設(shè)計(jì)仿真 | Simufact Welding焊接工藝仿真網(wǎng)格劃分技巧

1網(wǎng)格劃分基本概述

對于每個(gè)有限元（FE）仿真而言，必須將連續(xù)工件空間離散化為有限數(shù)量的單元。這些單元代表了真實(shí)工件的質(zhì)量、剛度等方面的物理特性?？臻g離散化也稱為網(wǎng)格劃分。通常，網(wǎng)格劃分由網(wǎng)格生成器執(zhí)行。網(wǎng)格對整個(gè)求解分析起著至關(guān)重要的左右，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

01網(wǎng)格數(shù)量影響到求解的精度和效率

常規(guī)來說，在電腦配置足夠的情況下，網(wǎng)格數(shù)量越多，模擬得到的結(jié)果越為精確，但是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量后，結(jié)果精度不再隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而增加，并且求解時(shí)間也越久，通常情況下，我們需要平衡整個(gè)求解過程的求解效率和求解精度，這就需要我們控制網(wǎng)格數(shù)量。

02網(wǎng)格類型影響計(jì)算結(jié)果

不同的求解類型需要的網(wǎng)格類型是不一樣的，在焊接模擬分析中，我們常用的網(wǎng)格單元是六面體單元，但有時(shí)候也會(huì)因?yàn)槟Ｐ偷膹?fù)雜程度，選擇不同的采用四面體單元進(jìn)行模擬分析。

03網(wǎng)格連續(xù)性

在實(shí)際焊接過程中，各零部件間是相互接觸的，可能隨著焊接的進(jìn)行而分離，在大部分模擬軟件中，會(huì)要求保證各零件間的網(wǎng)格連續(xù)性，即節(jié)點(diǎn)耦合，但這不僅僅脫離了實(shí)際焊接過程中的情況，也會(huì)極大的增加焊接網(wǎng)格劃分的工作量，在Simufact Welding軟件中，其基于Marc的專業(yè)求解器，基于其優(yōu)異的非線性求解分析功能和強(qiáng)大的網(wǎng)格自適應(yīng)接觸功能，能夠使得各零部件間的網(wǎng)格不連續(xù)，即各零件間單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，無需進(jìn)行網(wǎng)格連續(xù)的操作劃分。

Simufact Welding的網(wǎng)格不連續(xù)功能

2Simufact Welding網(wǎng)格類型

在Simufact Welding中，我們常用的實(shí)體網(wǎng)格類型共有4種，分別為：六面體 (7)、實(shí)心殼體（185）、四面體（157）、四面體（134）。

一般而言，六面體單元精度是最好的，同時(shí)單元數(shù)量也較少。但不是每一個(gè)幾何體都適合用六面體單元來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如果因?yàn)閹缀涡螤畹奶珡?fù)雜而不能創(chuàng)建六面體網(wǎng)格，則應(yīng)該使用四面體（157）單元。四面體（157）單元在其中心多一個(gè)的節(jié)點(diǎn)，并且其他節(jié)點(diǎn)都具有附加的壓力自由度。因此四面體（157）單元比四面體（134）單元更精確。

Simufact Welding軟件還具有專業(yè)的網(wǎng)格劃分工具，包括支持六面體Hexmesh網(wǎng)格、鈑金零件的Sheetmesh網(wǎng)格、四面體單元的Tetmesh網(wǎng)格、單獨(dú)針對環(huán)形零件的Ringmesh網(wǎng)格，用戶也可以根據(jù)自身的實(shí)際情況，選擇其他的網(wǎng)格劃分工具，軟件支持專業(yè)的網(wǎng)格格式，例如*BDF、*ARC等。

3Simufact Welding網(wǎng)格細(xì)化功能

前文提到，為了保證零件的計(jì)算精度和計(jì)算效率，我們通常需要對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行控制，而常規(guī)的網(wǎng)格控制方法，即為局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化和粗化。在Simufact Welding軟件的焊接模擬過程中，我們通常只需要關(guān)注焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量，我們需要將這兩個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，而母材區(qū)域的網(wǎng)格，我們則不需要進(jìn)行細(xì)化，進(jìn)而控制住整體零件的網(wǎng)格數(shù)量。

全局: 一個(gè)單元尺寸用于整個(gè)部件（最差案例）

局部:在焊縫附近局部細(xì)化

（較好, 但是對于長焊縫的大型模型，速度較慢）

自適應(yīng): 在使用Simufact Welding 時(shí) 模擬中自動(dòng)細(xì)化  

（較好，但是不要超過2個(gè)細(xì)化級別）

在常規(guī)零件模擬過程中，若網(wǎng)格數(shù)量較少，我們可以選擇整體零件采用一種尺寸；但針對大部分焊接零部件，因?yàn)槠淠Ｐ洼^大，我們推薦在網(wǎng)格劃分時(shí)，對焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，保證其整體網(wǎng)格數(shù)量，在時(shí)間和計(jì)算機(jī)允許的情況下，可以選擇Simufact Welding軟件的自動(dòng)細(xì)化/粗化功能，能夠極大的減少我們進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的工作；若網(wǎng)格數(shù)量特別巨大，例如＞50萬時(shí)，推薦使用Simufact Welding軟件的自動(dòng)細(xì)化/粗化功能。

Simufact Welding軟件還具有細(xì)化框功能，能夠根據(jù)用戶的手動(dòng)設(shè)置細(xì)化框大小，自動(dòng)細(xì)化局部區(qū)域。

Simufact Welding細(xì)化框

4Simufact Welding網(wǎng)格劃分原則

01網(wǎng)格大小控制原則

在Simufact Welding焊接模擬仿真過程中，針對其網(wǎng)格劃分，因?yàn)槠淠M精度和質(zhì)量主要依據(jù)于焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域的網(wǎng)格，所以我們在進(jìn)行相關(guān)工作時(shí)，主要基于下列兩個(gè)原則：

1、組件厚度；厚度方面的問題,如果寬高比大于 1:8 ，即最小單元邊到一個(gè)單元的最大單元邊。如果超過這個(gè)寬高比，這個(gè)單元的剛度會(huì)很差，并且會(huì)產(chǎn)生不良的結(jié)果，并且可能會(huì)增加計(jì)算時(shí)間（模擬可能會(huì)變得不穩(wěn)定）。常規(guī)在Simufact Welding軟件中，我們推薦采用1:3以下的比例，適當(dāng)?shù)目梢苑艑挼?:5。

2、焊縫/熱源尺寸；為了捕獲合理數(shù)量的積分點(diǎn)并具有恒定的瞬態(tài)模擬熱通量，我們通常需要將單元尺寸調(diào)整為熱源尺寸，遵循以下原則：寬度（b）: 2 - 3 單元 (每一邊) 、長度（af+ar）：3 - 4 單元、深度（d）: 2 - 3 單元；

熱源示意圖

例如：

我們通過檢查焊縫，發(fā)現(xiàn)其右側(cè)焊腳高度為10mm、左側(cè)焊接高度為15mm，此時(shí)我們可以選擇：

1、焊腳為10mm的焊縫，我們可以選擇網(wǎng)格尺寸為5mm或者3.3mm（即2~3層網(wǎng)格）；

2、焊腳為15mm的焊縫，我們可以選擇網(wǎng)格尺寸為7.5mm或者5mm；

上述的方式，我們可以根據(jù)相應(yīng)的原則來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但很多時(shí)候，因?yàn)楹缚p較多且為了避免進(jìn)行重復(fù)性的復(fù)雜網(wǎng)格劃分，我們可以選擇4mm作為折中的快速焊縫網(wǎng)格劃分。

02網(wǎng)格質(zhì)量控制原則

較大的畸變網(wǎng)格或者不合理的網(wǎng)格大小比例，都會(huì)影響到Simufact Welding軟件的模擬質(zhì)量，因此在進(jìn)行網(wǎng)格過渡、細(xì)化、接觸區(qū)域網(wǎng)格劃分時(shí)，需要進(jìn)行注意，主要涉及到以下幾點(diǎn)：

1、避免較大扭曲單元，這種類型的單元?jiǎng)偠认禂?shù)較差，將會(huì)導(dǎo)致模擬不穩(wěn)定，很容易產(chǎn)生網(wǎng)格穿透的畸變網(wǎng)格（單元的插值點(diǎn)將在單元外）。

尖銳網(wǎng)格

2、避免直接從焊縫處進(jìn)行粗化過渡。如直接進(jìn)行過渡，在模擬時(shí)該區(qū)域的溫度梯度將會(huì)變得很差

焊縫處直接進(jìn)行粗化過渡

合理平滑網(wǎng)格模擬結(jié)果

3、控制相鄰網(wǎng)格大小比例≤2:1。若兩個(gè)部件間的單元比率較差，模擬將會(huì)變得非常不穩(wěn)定，可能會(huì)崩潰。

相鄰網(wǎng)格比例過大

4、接觸區(qū)域網(wǎng)格，避免雙重交叉。因?yàn)镾imufact Welding能夠進(jìn)行網(wǎng)格不連續(xù)的模擬分析，但在接觸區(qū)域，若網(wǎng)格發(fā)生雙重交叉穿透，也會(huì)影響模擬精度和收斂性，左側(cè)為良好的網(wǎng)格接觸情況，右側(cè)為差的網(wǎng)格接觸狀態(tài)。

接觸區(qū)域網(wǎng)格示例

5、避免模型間的干涉穿透。在實(shí)際的CAD模型中，容易出現(xiàn)模型間的穿透和交叉，再此情況下，我們需要進(jìn)對CAD模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；

干涉模型