塑料件有限元建模新技術研究

劉德平　王國鋒　沈輝　彭鴻　管迪

摘 要：塑料件因其密度小、質量輕等特點被廣泛的應用，成為汽車中不可缺少的一部分。同時塑料件具有厚度多變，結構特征復雜的特性，使其有限元建模相對鈑金件建模更復雜和耗時，為提高建模效率縮短建模周期本文基于大型前處理軟件ANSA介紹了塑料件有限元建模新技術，并通過模態、剛度、接觸力和加速度等不同維度驗證了新技術的可行性。新技術不僅提高了建模效率，同時也保證了仿真精度。

關鍵詞：塑料件 新技術 ANSA 有限元建模 property thickness section thickness

Research on New Technology of Finite Element Modeling of Plastic Parts

Liu Deping Wang Guofeng Shen Hui Peng Hong Guan Di

Abstract：Plastic parts are widely used due to their low density and light weight， and become an indispensable part of automobiles. At the same time， plastic parts have the characteristics of variable thickness and complex structural features， making finite element modeling more complicated and time-consuming than sheet metal modeling. In order to improve modeling efficiency and shorten modeling cycle， this article is based on the large-scale pre-processing software ANSA. The new technology of finite element modeling of plastic parts has verified the feasibility of the new technology through different dimensions such as modal， stiffness， contact force and acceleration. The new technology not only improves modeling efficiency， but also ensures simulation accuracy.

Key words：plastic parts， new technology， ANSA， finite element modeling， property thickness， section thickness

1 引言

有限元法是20世紀中期發展起來的一種工程實用數值分析方法，現已成為航空航天、機械電子、土木工程、汽車等領域不可缺少的計算工具[1]。有限元分析的結果精度和有限元模型質量有密切的關系，高質量的有限元模型是有限元分析的基礎和前提。如何快速、高效的完成有限元建模是CAE人員必須具備的基本能力之一。CAE工程師80%時間是在建立有限元模型和修改模型，整車模型中最多的零件是鈑金件和塑料件。鈑金件厚度單一特征簡單，在整車建模中難度小，通過batchmesh即可獲得優質的網格。塑料件因其厚度多變，結構特征復雜，使其有限元建模相對鈑金件建模更復雜和耗時，通常占據整車建模三分之一的時間。如今人們生活水平不斷提高，人們對汽車提出了更節能、更美觀、更環保、更舒適、更安全的要求，因此要求汽車具有更多更實用功能。塑料件因其具有密度小，質量輕，不易腐蝕，易成型等優良性能，使其在汽車中的應用不斷增加，隨著塑料件的廣泛應用，塑料件有限元建模所需時間在整車建模中所占比例也將增大，如何快速高效的完成塑料件有限元建模，保障項目順利進行成為了一大難題。目前使用率最高的前處理軟件是hypermesh和ANSA，這兩個軟件在塑料件建模中各有優缺點。本文主要講述基于ANSA的塑料件有限元建模新技術。通過casting將網格直接生成中面，并根據幾何自動計算厚度，同時將厚度賦予單元節點上，厚度方式由property thickness轉為了section thickness，代替手動測量每個幾何面厚度的繁瑣操作，即使模型中所有網格單元厚度丟失仍可通過幾何自動將厚度賦予單元，這是一種新的建模技術。

2 塑料件常用建模流程

塑料件常用的建模方式是先抽取中面，在中面上建立符合要求的網格，網格完成后手動測量每個幾何面厚度并將不同厚度的單元分為不同的property。主要包括七個步驟：CAD數據導入、幾何清理、抽取中面、網格劃分、付屬性、模型連接&檢查、模型試算等。

3 塑料件新技術建模流程

塑料件新建模技術減少了抽取中面和手動測量每個面的厚度的過程。主要包括五個步驟：CAD數據導入、幾何清理、casting網格、模型連接、模型檢查&試算等，如圖1所示：

3.1 CAD數據輸入

ANSA與其它CAD數據設計軟件有強大的接口能力，支持多種格式的CAD數據導入，包括CATPart、IGES、STEP、JT、XML等，且CAD數據導入ANSA的效率和數據質量都很高[2]。高質量的CAD數據為有限元建模提供了便利，節省不必要的重復工作。同時ANSA也支持數據打開后自動保存功能，解決了用戶因保存不及時數據被突然關閉的困擾。

3.2 幾何清理

創建有限元網格之前需要對幾何數據處理，通過Checks-Geometry可檢查數據問題并自動修復部分破面或重復的面，減少手動操作。如圖2所示：

3.3 casting網格

抽取幾何中面是一個耗時的過程，遇到特征復雜厚度多變的零件可能抽取不了中面或抽取后的中面不能用，增加了無效時間。ANSA擁有強大前處理功能，通過casting實現從幾何到中面網格的過渡，減少了抽取中面的環節。通過設置casting的基本參數可生成中面網格，通常只需要設置平均尺寸和最小厚度。ANSA自動生成的網格大小均勻，一般不存在細小單元，網格生成后需要調整部分不符合質量要求的網格。Casting界面如圖3所示：

塑料件的厚度是多變的，常用的塑料件建模方式是手動測量每個面的厚度，并將相同厚度的單元歸屬到同一個property，通常一個塑料件會有幾個或者幾十個property，這個過程需要耗費大量時間且存在很大誤差。采用新的建模技術可直接生成中面網格，并根據幾何實際厚度自動將厚度賦予每個單元節點，減少了手動測量厚度的工作，減小了因人為測量帶來的誤差。新建模技術可提高20%-25%的效率，每個單元的厚度準確且方便。shell厚度如圖4所示：

3.4 模型連接

單個系統內塑料件是通過螺栓和卡扣來連接。有限元模型里螺栓普遍采用RBE2+CBAR+RBE2或RBE2來模擬，螺栓連接如圖5所示：

卡扣連接普遍采用RBE2+CBAR+RBE2方式模擬，但卡扣與螺栓的CBAR在有限元模型中的屬性不一樣，需要注意區分。卡扣連接如圖6所示：

3.5 模型檢查&驗算

模型完成后通過ANSA自帶的檢查工具Checks Manager檢查模型，Checks Manager分為多個模塊，根據需要選擇模塊，如NASTRAN Checks，檢查結果如圖7所示：

若模型某項存在問題則status為或，將檢查出的問題更新，直到各項檢查狀態都是（某些特殊項除外）。

模型無問題后導出模型驗算，如模型存在問題，計算會停止，同時將報錯信息輸出到文件，通過查看信息文件（如f06文件）將報錯問題找到并解決，直至模型可以正常計算。計算完成后通過Meta或HyperWorks讀取結果，通過結果動畫檢查模型是否存在問題，如連接是否缺失，能量是否正常等。為驗證新技術的可行性，從模態、剛度、接觸力&加速度、建模效率等不同的維度進行驗證。

1）模態驗證：將同一個門內飾模型采用相同的設置，計算前20階模態。模型A采用傳統建模方式即手動測量厚度并分成不同property，模型B采用新技術建模，厚度通過單元節點體現，由計算得出模型A的模態是17.52HZ，模型B的模態是：17.62HZ，兩個模型模態基本一致。模態云圖如圖8和圖9所示：

2）剛度驗證：將同一個門內飾模型采用相同的設置，加載50N的力計算其剛度。模型A采用傳統建模方式即手動測量厚度并分成不同property，模型B采用新技術建模即厚度賦予每個單元節點，得出模型A的加載點位移是6.2mm，剛度是8.06MP，最大位移是6.27mm;模型B的加載點位移是：6.19mm，剛度是8.08MP，最大位移6.26mm，兩者結果基本一致。位移云圖如圖10和圖11所示：

3）接觸力、加速度&變形模式驗證：將同一個模型采用相同的設置，加載一定的速度撞擊剛性墻驗證接觸力、加速度和變形模式。藍色曲線是運用新技術建模得出的接觸力和加速度曲線，紅色曲線是采用傳統方式建模得出的接觸力和加速度曲線。結果表明兩種建模方式的接觸力和加速度基本一致，模型變形基本一致，驗證了新技術的可行性。曲線如圖12和13所示，模型變形如圖14和圖15所示：

3）建模效率對比：同一個內飾數據保證模型精度情況下，按照新技術建模可以提高約20%-25%的效率。建模效率對比如圖16所示。

4 結論

隨著仿真技術在各領域的廣泛應用，對有限元建模效率也提出了更高的要求。塑料件因其厚度多變特征復雜，致使有限元建模周期長，為縮短建模周期本文基于ANSA軟件介紹了塑料件有限元建模新技術，并通過不同的維度進行了驗證。通過驗證我們發現新技術不僅保證了仿真精度，同時提升了建模效率，為后續大規模運用奠定了基礎，目前已在多個車型中運用。

參考文獻：

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