CAE前处理几何模型简化方法

文摘   科学   2024-10-07 10:58   广东  
1 问题描述

CAE前处理需要对几何模型进行简化处理,否则即是最简单的物理问题,也很难仿真出满意的结果。结合工程实战经验,需要进行简化处理的几何特征大致有:

  • 对于杆、梁、棒、带等长度尺寸远大于截面尺寸的实体零件,经常将它们处理成一维线单元。
  • 对于筋、板、壳、管、套、筒等具有明显薄壁特征的实体零件,经常将它们处理成二维面单元。
  • 对于无关紧要的细节特征,如凸台、凹槽、沉孔、螺孔、倒角、圆角等,经常需要做清除处理。
  • 对于无相对运动的几何单元,进行合并、修剪等。
  • 将不重要的非线性曲线修改成线性直线。
  • 消除零部件之间的缝隙等。
常用CAE软件均具有几何建模和编辑功能,但是大多只适用于处理简单模型,对于复杂模型却显得力不从心,因此需运用专业CAD软件简化处理模型,然后再将处理好的模型导入到CAE软件中进行分析。

Fig. 1 具有明显薄壁特征的几何实体零件

鉴于此,本文以图1所示具有明显薄壁特征的几何实体零件为例,介绍一种基于UG的CAE前处理几何模型简化方法,详细步骤如下所述。
2 将几何模型转化为体单元
采用CAD软件构建图1所示的几何模型,然后将其另存为X_T格式文件。打开UG导入X_T文件,将几何模型转化为体单元,并不显示具体的建模流程和零件名称,如图2所示。

Fig. 2 将几何模型转化为体单元

3 清理体单元中的细节特征
1)清除沉孔。点击菜单栏中的插入—>同步建模—>偏置区域—>选择所有沉孔底面,点击确定,得到图3所示的效果。

Fig. 3 清除沉孔

2)清除凸台。点击菜单栏中的插入—>同步建模—>相关—设为共面—>首先选择凸台面为固定面,然后选择所有槽面为运动面,点击确定,得到图4所示的效果。
Fig. 4 清除凸台
特别注意:本步骤这样操作仅仅是为了介绍UG的不同模型编辑功能,也可以采用步骤1)所述的方法清除凸台,感兴趣可以自行操作。

3)清除圆角。点击菜单栏中的插入—>同步建模—>删除面—>选择所有的圆角,点击确定,得到图5所示的效果。

Fig. 5 清除圆角

4)清除圆孔。首先,点击菜单栏中的插入—>曲面—>有界平面—>选择圆孔边线,点击确定,构造出如图6所示的圆形平面。

Fig. 6 构造圆形平面

其次,点击菜单栏中的插入—>偏置/缩放—>加厚—>选择构造出的圆形平面,点击确定,得到图7所示的圆形实体。

Fig. 7 得到圆形实体
最后,重复上述步骤,清除所有圆孔,得到图8所示的效果。
Fig. 8 清除圆孔

特别注意:本步骤这样操作也仅仅是为了介绍UG的不同模型编辑功能,当然也可以采用步骤3)所述的方法清除圆孔,感兴趣也可以自行操作。

5)移除参数。点击菜单栏中的编辑—>特征—>移除参数—>框选整个模型,点击确定,得到图9所示的效果。

Fig. 9 移除参数得到体单元
6)合并体。点击菜单栏中的插入—>组合—>合并—>选择原来的体和步骤4)创建的圆柱体,点击确定,得到图10所示的效果。
Fig. 10 合并体单元

7)删除面。重复操作步骤5),这时模型中含有步骤4)构造的圆形平面,直接在部件导航器中全部选中,如图11所示,点击键盘Delete删除即可。

Fig. 11 删除面
经过上述操作,得到清除细节特征的几何模型,如图12所示。
Fig. 12 清除细节特征的几何模型
4 将清理后的体单元处理成片体
1)创建基准。点击菜单栏中的插入—>基准/点—>基准平面—>选择模型下部凹面,点击确定,创建一个基准平面,如图13所示。
Fig. 13 创建基准平面
2)智能切分。点击菜单栏中的插入—>修剪—>修剪体—>选择几何模型为目标体、新建平面为工具,点击确定,将几何模型拆分成上下两个子体,如图14所示。
Fig. 14 智能切分

3)抽取中面。点击菜单栏中的插入—>曲面—>中面—>面对—>选择下部子体、设置策略为级进—>单击自动创建面对后面的黄色按钮,点击确定,得到图15所示的效果。

Fig. 15 抽取中面

4)移除参数。点击菜单栏中的编辑—>特征—>移除参数—>框选整个模型,点击确定,得到图16所示的效果。

Fig. 16 移除参数

5)清除实体。在部件导航器中选中原来的体单元,点击键盘Delete删除,得到图17所示的片体。

Fig. 17 清除实体

6)修补片体。仔细观察图17所示的片体,上下片体之间存在间隙,并未连成一体,因此需要进行补片操作。

Fig. 18 延伸片体

点击菜单栏中的插入—>修剪—>延伸片体—>“边”栏选择下部片体的所有靠近上部片体的边线、“限制”栏选择直到选定并选择上部片体,如图18所示,点击确定,得到如图19所示的效果。

Fig. 19 修剪片体

5 将片体单元离散成网格单元

将片体单元另存为x_t、stp、igs等格式,然后打开Ansys Worbench,拖入Geometry,双击进入DM界面。展开File,选择Import External Geometry Files,选择保存的模型。右击Attach1,选择Generate生成模型,如下图所示。

Fig. 20 导入并生成几何模型

关闭DM界面,拖拉Mesh至Geometry上。双击Mesh,进入界面后展开Geometry,依次点击各片体,在下方列表中设置厚度Thickness和偏置类型Offset Type(Top、Middle、Bottom),如下图所示。

Fig. 21 定义几何单元属性
右击Mesh,选择Generate Mesh,生成有限元网格,如下图所示。也可以对网格划分方法和单元大小进行控制,以更近精细化网格模型,并进行网格质量检查。本文不再阐述,感兴趣自行操作。 

Fig. 22 有限元网格划分

本案例所用模型较为简单,实际遇到的工程问题千变万化、复杂多样,需要灵活应对、综合应用。
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