陈大宏等：CAD技术在有限元分析前处理中的应用 ·71· 笔者认为，第3种前处理方式具有其他方式不可相比的优势和广阔的开发前景，尽管它 在直接自动生成复杂三维网格方面还不能满足工程实际的要求还需要进一步的开发和扩充， 但它反映了90年代的国际先进水平.它代表了微机有限元分析前处理发展的方向，本文 的工作是在ALGOR FEAS软件包提供的ViziCad一一一个专门用于有限元分析的CAD系 统一一的基础上开发的， 1三维有限元分析对网格划分的要求 从理论上说，常规有限元分析模型对网格划分要求满足如下3个条件： (1)必须能描述出分析模型的基本细节. (2)相对单元尺寸必须足够的小，才能保证误差在可接受的范围以内· (3)单元的轮廓比必须接近于1，以避免基数值特征产生退化. 在工程实际中由于关注的部位不同，加之新版本有限元分析软件在算法上的改善，使得 对后两者的限制大大的放宽了，但对前者的要求是无法简化的.零部件的形体发生几何突 变的地方，往往是最受关注的地方，如导角，过渡圆角，燕尾槽等处，都是应力变化最敏 感的部位，如考虑到断裂分析等特殊需要，这些部位的应力场就更重要了· 为目前通用有限元分析程序所能接受的三维单元主要有四面体，六面体和三棱柱体，另外 还有一些派生出来的单元，可供特殊的分析（如断裂力学分析）和适应形体的轮廓变化所用， 如金字塔型，铁鏨型（将六面体的两个节点合并，凿子型（由三棱柱体的两个节点合并而成） 六面体和三棱柱体单元是应当首先被选用的单元，四面体单元虽然具有较好的边界适应 性，但占用单元数过多，占用大量的机器内存，给计算带来不利，此外分网也不方便，没有 带消隐功能的软件支持，看起来令人眼花缭乱.派生出来的单元计算精度都较差，应当慎用， 2有相贯线形体的网格划分法 大多数前处理都能处理规则的三维实体网格划分，然而即使在ViziCad中提供的Super DwⅡ下生成一个较为复杂的三维网格也是一个宏大的作业机械零部件中的几何突变处都 有圆角过渡，可看作是一圆柱体与另外一个实体相贯所构成的表面·如果实体也是由曲面 (如回转曲面)构成，在两个曲面相交的地方，产生相贯线.诸如此类的问题均可由如下 的方法生成网格，即局部生成，多向生长，相互关联，轮廓修饰.本文以滑块式万向联接 轴为例说明之· 分网之前应对受力模型进行分析，在此基础上，估计出应力敏感处的大致位置，确定网 格的疏密，以扁头为例，前端由圆柱体长出两个扁块，它们与圆柱体相接的每个平面都有 圆角过渡，是应力敏感处，此处网格的疏密程度将决定整个分析结果的精度，后来的分析 结果证明了这一点，后部的圆柱体是中空的，但不通·内轮廓由长方体和圆柱体相嵌而 成，靠近中部的实心体内径变大.整体的几何形状对称，但非回转体，外载荷为转矩故不 便利用对称性原理· 2.1局部生成陈大宏等: C A D 技术在有 限元分析前处理中的 应用 · 71 · 笔者认 为 , 第 3 种前 处理 方 式具有 其他 方式 不可相 比 的优势 和广 阔的开 发前 景 . 尽 管 它 在直接 自动 生成 复杂 三维 网格 方面还 不能 满足 工程 实 际的要求 还需要 进 一步 的开 发 和 扩 充 , 但 它反 映 了90 年 代 的 国 际先 进 水 平 . 它 代 表 了微 机 有 限 元 分 析 前处理 发 展 的方 向 . 本 文 的工作 是在 AL G O R F E AS 软件 包提供的 V 访aC d 一一 一个 专门用 于有 限元 分 析 的 C A D 系 统 一一 的基础 上开 发 的 . 1 三维有 限元分 析对网格 划分的要求 从理论上说 , 常 规有 限元分 析模 型 对网 格划分 要求 满足 如下 3 个条件 : ( l) 必 须能 描述 出分 析模 型 的基本 细节 . (2) 相 对单 元尺 寸必 须足 够 的小 . 才能保 证误 差在 可接 受 的范 围 以 内 . ( 3) 单 元 的轮廓 比必 须接 近于 1 , 以 避 免基数 值特 征产 生退化 . 在工 程实 际 中由于 关注 的部位 不 同 , 加 之新 版本有 限元 分析软 件在算 法上 的改善 , 使得 对后两者 的限 制大大 的放 宽 了 . 但 对前 者 的要 求是 无 法 简 化 的 . 零 部 件 的 形体发 生 几 何突 变 的地方 , 往 往是最 受关 注 的地方 . 如 导 角 , 过 渡 圆 角 , 燕 尾 槽 等处 , 都 是应 力 变 化 最 敏 感 的部 位 . 如 考虑 到断裂 分析 等特殊 需要 , 这些部 位 的应力 场就更 重要 了 . 为 目前通 用有 限元分 析程 序所 能接 受的三维单元 主要有 四面体 , 六面体和三棱柱体 , 另外 还 有一 些派 生 出来 的单元 , 可 供特殊 的分析 (如 断裂力 学分 析 ) 和适应形体 的轮廓变化所 用 , 如 金 字塔型 , 铁 契型 (将 六 面体 的两个节点合并 , 凿 子型 ( 由三棱 柱体 的两个节点合并而成 ) 六 面体 和三棱 柱体 单元是 应 当首先 被选 用的单 元 . 四 面体单元 虽然 具有较 好的边界 适 应 性 , 但 占用单 元 数过多 , 占用大量 的机 器 内存 , 给计算 带来 不利 . 此外分 网也不 方便 , 没有 带消 隐功能 的软件 支持 , 看起 来令 人 眼花缭 乱 . 派生 出来 的单元计算精度都较差 , 应 当慎用 . 2 有相贯线形体 的网格划分 法 大多 数前 处理都 能处理规则 的三 维实 体 网格 划 分 . 然而 即使 在 v 访aC d 中提 供 的 S u p er D ar w n 下生 成一 个较 为复杂 的三 维 网格也 是一个 宏 大 的作 业机 械零部 件 中的几何 突变 处都 有 圆角过渡 , 可看作 是一 圆柱 体 与 另外 一 个 实 体相 贯 所构 成 的表 面 . 如 果 实 体 也是 由 曲 面 (如 回转 曲面 ) 构 成 , 在 两 个 曲面相交 的地 方 , 产 生相 贯 线 . 诸 如 此 类 的 间题 均 可 由 如 下 的方法生成 网格 , 即局部 生成 , 多 向生 长 , 相 互 关 联 , 轮 廓修 饰 . 本 文 以 滑 块 式 万 向联 接 轴 为例说 明之 . 分网之 前应 对受力模型进 行分 析 , 在此 基础 上 , 估 计出应力敏 感处 的大致 位置 , 确 定 网 格 的疏密 . 以 扁 头为例 , 前端 由圆柱体 长 出 两 个扁 块 , 它 们 与 圆柱 体 相 接 的每 个 平 面 都 有 圆角过渡 , 是应力 敏感处 . 此 处网格 的疏 密程 度 将 决 定整 个 分 析 结 果 的精 度 . 后 来 的 分 析 结 果 证 明 了这 一 点 . 后 部 的圆 柱 体是 中 空 的 , 但 不 通 . 内 轮廓 由长 方 体 和 圆 柱 体 相 嵌 而 成 , 靠近 中部 的实心体 内径 变大 . 整体 的几 何 形 状 对 称 , 但 非 回转 体 . 外 载荷 为 转 矩 故 不 便利 用对称性 原理 . .2 1 局 部生 成