综合运用HyperMesh和Deform的汽车顶杆有限元分析

朱卉;龚红英;赵中华;李名尧

【摘 要】对汽车顶杆零件进行挤压成形工艺有限元分析时,网格处理先不采用Deform软件,而是用HyperMesh软件对其几何清理、网格划分、网格输出.然后,再将处理过的有限元模型(Finite Element Model,FEM)导入Deform软件进行等效应力的数值计算,并与用Deform软件进行网格处理的同一模型进行比较.分析结果表明,两者数值模拟结果非常接近,而且前者模拟时间大大缩短.由此可见,综合运用HyperMesh和Deform可以提高模拟工作的效率. 【期刊名称】《上海工程技术大学学报》 【年(卷),期】2010(024)001 【总页数】4页(P56-59)

【关键词】HyperMesh软件;Deform软件;汽车顶杆零件;有限元分析 【作 者】朱卉;龚红英;赵中华;李名尧

【作者单位】上海工程技术大学,材料工程学院,上海,201620;上海工程技术大学,材料工程学院,上海,201620;上海工程技术大学,材料工程学院,上海,201620;上海工程技术大学,材料工程学院,上海,201620 【正文语种】中 文 【中图分类】TG315

在实际工程中,各类专用有限元软件在几何建模、网格划分、分析计算及结果处理

方面各有专长.虽然大多数情况下,只需单一软件就能完成整个有限元分析过程,但过程往往比较复杂,效率不高,顾此失彼,达不到预期效果.所以,结合各软件的长处,灵活运用就显得尤为必要.

汽车顶杆采用冷挤压成形,挤压工艺有限元分析比较主流软件之一是Deform.它是美国SF TC(Scientific Forming Technologies Corporation)公司开发的具有2D/3D模拟功能的专业金属成形CAE软件,拥有基于有限元分析方法的工艺仿真系统,广泛用于分析金属成形及其相关的各种成形工艺及热处理工艺[1].但其前处理模块几何建模和网格划分功能较差,且操作较为不便,尤其是对于比较复杂的结构更为困难.

汽车顶杆零件的几何建模选择UG.UG软件是美国EDS公司的产品,是采用基于约束的特征建模和传统几何建模为一体的复合建模技术,建模高速高效,在曲面造型方面特别强[2].

网格处理时,采用 HyperMesh软件应用于Deform的前处理,可以提高模拟质量和效率,节省整个分析流程的时间.HyperMesh是Altair HyperWorks的应用模块之一,广泛应用于汽车行业有限元分析领域.它是一个创新、开放的企业级CAE平台,集成设计与分析所需各种工具,具有卓越性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面.HyperMesh特点在于:有限元网格划分操作简单方便,网格划分速度快;有限元网格划分有限元单元质量非常好,便于修改网格,满足实际工程分析需要;与其他多种CAD和CAE软件有良好的接口[3-4]. 1 使用HyperMesh处理网格

利用HyperMesh作为Deform的网格处理工具,其实现过程主要为几何清理、网格划分和网格输出. 1.1 几何特征的清理

FEM模型是只需要简化的几何模型,要求对模型部件的一些细节进行简化,如倒圆角、

小孔等.但有时几何模型导入过程中也会出错,比如曲面间存有缝隙、重叠、边界错位等.在FEM 模型建立过程中,几何清理极其重要,原因在于: 1)几何清理是划分网格的根本,几何清理的好坏直接影响到网格质量.

2)几何清理降低分析人员的工作量,对于一些不影响整体功能的小特征给予适当抑制,在减少工作量的同时也提高了网格质量. 3)几何清理有助于提高网格的美观程度.

采用UG软件建立汽车顶杆零件3D几何模型后,以 .iges格式导入HyperMesh,对导入的模型进行几何特征的清理.汽车顶杆零件的几何造型相对简单,不需要太多的简化模型.若针对其他较为复杂的几何模型,则可用HyperMesh中“defeature”模块的“pinhole”功能项删除小孔 ,“surf fillets”功能项删除面倒圆 ,“edge fillet”功能项删除边倒圆等.这里主要是对导入的模型进行几何模型的检查与修复. 将汽车顶杆零件3D几何模型导入HyperMesh时,并没有以实体的形式显示,只是呈现出一些封闭的曲线,在结合了HyperMesh中的“auto clean”等检查后,发现无异常曲线存在,且曲线间连接正常.汽车顶杆的分析与手机外壳等薄板类零件不同,故抽取中面的分析方法用在此处不合适[5]. 1.2 网格划分

HyperMesh模块具有强大的网格划分能力.页面菜单提供强大的2D,3D网格划分功能,HyperMesh的“automesh”模块是一个智能的网格生成工具.该模块会根据用户指定的单元大小自动地对分析区域生成的粗略网格进行有限元求解,从求解结果判断求解区域梯度高低,再在该处局部细化网格,如此反复进行,直至网格密度分布合理为止.

鉴于汽车顶杆是回转体对称结构,对模型实体化之后取其中1/4进行分析,生成网格后,用“reflect”面板将其对称还原即可.遵循HyperMesh软件划分网格的一般原则,先画2D三角形网格,然后,通过3D页面菜单进入“tetramesh”,借助

“volume tetra”子选项由平面三角形网格生成四面体网格[5].在此过程中的技术要点如下:

1)在“interactive”模式下,曲面自动生成网格,发现曲面连接处网格与实体贴合不理想,可以及时补充节点,在增加了3个节点之后,网格变细,较好地贴合实体轮廓,如图1所示.

图1 增加网格节点后网格更贴合几何体轮廓Fig.1 Mesh more fitting profile geometry by inereasing nodes

2)划分完2D网格之后,要及时查看网格质量 ,可以结合“check element”和“qualityindex”等工具检查,调整单元质量.对于2D网格来说,“aspect

ratio”,“skew”,“min size” ,“min angle tria”和“max angle tria”等指标特别重要,可以将“check element”面板中的 “standard”改为 “assign plot”,不同的网格色块会直观地反映网格质量,对个别质量较差的单元,反复使用“check elem”,“failed save”和 “mask”等功能,或者用“edit element”调整单元.最后,根据质量指标(QI)值对全部单元标准指标进行评判,理论上来说QI值越小越好,如图2所示.HyperMesh软件无法直接对3D网格模型进行调节,所以,要严格控制2D网格单元的质量,以便生成优质3D网格单元.3D网格单元质量中,比较重要的指标是雅可比(Jacobian)值,一般要求该值大于0.6. 图2 通过QI改善网格质量Fig.2 Improving mesh quality By QI

3)经过反复测试,采用HyperMesh软件对单元网格进行整体连接检查时,会生成一些其他的层,如“face”等,在最后导出网格时,要求删除 2D网格层和其他不需要的图层,将所有信息合并到3D网格所在的唯一层,否则,网格无法导入Deform软件进行后续分析. 1.3 网格输出

HyperMesh软件导出FEM模型比较方便,导出时注意导出文件类型为

“custome”,同时,加载“templates\\feoutput\\Deform\\fea.key”临时文件即可,此时的有限元文件格式就是Deform软件中的求解器可以识别的文件格式.在Deform软件的“mesh”选项中,一次性将几何实体与网格一起导入Deform软件,结果如图3所示.

图3 四面体网格Fig.3 Tetrahedral mesh 2 使用Deform计算等效应力

将HyperMesh划分好网格的顶杆有限元模型编号为1,由Deform自带的前处理器划分网格(网格数控制为相同)的汽车顶杆有限元模型编号为2.因为汽车顶杆是在室温下挤压成形的,故无需考虑温度制度.同时,零件上下两部分接口处受3向压力作用,受力情况复杂,取得该处的等效应力数值有利于改善模具设计以及调整设备功率.在Deform模拟时,两者设置同样的凹凸挤压模、顶杆材质、步长(一般为最小网格长度的1/3)和增量、定位关系和上模运动速率.在边界条件的设置中,选择cold forming(steel dies)库仑摩擦因数为0.12,与模具的接触容差设为0.0218,生成全部的接触点[6-7].等待运行结束后,在模拟文件Log中分别提取结果,如图4所示. 图4 2个模型模拟结果文本文件Fig.4 Text files of 2 model simulation results 从文本文件可以读出1号模型的过程顺利,没有网格质量问题,模拟总耗时为363 s.而2号模型出现“program stopped because of bad element shaped”,进行了一段时间的remeshing,总共耗时557 s.后处理中,分别在2个汽车顶杆零件上下连接处选取不同位置的3点进行等效应力数值比较,发现1号模型的 3点受力分别为15.9,15.3和9.01 MPa,2号模型的3点受力分别为16.1,15.7和9.8 MPa.计算得出的等效应力值比较接近,如图5所示.两模型其他部分的受力情况大体相当,从顶部往底部应力减少,挤压后期,杆部基本不受应力作用.2个模型模拟结果说明,经过 HyperMesh划分网格的模型可以成功地导入Deform,计算结果精确、计算速度快. 图5 模型3点等效应力追踪结果Fig.5 Equivalent stress tracking results of

three points on each model 3 结 语

改进单一采用Deform软件进行冷挤压过程模拟的传统方式,利用HyperMesh强大的网格划分能力和丰富便捷的软件接口,对前处理具有重要影响.将Deform功能较弱的网格划分转移到HyperMesh进行,通过控制2D网格质量生成高质量的3D网格,再导入Deform中求解计算,避免了Deform只能在模拟过程发现低质网格,无法运算时再重新分网的现状,提高了网格质量,节省了模拟时间.总之,综合运用各类软件的长处,将有限元前处理和求解过程分别放在不同的专业有限元软件中进行处理的措施,极大地提高CAE的分析效率. 参考文献:

[1] 李传民,王向丽,闫华军,等.DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2] 褚忠,石云波,郝国祥.UGNX5.0模具设计一册通[M].北京:电子工业出版社,2008. [3] 边弘晔,李鹤,闻邦椿.HyperMesh有限元处理关键技术研究[J].机床与液压,2008,36(4):160-164.

[4] 叶寅,刘新田,黄虎.轿车后副车驾有限元分析[J].上海工程技术大学学报,2009,23(4):308-311.

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[6] 周勇,傅蔡安.基于DEFORM-3D的微型螺钉冷成形过程有限元分析[J].机械设计与制造,2008(3):109-111.

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