塑料件有限元建模新技术研究

刘德平　王国锋　沈辉　彭鸿　管迪

摘 要：塑料件因其密度小、质量轻等特点被广泛的应用，成为汽车中不可缺少的一部分。同时塑料件具有厚度多变，结构特征复杂的特性，使其有限元建模相对钣金件建模更复杂和耗时，为提高建模效率缩短建模周期本文基于大型前处理软件ANSA介绍了塑料件有限元建模新技术，并通过模态、刚度、接触力和加速度等不同维度验证了新技术的可行性。新技术不仅提高了建模效率，同时也保证了仿真精度。

关键词：塑料件 新技术 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世紀中期发展起来的一种工程实用数值分析方法，现已成为航空航天、机械电子、土木工程、汽车等领域不可缺少的计算工具[1]。有限元分析的结果精度和有限元模型质量有密切的关系，高质量的有限元模型是有限元分析的基础和前提。如何快速、高效的完成有限元建模是CAE人员必须具备的基本能力之一。CAE工程师80%时间是在建立有限元模型和修改模型，整车模型中最多的零件是钣金件和塑料件。钣金件厚度单一特征简单，在整车建模中难度小，通过batchmesh即可获得优质的网格。塑料件因其厚度多变，结构特征复杂，使其有限元建模相对钣金件建模更复杂和耗时，通常占据整车建模三分之一的时间。如今人们生活水平不断提高，人们对汽车提出了更节能、更美观、更环保、更舒适、更安全的要求，因此要求汽车具有更多更实用功能。塑料件因其具有密度小，质量轻，不易腐蚀，易成型等优良性能，使其在汽车中的应用不断增加，随着塑料件的广泛应用，塑料件有限元建模所需时间在整车建模中所占比例也将增大，如何快速高效的完成塑料件有限元建模，保障项目顺利进行成为了一大难题。目前使用率最高的前处理软件是hypermesh和ANSA，这两个软件在塑料件建模中各有优缺点。本文主要讲述基于ANSA的塑料件有限元建模新技术。通过casting将网格直接生成中面，并根据几何自动计算厚度，同时将厚度赋予单元节点上，厚度方式由property thickness转为了section thickness，代替手动测量每个几何面厚度的繁琐操作，即使模型中所有网格单元厚度丢失仍可通过几何自动将厚度赋予单元，这是一种新的建模技术。

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网格，网格完成后手动测量每个几何面厚度并将不同厚度的单元分为不同的property。主要包括七个步骤：CAD数据导入、几何清理、抽取中面、网格划分、付属性、模型连接&检查、模型试算等。

3 塑料件新技术建模流程

塑料件新建模技术减少了抽取中面和手动测量每个面的厚度的过程。主要包括五个步骤：CAD数据导入、几何清理、casting网格、模型连接、模型检查&试算等，如图1所示：

3.1 CAD数据输入

ANSA与其它CAD数据设计软件有强大的接口能力，支持多种格式的CAD数据导入，包括CATPart、IGES、STEP、JT、XML等，且CAD数据导入ANSA的效率和数据质量都很高[2]。高质量的CAD数据为有限元建模提供了便利，节省不必要的重复工作。同时ANSA也支持数据打开后自动保存功能，解决了用户因保存不及时数据被突然关闭的困扰。

3.2 几何清理

创建有限元网格之前需要对几何数据处理，通过Checks-Geometry可检查数据问题并自动修复部分破面或重复的面，减少手动操作。如图2所示：

3.3 casting网格

抽取几何中面是一个耗时的过程，遇到特征复杂厚度多变的零件可能抽取不了中面或抽取后的中面不能用，增加了无效时间。ANSA拥有强大前处理功能，通过casting实现从几何到中面网格的过渡，减少了抽取中面的环节。通过设置casting的基本参数可生成中面网格，通常只需要设置平均尺寸和最小厚度。ANSA自动生成的网格大小均匀，一般不存在细小单元，网格生成后需要调整部分不符合质量要求的网格。Casting界面如图3所示：

塑料件的厚度是多变的，常用的塑料件建模方式是手动测量每个面的厚度，并将相同厚度的单元归属到同一个property，通常一个塑料件会有几个或者几十个property，这个过程需要耗费大量时间且存在很大误差。采用新的建模技术可直接生成中面网格，并根据几何实际厚度自动将厚度赋予每个单元节点，减少了手动测量厚度的工作，减小了因人为测量带来的误差。新建模技术可提高20%-25%的效率，每个单元的厚度准确且方便。shell厚度如图4所示：

3.4 模型连接

单个系统内塑料件是通过螺栓和卡扣来连接。有限元模型里螺栓普遍采用RBE2+CBAR+RBE2或RBE2来模拟，螺栓连接如图5所示：

卡扣连接普遍采用RBE2+CBAR+RBE2方式模拟，但卡扣与螺栓的CBAR在有限元模型中的属性不一样，需要注意区分。卡扣连接如图6所示：

3.5 模型检查&验算

模型完成后通过ANSA自带的检查工具Checks Manager检查模型，Checks Manager分为多个模块，根据需要选择模块，如NASTRAN Checks，检查结果如图7所示：

若模型某项存在问题则status为或，将检查出的问题更新，直到各项检查状态都是（某些特殊项除外）。

模型无问题后导出模型验算，如模型存在问题，计算会停止，同时将报错信息输出到文件，通过查看信息文件（如f06文件）将报错问题找到并解决，直至模型可以正常计算。计算完成后通过Meta或HyperWorks读取结果，通过结果动画检查模型是否存在问题，如连接是否缺失，能量是否正常等。为验证新技术的可行性，从模态、刚度、接触力&加速度、建模效率等不同的维度进行验证。

1）模态验证：将同一个门内饰模型采用相同的设置，计算前20阶模态。模型A采用传统建模方式即手动测量厚度并分成不同property，模型B采用新技术建模，厚度通过单元节点体现，由计算得出模型A的模态是17.52HZ，模型B的模态是：17.62HZ，两个模型模态基本一致。模态云图如图8和图9所示：

2）刚度验证：将同一个门内饰模型采用相同的设置，加载50N的力计算其刚度。模型A采用传统建模方式即手动测量厚度并分成不同property，模型B采用新技术建模即厚度赋予每个单元节点，得出模型A的加載点位移是6.2mm，刚度是8.06MP，最大位移是6.27mm;模型B的加载点位移是：6.19mm，刚度是8.08MP，最大位移6.26mm，两者结果基本一致。位移云图如图10和图11所示：

3）接触力、加速度&变形模式验证：将同一个模型采用相同的设置，加载一定的速度撞击刚性墙验证接触力、加速度和变形模式。蓝色曲线是运用新技术建模得出的接触力和加速度曲线，红色曲线是采用传统方式建模得出的接触力和加速度曲线。结果表明两种建模方式的接触力和加速度基本一致，模型变形基本一致，验证了新技术的可行性。曲线如图12和13所示，模型变形如图14和图15所示：

3）建模效率对比：同一个内饰数据保证模型精度情况下，按照新技术建模可以提高约20%-25%的效率。建模效率对比如图16所示。

4 结论

随着仿真技术在各领域的广泛应用，对有限元建模效率也提出了更高的要求。塑料件因其厚度多变特征复杂，致使有限元建模周期长，为缩短建模周期本文基于ANSA软件介绍了塑料件有限元建模新技术，并通过不同的维度进行了验证。通过验证我们发现新技术不仅保证了仿真精度，同时提升了建模效率，为后续大规模运用奠定了基础，目前已在多个车型中运用。

参考文献：

[1]柴山，刚宪约.车辆结构有限元分析[M].北京：国防工业出版社，2013.12.

[2]付亚兰，谢素明.基于Hypermesh的结构有限元建模技术[M].北京：中国水利水电出版社，2015.1.

[3]曹渊著.ANSYS 18.0有限元分析从入门到精通（升级版）[M].北京：电子工业出版社，2018.3.

[4]黄志刚，许玢，ANSYS19.0有限元分析完全自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2019.5.

[5]乌尔夫布鲁德，塑料使用指南[M].北京：化学工业出版社，2019.6.

[6]曾攀，限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.6.

[7]谢素明，兆文忠，闫雪冬.关于提高CAE性能仿真置信度的思考系统仿真学报[J].2003，15（8）1061-1065.