基于Simsolid/Ansys的零件无网格仿真对比分析

杨晓宇 何艳飞 曹铭超 扶佳

1 桂林航天工业学院 机械工程学院，广西 桂林 541004;2 江苏海上龙源风力发电有限公司，江苏 南通 226000

随着计算机的发展，CAE仿真分析已经成了各大企业中设计新产品过程中不可缺少的一环。传统的CAE技术是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估等[1-4]。CAE的技术种类有很多，包括有限元法、边界元法、有限差分法等，每种方法各有其应用的领域[5-7]，而有限元法现已被广泛应用于结构力学、流体力学、电磁学等[8-10]。在利用有限元法对结构进行仿真分析前，需要对模型进行网格划分，这一部分工作的工作量非常大，往往占据整个有限元仿真分析90%的工作量。而在实际产品设计过程中，产品设计到生产往往具有严格的时间节点，由于有限元分析前处理工作量巨大，结构仿真分析结果经常在产品生产都已经完成之后才出来，即使发现结构设计存在缺陷，也只能想办法在不改变结构的前提下进行加强，这也是仿真结果未能真正指导设计的关键因素之一。

基于此，Altair专门为设计工程师开发出SimSolid软件，该软件虽然也是采用有限元方法，但它的运行方式却截然不同。SimSolid计算引擎基于对外部近似理论的扩展，通过多通道适应性“multi-pass adaptive” 控制分析的准确性，使其具有极快的速度和内存使用效率[11]。它直接使用原始几何模型，无须创建网格和简化模型，而是使用更高阶函数，这些函数应用于模型，可快速实现结构分析，并提供准确的分析结果，快速预测产品性能。

为了验证Simsolid软件的可靠性，本文选取作为有限元分析软件之一的Ansys软件作为对比，分别采用Ansys和Simsolid两种软件，对同一模型进行静强度分析、模态分析以及随机振动分析，研究对比两种软件的分析结果，为设计工程师利用Simsolid应用于设计验证以及快速预测产品性能提供参考依据。

1 模型及输入

为了减少模型本身处理方式所导致的误差，本文选取了一个较为简单的研究模型，如图1所示，模型为301LN不锈钢，该材料的机械性能参数为：密度7.95×10-9ton/mm3、弹性模量210 000 MPa、泊松比0.3、屈服强度240 MPa。

图1 结构几何模型

模型边界条件为约束圆柱底面的6个自由度。

模态分析是计算结构固有频率和确定结构的振动形式，从而判定结构的整体或局部刚度，本模型除安装圆柱底面的约束外，不施加载荷。

静强度分析载荷输入见表1，其中g为重力加速度，1g=9.8 m/s2。

表1 模型静强度分析工况

随机振动分析激励采用加速度功率密度谱，在x方向进行输入，具体输入值见表2。

表2 随机振动分析输入谱(x方向)

2 结构仿真分析对比

利用Ansys对模型进行分析前，先在Hypermesh中进行前处理，然后导入Ansys中进行仿真计算。取整体结构建立有限元力学模型，划分采用以六面体为主的实体单元，极少数采用五面体单元，该模型经前处理，网格节点81 412，单元67 055，网格模型如图2所示。

图2 结构有限元模型

利用Simsolid对模型进行分析时，无须进行前处理，其求解分析步骤如下：

(1)导入几何模型，将模型转化为面体组合；

(2)识别几何特征，如螺栓、螺母、垫圈、弹簧、薄壁件等；

(3)创建连接，软件可以实现自动搜索接触区域和自动定义接触类型以及用户自定义接触类型；

(4)求解设定，设定分析类型、边界条件、选定材料参数以及设定Solution adaption。

2.1 模态仿真分析结果对比

分别利用软件Ansys及Simsolid对模型进行模态分析，得到其前六阶振动频率及对应的振型。表3为前六阶频率值对比结果，图3～图8为前六阶频率对应振型对比结果。以Ansys仿真结果为参考，前六阶振动频率最大相对误差为2.85%，振型结果吻合。

表3 模态分析前六阶频率对比结果

图3 第一阶振动频率对应振型

图4 第二阶振动频率对应振型

图5 第三阶振动频率对应振型

图6 第四阶振动频率对应振型

图7 第五阶振动频率对应振型

图8 第六阶振动频率对应振型

2.2 静强度仿真分析结果对比

静强度分析应力分布情况见图9～图12，四种工况下，两种软件分析得到的应力分布情况一致。四种工况下模型最大应力对比值见表4，从表中可以看出，以Ansys仿真结果为参考，四种工况下，模型应力分析值的最大相对误差为9.7%，最大绝对误差为4.96 MPa。最大相对误差接近10%，主要是两种软件采用的算法不一致所导致的。Ansys需要对模型进行网格划分，再利用有限元法进行求解。而Simsolid不使用传统网格，在Simsolid中，每个部分都由大的通用形状区域表示，区域之间的边界兼容性近似满足，并在每次求解过程中进行调整，通过p-enrichment或引入特殊的非多项式函数提升求解精度。具体哪种软件的计算精度更高，需要通过后续实验的验证，此处不详细展开进行研究。

图9 静强度分析(S01)

图10 静强度分析(S02)

图11 静强度分析(S03)

图12 静强度分析(S04)

表4 静强度分析最大应力值对比结果

2.3 随机振动分析结果对比

随机振动分析1σVon Mises应力分布情况见图13，可以看出，两种软件分析得到的应力分布情况一致。Ansys分析得到1σVon Mises应力最大值为20.99 MPa，Simsolid分析得到的1σVon Mises应力最大值为20.59 MPa，以Ansys仿真分析结果为参考，模型随机振动分析1σVon Mises应力值的最大相对误差为1.9%，最大绝对误差为0.4 MPa。

图13 随机振动分析1σ Von Mises应力分布

3 结论

本文分别利用Ansys和Simsolid两种软件，对同一模型进行静强度分析、模态分析以及随机振动分析，研究对比了两种软件的分析结果，为设计工程师利用Simsolid应用于设计验证以及快速预测产品性能提供参考依据。

根据上述两种软件对同一模型采用同一边界条件的分析计算结果可以看出，以Ansys分析结果为参考，Simsolid模态分析前六阶振动频率最大相对误差为2.85%，振型结果吻合；静强度分析两软件分析得到的应力分布情况一致，模型应力值的最大相对误差为9.7%，最大绝对误差为4.96 MPa；随机振动分析中，1σVon Mises应力值的最大相对误差为1.9%，最大绝对误差为0.4 MPa。基于上，可知Simsolid的分析结果具有一定的准确性，但其设置步骤简单，无须网格划分及调整网格，分析时间短，能快速完成模型的分析计算，有助于提高设计师的设计质量和设计效率。尤其是在设计初期，传统有限元法需要对模型进行网格划分，比较费时间，往往不能及时响应设计初期结构方案的多变，这时可充分利用simsolid快速校核的优势，对不同方案的结构性能进行对比，实现仿真嵌入设计前端。