基于LS-DYNA和TrueGrid的組合應(yīng)用解決方案

隨著計算機計算能力的飛速提高和數(shù)值計算技術(shù)的進步,有限元數(shù)值分析在結(jié)構(gòu)、熱場、聲場、流體、電磁場以及多場耦合分析中的能力不斷得到拓展。而在利用有限單元法進行分析和設(shè)計的過程中,模型有限單元網(wǎng)格的劃分作為其前處理的必要過程,則是一項非常重要而復(fù)雜的工作,網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接影響到求解的時間和結(jié)果的準確性。尤其對于顯示有限元計算,結(jié)果精確性對網(wǎng)格質(zhì)量非常敏感。LS-DYNA是最著名的顯式有限元求解器,TrueGrid是一種功能強大易學的專業(yè)網(wǎng)格生成前處理軟件。因此,利用前處理軟件TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結(jié)合可以充分發(fā)揮兩者的性能,為科學研究和工程應(yīng)用提供強大的CAE平臺。

1.1 TrueGrid 功能及應(yīng)用簡介

TrueGrid是一套優(yōu)秀的、功能強大的通用網(wǎng)格生成前處理軟件。它可以方便快速生成優(yōu)化的、高質(zhì)量的、多塊結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格模型。作為一套簡單易用,交互式、批處理前處理器,TrueGrid支持三十多款當今主流的分析軟件。使用TrueGrid 軟件可以僅僅花費數(shù)天時間便完成了使用其它網(wǎng)格生成軟件通常需要花費幾個月時間的工程項目。

TrueGrid 提供了工業(yè)界最先進的映射網(wǎng)格劃分功能, 使用戶快速完成他們想做的工作,迅速而有效地創(chuàng)建頂級優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格模型。TrueGrid基于投影幾何學的投影方法,免去了設(shè)計者指定結(jié)構(gòu)體積詳細信息的需要,而這往往是其它CAD導(dǎo)向網(wǎng)格生成器所必需的。而且,這種精確的投影方法能夠處理復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),表面和曲線可以有無限制的任意曲率。用戶只需選取表面,TrueGrid 會完成其余的工作。

TrueGrid創(chuàng)立的網(wǎng)格模型可以導(dǎo)入到有限元或有限差分軟件中進行模擬計算。TrueGrid提供了很多網(wǎng)格優(yōu)化工具,例如多線性插值、無限插值、橢圓求解器。網(wǎng)格生成后,TrueGrid還提供了很多診斷工具輔助分析網(wǎng)格的質(zhì)量。此外,TrueGrid不僅僅是一個網(wǎng)格生成工具,它還可以針對大多數(shù)分析軟件生成輸入文件。在TrueGrid中定義網(wǎng)格的同時,用戶可以指定有限元網(wǎng)格模型的物理特性、材料參數(shù)及其他與網(wǎng)格劃分無關(guān)的一些模擬參數(shù)。一旦完成了整個網(wǎng)格的劃分工作,TrueGrid會自動生成輸入文件。

圖 1 導(dǎo)彈彈體網(wǎng)格(上圖為外部網(wǎng)格,下圖為內(nèi)部網(wǎng)格)

由于TrueGrid 出色的有限單元網(wǎng)格劃分功能,使它在航空航天、汽車、制造行業(yè)等結(jié)構(gòu)有限元分析的前處理上得到了非常廣泛的應(yīng)用。圖1為TrueGrid 生成的導(dǎo)彈彈體網(wǎng)格,模型分為內(nèi)外兩層,網(wǎng)格密度從中心到外壁分為3個層次,在保證計算精度的基礎(chǔ)上降低了計算成本。

1.2 LS-DYNA簡介

LS-DYNA 是世界上著名的通用顯式動力分析程序,能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜問題,特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題,同時也可以求解傳熱、流體及流固耦合問題,在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認可為。

LS-DYNA求解器是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變)、材料非線性(140多種材料動態(tài)模型)和接觸非線性(50多種)有限元程序。它以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主,兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主,兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動力分析為主,兼有靜力分析功能(如動力分析前的預(yù)應(yīng)力計算和薄板沖壓成型后的回彈計算);軍用和民用相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元求解器。

LS-DYNA在求解過程中,是以差分代替微分進行迭代計算,需要小的時間步長來保證計算穩(wěn)定性。而時間步長的確定與單元的大小有著直接的關(guān)系。因此,高質(zhì)量的網(wǎng)格對提高LS-DYNA求解的效率以及結(jié)果的精確性有很大的幫助。

1.3 TrueGrid 與 LS-DYNA的結(jié)合

在三維有限元仿真領(lǐng)域,六面體單元是受到一致的認同的首選單元。其原因在于與四面體單元相比,六面體單元具有更好的力學性能,達到同樣的精度,所需的六面體單元和節(jié)點數(shù)遠小于四面體單元,可以大大節(jié)省計算時間。

目前,六面體網(wǎng)格的生成主要由二維四邊形有限元網(wǎng)格掃描、拉伸、旋轉(zhuǎn)等幾何變換而形成六面體網(wǎng)格。這種方法難度低,比較容易實現(xiàn),在當前大多數(shù)商業(yè)CAE軟件或前處理軟件中使用。但該方法缺點明顯:只能用于形狀簡單的結(jié)構(gòu),對于一些細部結(jié)構(gòu),如倒角、孔等無法處理,常常需要將細部結(jié)構(gòu)刪除再進行網(wǎng)格劃分,或者將復(fù)雜結(jié)構(gòu)大量簡化后再求解分析。而在工程應(yīng)用中,一些細部結(jié)構(gòu)常常起到如減小應(yīng)力集中、改善應(yīng)力分布的作用,去除細部結(jié)構(gòu)進行建模的方法會對計算結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響。

TrueGrid 使用先進的代數(shù)法網(wǎng)格生成技術(shù),在網(wǎng)格節(jié)點分布上引入算法,將計算區(qū)域上均勻分布的網(wǎng)格,通過變換,映射為物理區(qū)域上的坐標。因此無論是大型零件,多體結(jié)合還是微小復(fù)雜的細部結(jié)構(gòu),都可以便捷快速地進行網(wǎng)格映射處理。此外,TrueGrid 還可以完成LS-DYNA前處理中,包括part定義,材料參數(shù)設(shè)置,邊界條件設(shè)定等工作。

圖 2 快捷的細微結(jié)構(gòu)處理方法

作為通用的顯式有限元求解器,LS-DYNA可以求解撞擊、跌落、成形、爆炸等問題;TrueGrid是一種功能強大的專業(yè)六面體網(wǎng)格生成軟件,生成網(wǎng)格速度快、質(zhì)量高,因此,利用前處理軟件TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結(jié)合可以充分發(fā)揮兩者的性能,為科學研究和工程應(yīng)用提供強大的CAE平臺。

2. 應(yīng)用實例

2.1 應(yīng)用實例1——車輛后輪轂沖擊載荷下的應(yīng)力分析

該實例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結(jié)合分析車輛后輪轂在復(fù)雜歷程沖擊載荷下的應(yīng)力分布狀況。車輛后輪轂是影響車輛安全運行的重要零件,如圖3所示,因此利用CAE軟件對其進行全面分析十分必要,但由于后輪轂具有外形復(fù)雜,包含通孔、沉孔等細部結(jié)構(gòu),因此傳統(tǒng)方法是對它進行四面體網(wǎng)格劃分,這樣在相同的計算成本下,結(jié)果的精確就會受到影響。

圖 3 后輪轂實物圖