1.1 TrueGrid 功能及應(yīng)用簡介

　　TrueGrid是一套優(yōu)秀的、功能強(qiáng)大的通用網(wǎng)格生成前處理軟件。它可以方便快速生成優(yōu)化的、高質(zhì)量的、多塊結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格模型。作為一套簡單易用，交互式、批處理前處理器，TrueGrid支持三十多款當(dāng)今主流的分析軟件。使用TrueGrid 軟件可以僅僅花費(fèi)數(shù)天時(shí)間便完成了使用其它網(wǎng)格生成軟件通常需要花費(fèi)幾個(gè)月時(shí)間的工程項(xiàng)目。

　　TrueGrid 提供了工業(yè)界最先進(jìn)的映射網(wǎng)格劃分功能, 使用戶快速完成他們想做的工作，迅速而有效地創(chuàng)建頂級(jí)優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格模型。TrueGrid基于投影幾何學(xué)的投影方法,免去了設(shè)計(jì)者指定結(jié)構(gòu)體積詳細(xì)信息的需要，而這往往是其它CAD導(dǎo)向網(wǎng)格生成器所必需的。而且，這種精確的投影方法能夠處理復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，表面和曲線可以有無限制的任意曲率。用戶只需選取表面，TrueGrid 會(huì)完成其余的工作。

　　TrueGrid創(chuàng)立的網(wǎng)格模型可以導(dǎo)入到有限元或有限差分軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算。TrueGrid提供了很多網(wǎng)格優(yōu)化工具，例如多線性插值、無限插值、橢圓求解器。網(wǎng)格生成后，TrueGrid還提供了很多診斷工具輔助分析網(wǎng)格的質(zhì)量。此外，TrueGrid不僅僅是一個(gè)網(wǎng)格生成工具，它還可以針對(duì)大多數(shù)分析軟件生成輸入文件。在TrueGrid中定義網(wǎng)格的同時(shí)，用戶可以指定有限元網(wǎng)格模型的物理特性、材料參數(shù)及其他與網(wǎng)格劃分無關(guān)的一些模擬參數(shù)。一旦完成了整個(gè)網(wǎng)格的劃分工作，TrueGrid會(huì)自動(dòng)生成輸入文件。

　　圖 1 導(dǎo)彈彈體網(wǎng)格(上圖為外部網(wǎng)格，下圖為內(nèi)部網(wǎng)格)

　　由于TrueGrid 出色的有限單元網(wǎng)格劃分功能，使它在航空航天、汽車、制造行業(yè)等結(jié)構(gòu)有限元分析的前處理上得到了非常廣泛的應(yīng)用。圖1為TrueGrid 生成的導(dǎo)彈彈體網(wǎng)格，模型分為內(nèi)外兩層，網(wǎng)格密度從中心到外壁分為3個(gè)層次，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上降低了計(jì)算成本。

　　1.2 LS-DYNA簡介

　　LS-DYNA 是世界上著名的通用顯式動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問題，同時(shí)也可以求解傳熱、流體及流固耦合問題，在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為。

　　LS-DYNA求解器是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變)、材料非線性(140多種材料動(dòng)態(tài)模型)和接觸非線性(50多種)有限元程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主，兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動(dòng)力分析為主，兼有靜力分析功能(如動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算和薄板沖壓成型后的回彈計(jì)算);軍用和民用相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元求解器。

　　LS-DYNA在求解過程中，是以差分代替微分進(jìn)行迭代計(jì)算，需要小的時(shí)間步長來保證計(jì)算穩(wěn)定性。而時(shí)間步長的確定與單元的大小有著直接的關(guān)系。因此，高質(zhì)量的網(wǎng)格對(duì)提高LS-DYNA求解的效率以及結(jié)果的精確性有很大的幫助。

　　1.3 TrueGrid 與 LS-DYNA的結(jié)合

　　在三維有限元仿真領(lǐng)域，六面體單元是受到一致的認(rèn)同的首選單元。其原因在于與四面體單元相比，六面體單元具有更好的力學(xué)性能，達(dá)到同樣的精度，所需的六面體單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)小于四面體單元，可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

　　目前，六面體網(wǎng)格的生成主要由二維四邊形有限元網(wǎng)格掃描、拉伸、旋轉(zhuǎn)等幾何變換而形成六面體網(wǎng)格。這種方法難度低，比較容易實(shí)現(xiàn)，在當(dāng)前大多數(shù)商業(yè)CAE軟件或前處理軟件中使用。但該方法缺點(diǎn)明顯：只能用于形狀簡單的結(jié)構(gòu)，對(duì)于一些細(xì)部結(jié)構(gòu)，如倒角、孔等無法處理，常常需要將細(xì)部結(jié)構(gòu)刪除再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，或者將復(fù)雜結(jié)構(gòu)大量簡化后再求解分析。而在工程應(yīng)用中，一些細(xì)部結(jié)構(gòu)常常起到如減小應(yīng)力集中、改善應(yīng)力分布的作用，去除細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模的方法會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

　　TrueGrid 使用先進(jìn)的代數(shù)法網(wǎng)格生成技術(shù)，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布上引入算法，將計(jì)算區(qū)域上均勻分布的網(wǎng)格，通過變換，映射為物理區(qū)域上的坐標(biāo)。因此無論是大型零件，多體結(jié)合還是微小復(fù)雜的細(xì)部結(jié)構(gòu)，都可以便捷快速地進(jìn)行網(wǎng)格映射處理。此外，TrueGrid 還可以完成LS-DYNA前處理中，包括part定義，材料參數(shù)設(shè)置，邊界條件設(shè)定等工作。

　　圖 2 快捷的細(xì)微結(jié)構(gòu)處理方法

　　作為通用的顯式有限元求解器，LS-DYNA可以求解撞擊、跌落、成形、爆炸等問題;TrueGrid是一種功能強(qiáng)大的專業(yè)六面體網(wǎng)格生成軟件，生成網(wǎng)格速度快、質(zhì)量高，因此，利用前處理軟件TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結(jié)合可以充分發(fā)揮兩者的性能，為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供強(qiáng)大的CAE平臺(tái)。

　　2. 應(yīng)用實(shí)例

　　2.1 應(yīng)用實(shí)例1——車輛后輪轂沖擊載荷下的應(yīng)力分析

　　該實(shí)例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結(jié)合分析車輛后輪轂在復(fù)雜歷程沖擊載荷下的應(yīng)力分布狀況。車輛后輪轂是影響車輛安全運(yùn)行的重要零件，如圖3所示，因此利用CAE軟件對(duì)其進(jìn)行全面分析十分必要，但由于后輪轂具有外形復(fù)雜，包含通孔、沉孔等細(xì)部結(jié)構(gòu)，因此傳統(tǒng)方法是對(duì)它進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，這樣在相同的計(jì)算成本下，結(jié)果的精確就會(huì)受到影響。

　　圖 3 后輪轂實(shí)物圖

　　利用TrueGrid可以快捷地對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的車輛后輪轂進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。TrueGrid不僅僅生成網(wǎng)格，還可以完成LS-DYNA前處理中，包括part定義，材料參數(shù)設(shè)置，邊界條件設(shè)定等工作，生成完整的計(jì)算模型。如圖4-5所示，該模型網(wǎng)格共有32640個(gè)8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格。將LS-DYNA格式的K文件導(dǎo)入解算器，利用體單元單點(diǎn)積分進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

　　圖 4 利用TrueGrid快捷地對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的后輪轂進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分

　　圖 5 后輪轂六面體網(wǎng)格細(xì)節(jié)

　　圖 6 LS-DYNA的計(jì)算結(jié)果

　　2.2 應(yīng)用實(shí)例2——彎管加工大變形過程模擬

　　薄壁彎管件在航空航天、石油化工和汽車工業(yè)等重要領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。薄壁管數(shù)控彎曲成形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)管塑性彎曲過程的智能化和自動(dòng)化，在航空航天、船舶工業(yè)等高科技領(lǐng)域占有十分重要的地位。

　　以圓管90°模具繞彎加工為例，在TrueGrid中建立幾何以及網(wǎng)格模型，定義剛體模具材料屬性以及變形彎管的材料屬性，定義part間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及邊界條件。此網(wǎng)格模型包含了4個(gè)part，3600個(gè)變形體殼單元以及680個(gè)剛體殼單元。TrueGrid前處理完畢后即生成K文件，通過運(yùn)行LS-DYNA求解器，調(diào)用K文件即可對(duì)該模型進(jìn)行求解計(jì)算。圖9中顯示了該模型的計(jì)算結(jié)果。

　　圖 7 彎管設(shè)備

　　圖 8 網(wǎng)格劃分

　　圖 9 LS-DYNA計(jì)算結(jié)果

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　　2.3 應(yīng)用實(shí)例——鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)載下變形過程分析

　　該實(shí)例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結(jié)合，分析鋼結(jié)構(gòu)在復(fù)雜歷程載荷下關(guān)鍵位置的變形和位移的大小。鋼結(jié)構(gòu)件通常是由簡單的梁、管等組件組合而成的結(jié)構(gòu)，如圖10所示。就組件而言，受力狀況比較簡單，因此使用殼單元是理想的選擇。但如果組件由工字梁等構(gòu)件組成，則規(guī)則的4節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元網(wǎng)格的劃分就比較困難，尤其是接頭處，網(wǎng)格的對(duì)齊是傳統(tǒng)軟件難以做到的。

　　利用TrueGrid就可以快捷地對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的桿結(jié)構(gòu)件進(jìn)行規(guī)則的四邊形網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置、邊界條件設(shè)定等工作，生成計(jì)算模型。導(dǎo)入LS-DYNA后，利用面內(nèi)單點(diǎn)積分進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖13所示。

　　圖 10 工程中的鋼結(jié)構(gòu)

　　圖 11 鋼結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格

　　圖 12 鋼結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格細(xì)節(jié)

　　圖 13 LS-DYNA計(jì)算結(jié)果

　　圖 14 LS-DYNA計(jì)算結(jié)果：關(guān)鍵位置的變形歷程

　　2.4 碰撞實(shí)例——鳥撞模擬

　　鳥撞飛機(jī)風(fēng)擋響應(yīng)分析是經(jīng)典的顯式動(dòng)力學(xué)問題，也是飛機(jī)風(fēng)擋設(shè)計(jì)中不可或缺的CAE仿真分析。利用仿真進(jìn)行撞擊過程的模擬，可以節(jié)約高昂的試驗(yàn)費(fèi)用，加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，在航空工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。該模型也是運(yùn)用LS-DYNA進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的經(jīng)典實(shí)例。鳥體以兩端半球體，中間圓柱體的形狀來模擬。鳥體端面半球體由于是接觸面，因此做成O型網(wǎng)格(蝶型網(wǎng)格)。風(fēng)擋為曲面造型，其網(wǎng)格模型如圖15所示。利用LS-DYNA計(jì)算后，計(jì)算結(jié)果如圖16所示。

　　圖 15 鳥撞模型網(wǎng)格

　　圖 16 LS-DYNA計(jì)算結(jié)果

　　2.5 實(shí)例分析5——活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)瞬態(tài)載荷模擬

　　該實(shí)例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結(jié)合分析活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)在沖擊載荷下的變形過程。活塞連桿機(jī)構(gòu)，如圖17，部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法利用常規(guī)的拉伸，掃描等方法實(shí)現(xiàn)規(guī)則的六面體網(wǎng)格劃分。另外，在進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查時(shí)對(duì)網(wǎng)格疏密進(jìn)行調(diào)整，或是對(duì)幾何尺寸局部改動(dòng)后重新生成網(wǎng)格，通常需要耗費(fèi)仿真工程師大量的時(shí)間精力。

　　圖 17 活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)實(shí)物

　　利用TrueGrid可以快捷地對(duì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行規(guī)則的六面體網(wǎng)格劃分(圖 18)。圖示模型包含了24個(gè)圓柱和平面，網(wǎng)格分成9個(gè)部件，共生成7,488個(gè)節(jié)點(diǎn)、271個(gè)殼單元和3,560個(gè)實(shí)體單元。此外，TrueGrid提供的密度參數(shù)化控制功能，通過直接調(diào)整參數(shù)值，就可以一步到位地調(diào)整模型尺寸或網(wǎng)格疏密，大大提高了工作效率。圖18是活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)的粗網(wǎng)格模型，通過切換參數(shù)，就可以迅速生成圖19和圖20所示的中等密度網(wǎng)格和較密網(wǎng)格模型。在TrueGrid中完成LS-DYNA前處理設(shè)定，包括part定義，材料參數(shù)設(shè)置，邊界條件設(shè)定等工作，生成完整的計(jì)算模型。該模型在顯式求解器LS-DYNA中的計(jì)算結(jié)果如圖21-22所示。

　　圖 18 活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)模型(粗網(wǎng)格)

　　圖 19 活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)模型中等網(wǎng)格

　　圖 20 活塞聯(lián)桿機(jī)構(gòu)模型密網(wǎng)格

　　圖 21 LS-DYNA計(jì)算結(jié)果

　　圖 22 LS-DYNA計(jì)算結(jié)果

　　3.總結(jié)

　　TrueGrid優(yōu)秀的、功能強(qiáng)大的網(wǎng)格生成功能與LS-DYNA通用顯式有限元求解器相結(jié)合，可以求解任意模型，特別是復(fù)雜模型的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問題，及傳熱、流體及流固耦合問題。TrueGrid生成高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，使LS-DYNA求解精度進(jìn)一步提高，它們的結(jié)合為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供強(qiáng)大的仿真分析平臺(tái)。