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基于碰撞失效模拟的铸铝件四面体网格划分要求
2020-07-16 21:34:30· 来源：迅仿工程技术ShareFEA
随着铸造工艺越来越发达，多数汽车厂商也越来越重视铸铝的使用。对于铸铝而言，高压铸造工艺使其结构力学性能复杂，合理的网格类型模拟是为了能够准确表征实际铸
随着铸造工艺越来越发达，多数汽车厂商也越来越重视铸铝的使用。对于铸铝而言，高压铸造工艺使其结构力学性能复杂，合理的网格类型模拟是为了能够准确表征实际铸铝件的力学性能。但完全依靠六面体网格模拟铸铝件难度较大，效率低，局部过度区域复杂，使其无法利用网格将完整几何特征表达出来，因此在提高建模效率的同时又能保证仿真精度是模拟铸铝网格类型的抉择关键。
进行铸造件断裂失效分析时，一般六面体网格建模的仿真精度比四面体高，且相同网格尺寸下采用六面体的单元数远小于四面体单元数量，故在结构比较简单的零部件模拟中六面体应用广泛。但绝大多数铸造件几何特征复杂，利用六面体网格划分效率较低并且较困难，所以结构复杂的铸造件常采用四面体进行模拟。
四面体网格划分一般先在几何表面上进行三角形网格划分，保证表面的网格单元质量，使其形成一个封闭连续的、无重复单元的表面壳网格。尽量避免因辅助线以及倒角引导线导致单元的质量以及网格的均匀度较差问题。创建内部实体单元前，需要控制内部网格尺寸上下限，以保证内部生成的四面体网格质量以及网格均匀度在合理的区间内。
未设置限制区间 设置限制区间
四面体内部限制区间设置前后均匀度示意图
为合理计算应力应变、达到理想的失效状态，加强筋或平面的厚度方向至少需要2排实体单元。倘若设置了内部四面体网格尺寸上下限后自动生成的单元依然无法满足2排实体单元的要求，可人为将表面单元offset至中间并与之相连，用hypermesh软件生成实体单元时可将这部分网格作为参考内部生成网格的参考节点或者直接用simlab软件直接控制内部网格生成的实体单元层数。
中层作为参考网格生成的内部铸铝结构剖面图
Simlab内部控制生成网格示意图
实体网格仿真结果的合理性很大程度上依赖于单元类型的选择。常用的拥有较高精度的六面体单元Hexahedron由于划分网格存在相当难度，很少被用来模拟复杂的铸造件。作为替代的四面体Tetrahedron网格划分简单，但计算精度较差，且相同尺寸下单元数量远多于六面体网格。
实体单元三点弯模型网格 (左)四面体；(右)六面体
LS-DYNA中提供了单元积分类型，除了常用的elform1-单点积分6面体和elform2-缩减积分6面体单元外，还包括：elform4-二阶四面体单元、elform10-一阶四面体单元、以及elform16-二阶10节点四面体单元。Elform1单点积分6面体单元具有计算效率高，结果准确的特点，但易出现沙漏能，且本身不具有弯曲特性，建模时厚度方向需要至少两排单元；Elform10一阶四面体单元有较严重的体积自锁现象，不适合模拟塑性变形较大的金属材料；elform4和elorm16都是2阶四面体单元，有较好的协调变形能力，仿真精度远高于elform10。
常用单元积分形式
图片来源于dynamore
如下图所示考察了相同网格密度条件下六面体elform1和四面体elform4、elform10和elform16四种单元类型仿真计算的结果。比较图（a）中力-位移曲线，elform10、4、16断裂载荷逐次逼近六面体elform1的结果；除了应变，金属材料断裂性能与材料受力状体有着密切的关系，而应力三轴度是判定材料应力状态最常用的指标之一。比较四种单元类型在相同载荷下的应力三轴度可知，elf16四面体单元基本和elf1六面体单元计算结果一致，elf4四面体的结果较为接近，而elf10四面体单元的结果有较明显的不连续性，误差较大。
(a)力-位移曲线 (b)应力三轴度
实体单元三点弯模型计算结果
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