無網格分析的案例
網格工程師的末路——無網格分析技術
作為一個劃時代的技術，仿真分析已經由航空領域推廣到工業的各領域，并加速了工業的發展，實現了設計周期更短，產品穩定性更高，產品成本更低的目標。但是，作為一個高精尖的技術領域，仿真分析的門檻一直都很高，仿真結果差距取決于仿真工程師的理論儲備、工程經驗積累以及對所做產品的熟悉和理解程度。而無網格分析技術的誕生，使得網格工程師這一崗位走向了末路。。。。。。
本文已一個簡單的示例驗證了SimSolid軟件的針對結構仿真與模態仿真計算的準確度
網格工程師的末路 —— 無網格分析技術.pdf
網格工程師的末路.zip
展開 基于無網格仿真技術的特種車體結構分析
文中探索研究了無網格結構分析技術在復雜結構CAE仿真分析中的應用。以典型特種裝備車體結構為對比，采用無網格技術仿真計算了車體結構的模態、靜態及動態強度特性，計算結果與有限元方法之間的相對誤差分別只有4.8%、2.5%和1.9%，無論是模態振型還是應力分布狀態，無網格方法和有限元方法之間均具有很好的一致性。同時，相比于有限元方法，無網格方法的仿真計算效率提高了79.4%。為工程設計人員在產品設計過程中同步高效地開展結構的CAE仿真分析工作提供了有效的分析手段。
關鍵詞：無網格技術;有限元技術;模態分析;靜態分析;動態分析;
0 引言
在新產品設計過程中，通常需要采用CAE有限元仿真技術對產品結構的剛度、強度及疲勞可靠性等進行分析計算，找出結構設計薄弱環節，提出結構改進方案，從而提高產品性能[1,2]。傳統CAE結構仿真分析通常采用有限元方法，在開展仿真計算之前，需要完成對產品結構的幾何模型建模、劃分結構網格、對網格質量進行檢查等前處理工作。當結構模型較為復雜時，有限元前處理部分的工作往往占據整個CAE仿真分析過程的80%～90%左右[3,4]?？紤]到產品的設計研發周期，如果CAE結構仿真分析工作需要占用大量的時間，勢必會影響產品的研制進度和開發周期。
當前仿真驅動設計的研發理念要求產品的仿真分析工作能夠最大限度地與產品研發過程同步，這樣能夠對產品的設計結構進行快速迭代，加快產品的研發周期。
展開 SolidWorks+SimSolid 快速無網格仿真分析
前言
Altair SimSolid 是一款專門為快速發展的設計流程開發的結構分析軟件。它消除了幾何體簡化和網格化，這是傳統有限元分析中最耗時、最需要大量專業知識的兩項任務，從而能夠在幾分鐘內分析全功能 CAD 裝配，而無需網格化。
SimSolid 提供了以下優勢：
1、分析完整的裝配體— SimSolid 已經從無到有地發展成了一個大型裝配求解器?？梢栽跇藴实墓P記本或臺式計算機上直接分析具有 100 到 1000 個零件的裝配。
2、無幾何體簡化或網格化 — SimSolid 消除了幾何體簡化和網格化，這是傳統有限元分析中耗時最長、需要大量專業知識的兩項任務?？梢栽谀Ｐ椭斜Ａ敉暾膸缀渭毠潱缧】?、倒角、凸轂等。
3、多通道自適應求解器能夠提供自動求解精度 — SimSolid 使用多求解通道、局部和全局誤差分析以及自適應局部富集來確保求解精度。
4、在幾秒到幾分鐘內就能獲得結果 — SimSolid 很快，特別快。求解時間通常以秒到分鐘為單位。使用 SimSolid，可以快速分析和比較多個設計方案。
案例
本次演示SolidWorks建模導入SimSolid 執行無網格結構分析，并在幾秒鐘內運行求解。
一、在SolidWorks里建模，并開啟SIMSOLID插件，將模型導入到simsolid；
二、方便操作習慣，可在simsolid設置solidworks鼠標類型；
三、創建連接；
SimSolid 即使在幾何體重疊的區域也會創建連接；
SimSolid 會自動識別螺栓、螺母和墊圈；
滑動接觸將自動施加于螺栓桿，否則將被綁定。
展開 SOLIDWORKS+SimSolid 快速無網格仿真分析
Altair SimSolid 是一款專門為快速發展的設計流程開發的結構分析軟件。它消除了幾何體簡化和網格化，這是傳統有限元分析中非常耗時而且需要大量專業知識的兩項任務，從而能夠在幾分鐘內分析全功能 CAD 裝配，而無需網格化。
SimSolid 提供了以下優勢：
1、分析完整的裝配體— SimSolid 已經從無到有地發展成了一個大型裝配求解器?？梢栽跇藴实墓P記本或臺式計算機上直接分析具有 100 到 1000 個零件的裝配。
2、無幾何體簡化或網格化 — SimSolid 消除了幾何體簡化和網格化，這是傳統有限元分析中耗時特別長、需要大量專業知識的兩項任務?？梢栽谀Ｐ椭斜Ａ敉暾膸缀渭毠?，如小孔、倒角、凸轂等。
3、多通道自適應求解器能夠提供自動求解精度 — SimSolid 使用多求解通道、局部和全局誤差分析以及自適應局部富集來確保求解精度。
4、在幾秒到幾分鐘內就能獲得結果 — SimSolid 很快，特別快。求解時間通常以秒到分鐘為單位。使用 SimSolid，可以快速分析和比較多個設計方案。
本次演示SolidWorks建模導入SimSolid 執行無網格結構分析，并在幾秒鐘內運行求解。
展開 
基于MeshFree的前端框架無網格力學分析
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。
展開 無網格！無網格CFD！
無網格技術節省了大量的網格劃分時間和精力。無網格CFD技術蓬勃發展未來前景光明，因為它解決了每個CFD工程師面對的最大困難之一—“分網”問題。
本文主要文字翻譯來自參考文獻：
https://www.learncax.com/knowledge-base/blog/by-category/cfd/no-meshing-its-meshless-cfd
文章來源：CAE仿真分析與CFD數值模擬
無網格法與無網格CFD技術
無網格方法因此提供了一個可行的替代基于網格的流體計算方法，并且不需要傳統的網格結構，這樣就解決了很多分網相關的問題。下面，就來介紹當前CFD中主流的無網格方法。
什么是網格？
網格或格子定義為分析域或模型的離散單元格或單元，所有的流動變量和其他變量都在這些離散單元格中心求解。整個過程將物理域分解為更小的子域（單元/單元格）稱為分網，這些單元格分組形成邊界區域并且在這些區域施加邊界條件。不僅僅產生高質量網格并保持它是一項繁重任務，還可能有其他影響諸如：
收斂速率；
結果的準確性；
所需CPU時間。
盡管近年來有很多軟件有自動網格劃分功能，但大多數CFD從業者還是手動進行網格劃分。使用自動網格劃分方法用戶還是需要提供基本的輸入，如單元尺寸、需要劃分網格的區域、求解器來進行網格生成?？墒沁@并非對所有案例都是可行的，對復雜幾何模型難于實現自動。因此，出現了CFD分析方法中的“無網格CFD”。
什么是無網格方法
?
無網格方法用于建立整個問題域的代數方程系統，而不使用域離散的預定義網格。問題域內節點是分散的，節點在邊界上也是分散的節點組來代表（不離散）問題域及其邊界。無網格意味著無需節點間關系的信息，與傳統的有限體積或有限差分方法需要這種關系是不同的。
展開 無網格和無網格CFD，你不知道的事
無網格方法因此提供了一個可行的替代基于網格的流體計算方法，并且不需要傳統的網格結構，這樣就解決了很多分網相關的問題。下面，就來介紹當前CFD中主流的無網格方法。
???
什么是網格？
網格或格子定義為分析域或模型的離散單元格或單元，所有的流動變量和其他變量都在這些離散單元格中心求解。整個過程將物理域分解為更小的子域（單元/單元格）稱為分網，這些單元格分組形成邊界區域并且在這些區域施加邊界條件。不僅僅產生高質量網格并保持它是一項繁重任務，還可能有其他影響諸如：
收斂速率；
結果的準確性；
所需CPU時間。
盡管近年來有很多軟件有自動網格劃分功能，但大多數CFD從業者還是手動進行網格劃分。使用自動網格劃分方法用戶還是需要提供基本的輸入，如單元尺寸、需要劃分網格的區域、求解器來進行網格生成?？墒沁@并非對所有案例都是可行的，對復雜幾何模型難于實現自動。因此，出現了CFD分析方法中的“無網格CFD”。
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什么是無網格方法?
無網格方法用于建立整個問題域的代數方程系統，而不使用域離散的預定義網格。問題域內節點是分散的，節點在邊界上也是分散的節點組來代表（不離散）問題域及其邊界。
展開 仿真筆記——無網格法與無網格CFD技術
無網格方法因此提供了一個可行的替代基于網格的流體計算方法，并且不需要傳統的網格結構，這樣就解決了很多分網相關的問題。下面，就來介紹當前CFD中主流的無網格方法。
什么是網格？
網格或格子定義為分析域或模型的離散單元格或單元，所有的流動變量和其他變量都在這些離散單元格中心求解。整個過程將物理域分解為更小的子域（單元/單元格）稱為分網，這些單元格分組形成邊界區域并且在這些區域施加邊界條件。不僅僅產生高質量網格并保持它是一項繁重任務，還可能有其他影響諸如：
收斂速率；
結果的準確性；
所需CPU時間。
盡管近年來有很多軟件有自動網格劃分功能，但大多數CFD從業者還是手動進行網格劃分。使用自動網格劃分方法用戶還是需要提供基本的輸入，如單元尺寸、需要劃分網格的區域、求解器來進行網格生成?？墒沁@并非對所有案例都是可行的，對復雜幾何模型難于實現自動。因此，出現了CFD分析方法中的“無網格CFD”。
什么是無網格方法
?
無網格方法用于建立整個問題域的代數方程系統，而不使用域離散的預定義網格。問題域內節點是分散的，節點在邊界上也是分散的節點組來代表（不離散）問題域及其邊界。無網格意味著無需節點間關系的信息，與傳統的有限體積或有限差分方法需要這種關系是不同的。
展開 CAE小記丨無網格法與無網格CFD技術
無網格方法因此提供了一個可行的替代基于網格的流體計算方法，并且不需要傳統的網格結構，這樣就解決了很多分網相關的問題。下面，就來介紹當前CFD中主流的無網格方法。
什么是網格？
網格或格子定義為分析域或模型的離散單元格或單元，所有的流動變量和其他變量都在這些離散單元格中心求解。整個過程將物理域分解為更小的子域（單元/單元格）稱為分網，這些單元格分組形成邊界區域并且在這些區域施加邊界條件。不僅僅產生高質量網格并保持它是一項繁重任務，還可能有其他影響諸如：
收斂速率；
結果的準確性；
所需CPU時間。
盡管近年來有很多軟件有自動網格劃分功能，但大多數CFD從業者還是手動進行網格劃分。使用自動網格劃分方法用戶還是需要提供基本的輸入，如單元尺寸、需要劃分網格的區域、求解器來進行網格生成?？墒沁@并非對所有案例都是可行的，對復雜幾何模型難于實現自動。因此，出現了CFD分析方法中的“無網格CFD”。
什么是無網格方法
?
無網格方法用于建立整個問題域的代數方程系統，而不使用域離散的預定義網格。問題域內節點是分散的，節點在邊界上也是分散的節點組來代表（不離散）問題域及其邊界。無網格意味著無需節點間關系的信息，與傳統的有限體積或有限差分方法需要這種關系是不同的。
展開 Altair SimSolid無網格求解器客戶應用案例
Altair SimSolid無網格求解器分析大型鋼結構的能力不斷在用戶現場得到認可，客戶給與了高度評價。
多貝瑪亞索道公司（DOPPELMAYR SEILBAHNEN）是索道技術與世界市場的領導者，為觀光旅游和城市建設提供舒適、安全和高的效率的運送解決方案。他們經過謹慎調研，決定將 SimSolid 應用在纜車建筑的設計分析中，實現了工作量和時間的大幅減少。他們給出了如下評價：
為了測試 Altair SimSolid 用于纜車建筑的可能性和功能，我們在軟件中讀取了一個49米高的桁架支架。普通工作站上，2分鐘內就定義了超過2000個接觸。底部為固定邊界條件、頂部施加位移，第一個結果求解20秒內可見。然后，我們根據應力激活細化，選擇缺口零件，并在5分鐘內對其進行再次評估。對我們來說，這意味著工作量和時間的大幅減少，很有吸引力。
—— Eugen Schwab，仿真工程師
Doppelmayr Seilbahnen GmbH
Digital Architects 是奧地利一家建筑公司，為私人和企業客戶提供建筑、工程和施工咨詢服務。他們將Altair SimSolid用在實驗室建筑的屋頂設計上，對整個屋頂的裝配體進行仿真，研究所有的變量。在不折減剛度的情況下，實現了原材料的節省，在有限的預算和緊迫的項目周期內完成了設計。他們給出了如下評價：
使用 Altair SimSolid 非常棒。我們將傳統的設計周期時間縮短了 50%，并且仍然可以在幾分鐘到幾秒鐘內運行完整的 CAD 裝配體。
Altair SimSolid 是動態評估多種設計備選方案的關鍵推動力。我們顯著減少了完整組裝所需的工程建模計算時間，做到了在最后期限給出穩健可行的設計。
展開 
基于SimSolid的無網格實驗工裝模態分析
由于本工裝用于掃頻振動實驗，頻率范圍要求0~100Hz，因此，該工裝有共振的風險，需要進行優化，即在一階擺動較大的部位增加一條焊柱，優化結構如圖5所示：
圖5 實驗工裝優化結構
根據優化后的數據，快速提交SimSolid進行分析，其分析結果如圖6所示：
圖6 優化后的實驗工裝模態結果
由圖6可知，一階模態為121.09Hz，振型為YZ平面內擺動；二階模態為182.21Hz，振型為XZ平面內擺動。優化后的結果滿足目標。
以上分析，從數據導入，到出分析結果共計用時5min，優化同樣只需要5min，可想而知，無網格的效率在此項目、此分析項上顯得是多么神速。
為了驗證SimSolid分析的精度，我采用了另一款無網格軟件MeshFree進行驗證，對比驗證的數據為沒有進行優化的實驗工裝數據，其分析結果如圖7所示：
圖7 基于MeshFree的實驗工裝模態分析
由圖7可知，一階模態為101.78Hz，振型為XZ平面內擺動。MeshFree總共分析用時12分鐘。
由此可見，SimSolid的精度完全可以保證。
展開 無網格前端框架拓撲優化
Altair Inspire無網格優化在一定程度上縮短了前處理網格劃分的時間，大大提高了效率。
本文是基于某款前端框架，在產品設計初期，對其進行拓撲優化，以達到減重和滿足功能指標。首先采用Altair Inspire無網格拓撲優化分析，接著采用OptiStruct有網格拓撲優化分析，最后二者進行對比，得出結論。
本次拓撲優化的工況如下：
1、前鎖罩剛度，+Z向，在鎖扣質心處施加1000N；
2、前大燈支架剛度，+Z向，前大燈支架安裝孔，100N；
3、散熱器安裝點剛度，-Z向，在散熱器質心處施加600N；
4、一階固有頻率≥35Hz。
Altair Inspire模型設置如圖1所示：
圖1 Altair Inspire模型設置
由圖1可知，灰色部分為非設計區，籬笆色部分為設計區，約束部位如圖中紅色圓柱部位，拔模方向為+Y方向。
優化設置的質量目標為：設計空間總體積的20%。
Altair Inspire優化結果如圖2所示：
圖2 Altair Inspire優化結果
由圖2可以看出，拓撲優化后的一階固有頻率=35.0Hz，滿足目標要求。
展開 有限元分析（FEA）的未來:無網格仿真
要達成這一目標，首先需要建立一個不依賴于形狀的元素網絡;該功能使用結構正交網格，獨立于分析模型的邊界，并簡單地劃分了模型占用的空間。
然后消除掉網格劃分這步，因為該功能可以在計算分析之前不需要任何網格劃分過程。
該功能一旦為特定的分析案例創建了網格，就可以修改和更新模型，而不需要創建新的網格。
無網格快速進行工業機器人的模態分析
其中振動模態對于工業機器人在產線的分析尤為重要。本文通過Simsolid軟件對一工業機器人與產線的結合為例，進行快速的模態分析，為后續隨機振動以及頻率分析等奠定基礎。
工業機器人模型如下，Simsolid可方便的使用不同顏色對不同的零部件進行著色。
導入模型后，軟件可自動識別接觸，通常在前期結構工程師只是把大概的模型畫出，很多細節還未完善，所以連接部位通常都是未完成階段，如果要一個個選還是比較麻煩的，這時候就顯示出自動識別接觸對的優勢了。
設置材料為鋁材，并在機器人底部設置固支邊界，隨后進行模態分析。
前三階模態結果如下：
可見工業機器人的懸臂段是容易激發共振的區域，隨后可根據產線的振動信息，對此進行進一步分析。
總結
通過無網格軟件Simsolid對工業機器人進行快速的模態分析，全程僅需3分鐘即可得到結果。不需要進行前處理以及復雜的網格劃分，特別方便。相信該軟件會越來越普及到結構工程師和仿真工程師中。
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