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案例分享｜基于 Altair SimSolid 的大型通用工裝結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析及試驗(yàn)對(duì)標(biāo)
感謝成都航天模塑有限責(zé)任公司孫正峰投稿
工裝設(shè)計(jì)在制造前,，需具備一定的剛強(qiáng)度指標(biāo)，以滿足結(jié)構(gòu)功能試驗(yàn),。采用傳統(tǒng)的有限元仿真分析，雖然精度可以保證,，但是時(shí)間較長(zhǎng),，且需具備一定的專業(yè)能力。為了提高效率,，可以采用 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析,。
本文采用有限元仿真和 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格對(duì)比分析，最后和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo),。
一,、背景
隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試的急劇增加，要求越來(lái)越嚴(yán)格,，應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷更新,。為了能滿足測(cè)試需求，針對(duì)不同測(cè)試要求需要設(shè)計(jì)不同配置的工裝,，久而久之,，工裝越來(lái)越多，成本也越來(lái)越高,，且安裝操作也較繁瑣,。面對(duì)有些大載荷工況（載荷≥2500N），公司配備的試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿足,，只能委托其他試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試,，這樣一來(lái),，試驗(yàn)成本、工裝成本,、人力成本等也隨之增加,。
基于上述現(xiàn)狀，公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款大型通用工裝,，結(jié)合公司新配置的設(shè)備,，針對(duì)不同測(cè)試要求可選擇性搭配，且可滿足不同位置,、不同角度,、不同載荷大小（載荷最大可達(dá)10000N）的功能性測(cè)試,。
測(cè)試工裝設(shè)計(jì)好后,，在制造之前，需要驗(yàn)證其剛強(qiáng)度性能,，這類復(fù)雜工裝的有限元仿真驗(yàn)證,，要求仿真人員具備較專業(yè)的網(wǎng)格模型搭建能力，并且存在仿真時(shí)間長(zhǎng)迭代慢的問(wèn)題,，所以探索了無(wú)網(wǎng)格快速仿真軟件,，測(cè)試無(wú)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)仿真的精度和效率。
二,、數(shù)據(jù)模型
大型通用工裝尺寸為2410mm×1710mm×1800mm,，總重628kg，采用鋁合金和鈑金相結(jié)合的方式,，如圖1所示：
圖1 大型通用工裝數(shù)據(jù)模型圖
如圖1所示,，灰色部件為鋁合金材料，其余部件均為鈑金材料,。
三,、有限元仿真分析
3.1 網(wǎng)格劃分及連接方式
工裝總共由183個(gè)零部件組成。鋁合金及大部分鈑金均采用殼單元,，即中面四邊形網(wǎng)格,，網(wǎng)格尺寸大小為4mm，不同截面分別賦予不同料厚,，如圖2所示,；剩余部分鈑金件采用六面體網(wǎng)格，為了保留產(chǎn)品的所有特征,，網(wǎng)格大小采用2mm,，如圖3所示。鋁合金件之間通過(guò)角碼進(jìn)行連接,，鈑金件之間通過(guò)焊接及螺栓進(jìn)行連接,?？偝删W(wǎng)格及連接如圖4所示。網(wǎng)格單元總數(shù)量為1645393個(gè),。
圖2 中面四邊形網(wǎng)格
圖3 六面體網(wǎng)格
圖4 有限元網(wǎng)格總成裝配圖
3.2 材料參數(shù)
鋁合金和鈑金材料參數(shù)如表1所示,。
表1 大型通用工裝材料參數(shù)
3.3 分析工況
為了驗(yàn)證工裝的可靠性，需要保證工裝具有一定的剛性,，同時(shí),，在大載荷作用下，工裝具備足夠的強(qiáng)度,。因此,，對(duì)工裝采用剛度和強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。
約束：對(duì)工裝底部4個(gè)腳進(jìn)行全約束,，即約束dof1～dof6,。
載荷：對(duì)工裝與產(chǎn)品的連接點(diǎn)進(jìn)行加載，剛度載荷大小為1000N,，測(cè)量點(diǎn)位上橫梁中間位置,，目標(biāo)值為≤0.5mm；強(qiáng)度載荷大小為5000N,，最大應(yīng)力＜材料屈服強(qiáng)度×0.8,。
工裝仿真分析工況如圖5所示：
圖5 工裝仿真分析工況示意圖
3.4 仿真分析結(jié)果
工裝剛度仿真分析結(jié)果如圖6所示：
圖6 工裝剛度仿真分析位移云圖
由圖6所示，工裝剛度工況,，指定點(diǎn)位移為0.104mm,。
工裝強(qiáng)度仿真分析結(jié)果如圖7所示：
圖7 工裝強(qiáng)度仿真分析應(yīng)力云圖
由圖7所示，工裝強(qiáng)度工況,，最大應(yīng)力為45.8MPa，低于材料屈服強(qiáng)度的0.8倍,。
小結(jié)：有限元仿真分析網(wǎng)格劃分,、連接、分析設(shè)置等,，總共耗時(shí)7天時(shí)間（平均每天按照7個(gè)小時(shí)計(jì)算）,。
備注：此有限元仿真分析為工作一年工程師的效率。
四,、SimSolid仿真分析
鑒于有限元仿真分析耗時(shí)耗力,，因此考慮 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格軟件。首先導(dǎo)入幾何模型,，如圖8所示：
圖8 導(dǎo)入幾何模型
導(dǎo)入幾何模型后,，對(duì)總成數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)綁定接觸，間隙和穿透均設(shè)置為0.5mm,，設(shè)置如圖9所示：
圖9 自動(dòng)綁定接觸設(shè)置
接著進(jìn)行約束和載荷工況設(shè)置,，如圖10所示：
圖10 約束和載荷工況設(shè)置
分析設(shè)置和分析方法均和有限元仿真保持一致,，即采用線性靜力學(xué)分析，如圖11所示：
圖11 線性靜力學(xué)分析
求解設(shè)置采用Adapt for stiffness進(jìn)行,，如圖12所示：
圖12 求解設(shè)置Adapt for stiffness
分析結(jié)果如圖13所示：
圖13 基于求解設(shè)置Adapt for stiffness的位移云圖
由圖13可知,，提取與有限元仿真位移云圖中相同的點(diǎn)，指定點(diǎn)位移為0.075mm,。
此結(jié)果與有限元仿真位移云圖中相同點(diǎn)位移結(jié)果0.104mm相差較大,，誤差達(dá)到27.9%。結(jié)合模型進(jìn)行誤差原因分析：由于幾何模型厚度較薄,，且長(zhǎng)度較長(zhǎng),，符合薄壁件特征，因此,，將求解設(shè)置改為Custom,，同時(shí)勾選 Adapt to features 和 Adapt to thin solids，Refinement level 選擇higt,，如圖14所示：
圖14 求解設(shè)置Custom
根據(jù)求解設(shè)置Custom,，其分析結(jié)果如圖15所示（SimSolid 的云圖和有限元的云圖對(duì)比）：
圖15 基于求解設(shè)置Custom的位移云圖
由圖15可知，提取與有限元仿真位移云圖中相同的點(diǎn),，指定點(diǎn)位移為0.094mm,。
此結(jié)果與有限元仿真位移云圖中相同點(diǎn)位移結(jié)果0.104mm相差較小，誤差僅9.6%,。
剛度誤差＜10%可接受,，按照同樣的分析方法，將載荷改為5000N,，其應(yīng)力云圖如圖16所示（SimSolid的云圖和有限元的云圖對(duì)比）：
圖16 基于SimSolid的強(qiáng)度分析結(jié)果-應(yīng)力云圖
由圖16所示,，基于SimSolid的強(qiáng)度分析結(jié)果，最大應(yīng)力為42.3MPa,。
此結(jié)果與有限元仿真應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力結(jié)果45.8Mpa相差較小,，誤差僅7.6%。
小結(jié)：SimSolid 仿真分析綁定接觸,、連接,、分析設(shè)置等，總共耗時(shí)1.5h,。
五,、試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)工裝總成如圖17所示：
圖17 試驗(yàn)工裝總成
試驗(yàn)按照與有限元仿真加載點(diǎn)位置、大小和方向一致進(jìn)行,，試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)與仿真分析結(jié)果選取點(diǎn)一致,，加載1000N載荷下的試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示：
圖18 試驗(yàn)剛度結(jié)果
由圖18可知，試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)（與仿真分析結(jié)果選取點(diǎn)一致）位移為0.139mm。相比有限元仿真分析結(jié)果0.104mm和 SimSolid 分析結(jié)果0.094mm大一些,。
誤差原因分析：從圖17可以看出,，工裝底部放置在地面上，僅地面對(duì)工裝有支撐作用,，試驗(yàn)過(guò)程中,，工裝受力后，會(huì)有一點(diǎn)翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì),，仿真中四個(gè)底角是全約束,，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)。因此,，造成試驗(yàn)結(jié)果比有限元分析結(jié)果和 SimSolid 結(jié)果都偏大,，屬于正常范圍。
接著對(duì)工裝進(jìn)行5000N強(qiáng)度試驗(yàn),，由于沒(méi)有應(yīng)變片,，因此，無(wú)法檢測(cè)應(yīng)力,，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察工裝有無(wú)永久變形和發(fā)白的現(xiàn)象,，如圖19所示：
圖19 工裝強(qiáng)度5000N試驗(yàn)結(jié)果圖片
由圖19可知，工裝強(qiáng)度5000N試驗(yàn)卸載后,，沒(méi)有永久變形,。
六、對(duì)標(biāo)
將 SimSolid 結(jié)果,、有限元仿真結(jié)果,、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，如表2所示：
表2 SimSolid結(jié)果,、有限元仿真結(jié)果,、試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)
備注：
1.試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析：工裝底部放置在地面上，僅地面對(duì)工裝有支撐作用,，試驗(yàn)過(guò)程中,，工裝受力后，會(huì)有一點(diǎn)翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì),。仿真中四個(gè)底角是全約束，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn),。因此,，造成試驗(yàn)結(jié)果比有限元分析結(jié)果和 SimSolid 結(jié)果都偏大，屬于正常范圍,。后續(xù)減小仿真與試驗(yàn)差異的操作是,，更改仿真時(shí)底角的約束，使其更貼近試驗(yàn)條件,。
2.SimSolid 與有限元仿真對(duì)比,，SimSolid 與有限元仿真的位移差異為-0.01mm,，體現(xiàn)在百分比上是9.6%，應(yīng)力差異是-3.5MPa,體現(xiàn)在百分比上是7.6%,。該精度已能指導(dǎo)設(shè)計(jì),，且提速明顯。
3.SimSolid 與有限元仿真,，差異來(lái)源可能是有限元模型中部分殼單元的簡(jiǎn)化偏離了原始模型,，使得在局部幾何上有限元模型與 SimSolid 模型不一致。
七,、總結(jié)
針對(duì)大型復(fù)雜的工裝,，零件數(shù)量又龐大的類型，前處理模型搭建（即殼單元和六面體網(wǎng)格劃分,、單元連接等）非常費(fèi)時(shí)間,，且搭建的模型網(wǎng)格數(shù)量也多，計(jì)算時(shí)間也較長(zhǎng),，采用 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析,，不僅能大大縮短時(shí)間，同時(shí)能保證精度,，具體結(jié)論如下：
1.SimSolid從導(dǎo)入模型到結(jié)果查看,，總計(jì)耗時(shí)1.5h，而有限元仿真分析導(dǎo)入模型到結(jié)果查看,，總共耗時(shí)49h,，僅有限元仿真總時(shí)長(zhǎng)的3%。（備注：此有限元仿真分析為工作一年工程師的效率,。）
2.SimSolid 與有限元仿真,，剛度和強(qiáng)度誤差可控制在10%以內(nèi)。
3.針對(duì)薄壁零件,，采用 SimSolid 進(jìn)行仿真分析時(shí),，建議將求解設(shè)置改為 Custom，同時(shí)勾選Adapt to features和Adapt to thin solids,，Refinement level 選擇 higt,，這樣可以提高仿真精度。
4.SimSolid,、有限元仿真,、試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可以滿足試驗(yàn)要求,。
八,、展望
1.目前我用的這個(gè)2020版本無(wú)法創(chuàng)建質(zhì)量點(diǎn)，無(wú)法創(chuàng)建剛性單元等，最新的2025版本可以支持等效創(chuàng)建剛性單元,、創(chuàng)建質(zhì)量點(diǎn),，新增的建模功能可更好對(duì)標(biāo)有限元模型，降低精度差異,，因此,，后續(xù)我也會(huì)下載最新版本進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。
2.目前 SimSolid 無(wú)網(wǎng)格仿真方法是有限元隱式算法類似的外部近似方法,，無(wú)法仿真碰撞,，期待后續(xù)能有沖擊碰撞類顯式問(wèn)題的快速仿真。
2025年5月15日,，來(lái)自全球不同行業(yè)的知名企業(yè)專家將線上實(shí)時(shí)分享他們使用快速仿真設(shè)計(jì)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),，歡迎您報(bào)名會(huì)議，了解如何利用仿真技術(shù)加快產(chǎn)品研發(fā)速度,， CAE 和有限元分析技術(shù)的應(yīng)用如何在產(chǎn)品研發(fā)中實(shí)現(xiàn)降本增效,。
關(guān)于 Altair 澳汰爾
Altair 是計(jì)算智能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一，在仿真,、高性能計(jì)算 (HPC) 和人工智能等領(lǐng)域提供軟件和云解決方案,。Altair 能使跨越廣泛行業(yè)的企業(yè)們?cè)谶B接的世界中更高效地競(jìng)爭(zhēng)，并創(chuàng)造更可持續(xù)的未來(lái),。
公司總部位于美國(guó)密歇根州,，服務(wù)于16000多家全球企業(yè)，應(yīng)用行業(yè)包括汽車,、消費(fèi)電子,、航空航天、能源,、機(jī)車車輛,、造船、國(guó)防軍工,、金融,、零售等。
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