基于MeshFree的前端框架無網格力學分析

                            孫正峰

                     成都航天模塑股份有限公司

1、前言

  最近研究了無網格劃分軟件MIDAS MeshFree，發現其功能非常強大，而且操作簡單，不僅適用于單品分析，同時也適用于總成研究分析。以下是基于某項目前端框架，通過MeshFree、通用有限元軟件及實驗三者對比研究。

2、前端框架

  某項目前端框架，其結構如圖1所示：

                         圖1 前端框架結構

  圖1所示包括前端框架本體、鎖扣金屬嵌件、防撞梁及實驗工裝等。

  由于前端框架與工裝為螺釘緊固連接，工裝固定在地面上，工裝剛性無限大，因此，可以將與工裝螺釘連接處固定約束，共計12處約束，如圖2所示：

                     圖2 導入MeshFree中的前端框架模型

  此項目前端框架分析的工況如下：

  1、鎖扣﹢Z向剛度：常溫下，在鎖扣受力點處沿+Z方向施加600N載荷；

  2、鎖扣+X向剛度：常溫下，在鎖扣受力點處沿+X方向施加150N載荷；

  3、散熱器安裝點剛度：常溫下，在散熱器安裝孔分別沿-Z方向施加350N載荷；

  4、鎖扣強度（極限拉力）：常溫下，在鎖扣固定區域沿+Z方向施加4000N載荷。

  由于MeshFree軟件中自帶的材料庫沒有PP+LGF30，因此，需要添加該材料屬性，此時需要注意單位，最后對框架本體賦予屬性，其余金屬環境件賦予STEEL屬性。

  說明：由于PP+LGF30含長玻纖，需考慮不同玻纖取向下的材料物性（可采用MDA進行聯合仿真），但是MeshFree中沒有相關功能，因此，采用各向同性進行分析，材料參數選擇玻纖45°方向進行（經驗值）。

  接著，對螺釘孔連接部位進行連接（剛性連接），前防撞梁鈑金件支架創建焊接接觸。

  最后建立約束，創建載荷。

  2.1、鎖扣+Z向剛度（MeshFree+實驗結果）

  鎖扣+Z向剛度工況如圖3所示：

                  圖3 鎖扣+Z向剛度工況載荷及約束圖

  分析控制中默認內存運行分析（即使用內存2GB），鎖扣+Z向剛度工況結果如圖4所示：

                      圖4 鎖扣+Z向剛度工況變形云圖

  由圖4可以看出，鎖扣+Z向剛度工況Z方向最大變形量=1.043mm。

  實驗結果如圖5所示：

                      圖5 鎖扣±Z向剛度工況實驗結果

  由圖5可以看出，鎖扣+Z向剛度工況實驗結果為：+Z方向最大變形量=1.735mm（平均值）。

  由此可見，鎖扣+Z向剛度工況，MeshFree同比實驗結果低39.9%。

  誤差原因分析，從材料、接觸、邊界條件到載荷工況逐一檢查，均沒有發現問題，最后考慮到MeshFree中的網格為默認的，而網格大小直接影響剛度結果，網格越粗，剛度越低。而MeshFree中使用內存越小，網格越粗。基于此方向，采用內存分別為20GB、50GB、100GB進行再次分析（我的電腦內存為128GB），分析結果如圖6所示：

                 圖6不同運行內存下鎖扣+Z向剛度工況變形云圖

  不同內存下，鎖扣+Z向剛度工況，Z向最大變形量、CPU運行總時間三者之間的關系如圖7所示：

                   圖7 運行內存、Z向最大變形量及CPU運行總時間圖

  由圖7可以看出，當內存從50GB以上繼續增大時，Z向最大變形量從1.556mm增至1.564mm，僅增加0.008mm，因此，選擇運行內存為50GB是可以滿足精度要求的，同時，運行內存越大，CPU運行總時間越長。

  因此，后續工況采用運行內存為50GB進行分析，鎖扣+Z向剛度工況，Z向最大變形量為1.556mm，同比實驗結果低10.3%，可以接受。

  2.2、鎖扣+X向剛度（MeshFree+實驗結果）

  鎖扣+X向剛度，MeshFree與實驗結果如圖8所示：

             圖8 鎖扣+X向剛度，X向變形云圖，MeshFree分析與實驗結果

  由圖8可以看出，鎖扣+X向剛度工況，MeshFree中X向最大變形量為0.566mm，實驗結果X向最大變形量均值為0.655mm，同比實驗結果低13.6%。

  2.3、散熱器安裝點剛度（MeshFree+實驗結果）

  散熱器安裝點剛度，MeshFree與實驗結果如圖9所示：

            圖9 散熱器安裝點剛度，Z向變形云圖，MeshFree分析與實驗結果

  由圖9可以看出，散熱器安裝點剛度，MeshFree中Z向測量點變形量為0.732mm，實驗結果X向最大變形量均值為0.80mm，同比實驗結果低8.5%。

  2.4、鎖扣強度（極限拉力）（MeshFree+實驗結果）

  鎖扣強度（極限拉力），MeshFree與實驗結果如圖10所示：

         圖10鎖扣強度（極限拉力），VON MISES應力云圖，MeshFree分析與實驗結果

  由圖10可以看出，鎖扣強度（極限拉力），前端框架本體最大應力出現在螺釘連接孔處，孔為拉鉚螺母連接，該位置不會出現斷裂，但是兩側拐角處，其應力值137.6MPa，超過材料拉伸強度75MPa，有斷裂的風險。實驗結果也在兩側拐角處出現斷裂，因此，MeshFree分析與實驗結果一致。

  2.5、通用有限元軟件分析

  基于此，MeshFree為無網格劃分，為了對比分析驗證，采用通用有限元軟件，對該項目采用有網格分析，其分析結果如下所示：

                             鎖扣﹢Z向剛度       

                            鎖扣﹢X向剛度

                           散熱器安裝點剛度

                    鎖扣強度（極限拉力）

  MeshFree軟件中沒有裂紋擴展模式，在通用有限元軟件中采用裂紋擴展，鎖扣強度（極限拉力）工況采用斷裂模式，仿真分析與實驗結果一致。

3、總結

  3.1、剛度

工況	分析結果	MeshFree	通用有限元軟件	實驗
鎖扣﹢Z向剛度	+Z向最大變形量/mm	1.56	1.77	1.73
鎖扣﹢X向剛度	+X向最大變形量/mm	0.57	0.60	0.65
散熱器安裝點剛度	+Z向測量點變形量/mm	0.73	0.73	0.80

  由上表可以看出，鎖扣+Z向剛度、鎖扣+X向剛度、散熱器安裝點剛度，MeshFree比實驗分別低10.3%、低13.6%、低8.5%，而通用有限元軟件比實驗分別高2.3%、低7.7%、低8.5%。

  3.2、強度

  通過以上分析可知，MeshFree、通用有限元軟與實驗結果一致，均出現斷裂，且斷裂的位置相同，裂紋擴展也相同。

  3.3、MeshFree總結

  MeshFree運行內存為50G以上時，其分析結果與實驗或者是通用有限元軟件分析結果接近，運行內存在50GB以下時，其分析結果呈拋物線增長。

  MeshFree從導入模型到得到分析結果，大概需要1個小時，工況越多，分析時間越長，但是可以多臺電腦同時運行分析，可節約大量時間。而通用有限元分析軟件從網格劃分到計算出結果需要2~3天時間（還是熟練的情況下），由此可見，對于此類型分析（剛度、強度），MeshFree的優勢非常明顯。

  MeshFree分析結果比實驗結果偏低，因此，建議取目標值的85%作為安全余量（后續會采用大量分析進行驗證，以確定通用安全值，此85%僅針對此項目）。

4、展望

  MeshFree中還存在一些提高的地方，比如材料失效模式后，裂紋擴展；大位移非線性、裝配力分析、玻纖曲線聯合仿真分析等。

  后續會對其進行模態、瞬態響應、頻率響應、隨機振動疲勞分析對比。

  敬請期待！