一種解決鑄造成型的有限元網格技術

計算力學業已在應用中逐步形成自己的理論和方法。有限元法(FEM)和有限差分方法(FDM/FVM)是比較有代表性的方法,這兩種方法各有自己的特點和適用范圍。從壓鑄分析的角度來看,采用有限元分析方法是具有巨大優越性的:

  1. 壓鑄件幾何形狀復雜,且多為薄壁件,有限元分析方法能進行更好的幾何表征;

  2. 有限元分析方法能夠進行流場、溫度場、應力場的三場耦合計算。

  3. 采用有限元方法能使用混合網格技術,在同等精度下,有限元可大量減少元素量。

 


誠然,有限元法在具備巨大優越性的同時也伴隨著諸多的挑戰。其中一個最大的挑戰就是網格劃分特別是復雜網格的裝配。許多有限元分析的軟件都是因為這一瓶頸未能突破而功敗垂成。

高質量的網格模型是獲得準確模擬結果的前提和關鍵條件,對于使用有限元方法的鑄造過程模擬尤為重要。網格劃分在有限元鑄造分析中是一個瓶頸問題和難點,能否攻克這一問題和最終實施是否便利是軟件產品能否真正為工業服務的關鍵。

傳統的三維有限元網格生成,首先需要用戶生成二維表面網格,然后基于該二維網格網格生成三維實體網格。這種方法已經使用了很長的時間,甚至一直沿用至今,目前幾乎所有的有限元軟件或網格劃分工具,均使用該方法,面網格使用三角形元素,體網格使用四面體元素。


2D面網格質量是最終影響3D體網格的關鍵,它必須完全封閉、沒有自由邊和多重邊、沒有零面積的元素和相互交叉的面元素。除了以上的硬性指標之外,還需要保障最大最小元素夾角、最大最小元素面積比。也就是說,用戶在建立3D體網格之前,必須先糾正上述的所有指標。然而,2D面網格的質量與原始CAD的質量和網格劃分的參數都有直接關系。對于一些CAD幾何比較簡單的產品,這并不是很嚴重的問題,但對于類似汽車鑄件這種CAD幾何比較復雜的情況,壞的CAD幾何、細小的面、重疊、表面間隙等均難以完全避免,表面網格的劃分和后期的手動修復工作,需要耗費幾個小時甚至幾天的時間。更加難以接受的是,當幾何、設計方案發生變更,或者網格劃分參數需要調整時,所有的工作都要重做,又要花費數天的時間。


Cast-Designer成功地開發了一種全新的網格技術


通過長期的研究和探索,Cast-Designer成功地開發了一種全新的網格技術,將傳統的非貼體網格和貼體網格劃分手段巧妙地結合在一起,形成了獨一無二的網格劃分模式。使用該技術,讓網格劃分時間比傳統有限元網格劃分方法快數十倍,同時擁有穩定、全自動、足夠精確和非常容易使用的多項優點。




該網格技術能很好地描述幾何表面,但需要用戶具備很高的網格劃分經驗和使用技巧。另外,CAD幾何也需要非常干凈。往往需要對網格進行大量的后期手動調整,工業應用中,無法接受。


傳統的有限差分元FDM網格

網格操作簡單,無需任何CAE使用經驗。對CAD數據要求比較低,少量的重疊面以及細小的間隙通常都可以接受。缺點是難以精確描述幾何,同時網格數量巨大,導致計算時間長。


Cast-Designer 中的全新網格技術

革命性的網格劃分技術,將傳統的非貼體網格和貼體網格劃分手段巧妙地結合在一起,同時擁有上述兩種方法的優點,CAD表面描述優秀,無需使用經驗,CAD數據要求低,且全自動化操作,無需后續手動調整。


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