基于LS-DYNA和TrueGrid的組合應用解決方案

隨著計算機計算能力的飛速提高和數值計算技術的進步,有限元數值分析在結構、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計的過程中,模型有限單元網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雜的工作,網格質量的好壞將直接影響到求解的時間和結果的準確性。尤其對于顯示有限元計算,結果精確性對網格質量非常敏感。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相結合可以充分發(fā)揮兩者的性能,為科學研究和工程應用提供強大的CAE平臺。

1.1 TrueGrid 功能及應用簡介

TrueGrid是一套優(yōu)秀的、功能強大的通用網格生成前處理軟件。它可以方便快速生成優(yōu)化的、高質量的、多塊結構的六面體網格模型。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天時間便完成了使用其它網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)質的網格模型。TrueGrid基于投影幾何學的投影方法,免去了設計者指定結構體積詳細信息的需要,而這往往是其它CAD導向網格生成器所必需的。而且,這種精確的投影方法能夠處理復雜的幾何結構,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)立的網格模型可以導入到有限元或有限差分軟件中進行模擬計算。TrueGrid提供了很多網格優(yōu)化工具,例如多線性插值、無限插值、橢圓求解器。網格生成后,TrueGrid還提供了很多診斷工具輔助分析網格的質量。此外,TrueGrid不僅僅是一個網格生成工具,它還可以針對大多數分析軟件生成輸入文件。在TrueGrid中定義網格的同時,用戶可以指定有限元網格模型的物理特性、材料參數及其他與網格劃分無關的一些模擬參數。一旦完成了整個網格的劃分工作,TrueGrid會自動生成輸入文件。

圖 1 導彈彈體網格(上圖為外部網格,下圖為內部網格)

由于TrueGrid 出色的有限單元網格劃分功能,使它在航空航天、汽車、制造行業(yè)等結構有限元分析的前處理上得到了非常廣泛的應用。圖1為TrueGrid 生成的導彈彈體網格,模型分為內外兩層,網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雜問題,特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、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,在工程應用領域被廣泛認可為。

LS-DYNA求解器是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉動和大應變)、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;以結構分析為主,兼有熱分析、流體-結構耦合功能;以非線性動力分析為主,兼有靜力分析功能(如動力分析前的預應力計算和薄板沖壓成型后的回彈計算);軍用和民用相結合的通用結構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系。因此,高質量的網格對提高LS-DYNA求解的效率以及結果的精確性有很大的幫助。

1.3 TrueGrid 與 LS-DYNA的結合

在三維有限元仿真領域,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,六面體網格的生成主要由二維四邊形有限元網格掃描、拉伸、旋轉等幾何變換而形成六面體網格。這種方法難度低,比較容易實現,在當前大多數商業(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構,對于一些細部結構,如倒角、孔等無法處理,常常需要將細部結構刪除再進行網格劃分,或者將復雜結構大量簡化后再求解分析。而在工程應用中,一些細部結構常常起到如減小應力集中、改善應力分布的作用,去除細部結構進行建模的方法會對計算結果的準確性產生影響。

TrueGrid 使用先進的代數法網格生成技術,在網格節(jié)點分布上引入算法,將計算區(qū)域上均勻分布的網格,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,多體結合還是微小復雜的細部結構,都可以便捷快速地進行網格映射處理。此外,TrueGrid 還可以完成LS-DYNA前處理中,包括part定義,材料參數設置,邊界條件設定等工作。

圖 2 快捷的細微結構處理方法

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)六面體網格生成軟件,生成網格速度快、質量高,因此,利用前處理軟件TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結合可以充分發(fā)揮兩者的性能,為科學研究和工程應用提供強大的CAE平臺。

2. 應用實例

2.1 應用實例1——車輛后輪轂沖擊載荷下的應力分析

該實例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結合分析車輛后輪轂在復雜歷程沖擊載荷下的應力分布狀況。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雜,包含通孔、沉孔等細部結構,因此傳統(tǒng)方法是對它進行四面體網格劃分,這樣在相同的計算成本下,結果的精確就會受到影響。

圖 3 后輪轂實物圖