搜索多尺度算法在增材點陣結構仿真分析中的應用（上篇）
2019-04-05 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
作者| 段衛毅 安世中德結構仿真咨詢專家
隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發展,增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用,如圖1所示。點陣結構作為一種新型的結構設計,除輕量化特點外,同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。由于其含有大量復雜的微觀結構,包括胞元類型和幾何尺寸等參數,導致建模和仿真計算工作量巨大,傳統有限元分析已經無法適用。因此,經過多年的仿真計算積累和努力探索,我們團隊開發出了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件,即Lattice Simulation。
本文分為上、下兩篇,上篇結合應用案例,淺談基于多尺度算法開發出的這款點陣結構分析工具,是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題的。下篇將對Lattice Simulation和ANSYS Discovery進行分析對比,以說明多尺度算法在點陣結構分析中的準確性。
圖1 點陣結構
1、概述
Lattice Simulation是一款用于增材點陣結構分析的工具,具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式,已集成在ANSYS add-in擴展工具中。基于多尺度算法,用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數,在均質化等效實體模型宏觀力學分析后,可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。
圖2 點陣結構分析工具功能
圖3 Workbench點陣結構模塊分析流程
2、Lattice Simulation功能與優勢
Lattice Simulation提供增材點陣結構在有限元仿真中涉及的相關分析功能
(1) 均質化分析
基于胞元結構類型及在空間上的周期排列特性,進行均質化計算,提取等效實體的材料力學特性。
(2) 宏觀分析
采用均質化分析得到的等效材料數據,并對等效實體點陣結構進行力學分析,校核點陣結構剛度性能。
(3) 細觀校核
考慮胞元外部邊界條件(采用應變加載),對其進行詳細的應力分析,校核點陣胞元結構強度性能。
圖4 多尺度算法原理圖
圖5 多尺度分析流程圖
Lattice Simulation的優勢體現在:
(1) 強大的點陣建模功能
① 支持spaceclaim中內置點陣結構。
② 支持外部導入點陣類型。
(2) 高效求解:大大降低建模難度,高效地實現復雜點陣結構的力學分析。
(3) 自動生成材料數據庫和內置材料數據庫。
(4) 支持參數優化功能。
(5) 圖6 Lattice Simulation操作界面 。
界面友好,易于操作
圖7 Spaceclaim內置點陣建模過程
圖8 均質化分析過程胞元變形結果
3、Lattice Simulation應用案例
① 懸臂梁剛度和強度分析
② 支架
圖10 點陣結構支架分析
③ 直升機支架
圖11 直升機支架分析
結論
本文結合Lattice Simulation對增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題進行了討論,在考慮點陣結構類型、材料、幾何尺寸和周期性邊界等條件下,通過均質化分析得到胞元的等效材料參數。在應變能和宏觀平均應力一致下,以保證較高的計算精度。基于此,在宏觀分析之后,對胞元加載應變分量,并對其進行詳細的強度校核。
通過以上篇幅討論,可以得出以下結論:
1、采用多尺度算法,有效避免耗時耗力的點陣結構建模問題,大大降低建模難度。
2、 多尺度算法基于細觀-宏觀-細觀的分析方式,可準確的求解點陣結構的剛度及強度問題。
3、有效減小計算規模,可以高效快速地對增材點陣結構進行求解。
4、支持點陣結構參數優化,可與optislang等優化軟件實現聯合仿真,實現參數最優組合。
5、Lattice Simulation add-in點陣分析工具完全無縫集成在Workbench環境中,可與其他模塊軟件實現聯合仿真。
作者:段衛毅,男,德國Ingolstat&Landshut大學應用計算力學碩士,現為安世中德結構仿真咨詢專家,10年以上仿真分析經驗,專長于顯式動力學分析、多尺度分析和優化設計等。
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