔处单元也相对较少,而且红色范围区域并未占据两个单元格,因此结果应该不足以反应真实状况,通过右键【结果】-【列出合力】读取两梁出的扭矩如下图:

 

备注:对于扭矩的输出要使用自有体力,因此在计算之前,应在仿真树第一条右击算例名称,【属性】中勾选【自有实体力】;模型中,以轴孔圆心创建参考点。

 

上梁处的扭矩为:44.8N.M

 

下梁处扭矩为:46.6N.M

 

细化网格:
对轴孔处圆柱面网格进行网格控制。

重新读取扭矩:

按需求使用高品质网格:
由于此时所有构件均采用草稿品质网格,而我们重点分析的为两根梁结构,因此,在网格选项中将两根梁结构设置为高品质网格:
右键【网格】-【生成网格】-【网格品质】选项卡将【臂】和【下臂】改为高品质网格。

全部采用高品质网格后的结果:

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结论
可以看出使用部分高品质网格和全部使用高品质网格的结果是几乎相等的,而全部使用高品质网格也会花费更多的时间成本,因此在做计算分析之前,首先应该明确分析目标,其次逐步将关注的区域网格细化,并根据需求混合使用高品质和草稿品质网格,这样的话就能够在花费更少的时间内得到相对精确的解。

 

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