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多尺度算法在增材点阵结构仿真分析中的应用(下篇)

汽车制造装备网 http://www.autohy.com 2019-08-24 09:53 出处:中国汽车装备网 编辑:@AUTOHY
随着增材制造领域中 3D 打印技术的快速发展,增材点阵结构在航天航空、船舶、汽车、体育和医疗等行业得到了广泛应用,如图1所示。点阵结构作为一种新型的结构设计,除轻量化特点外,同时还具有优良的比刚度/强度、阻尼减震、缓冲吸能

随着增材制造领域中 3D 打印技术的快速发展,增材点阵结构在航天航空、船舶、汽车、体育和医疗等行业得到了广泛应用,如图1所示。点阵结构作为一种新型的结构设计,除轻量化特点外,同时还具有优良的比刚度/强度、阻尼减震、缓冲吸能、吸声降噪以及隔热隔磁等功能性特点。

由于其含有大量复杂的微观结构,包括胞元类型和几何尺寸等参数,导致建模和仿真计算工作量巨大,传统有限元分析已经无法适用。因此,经过多年的仿真计算积累和努力探索,安世中德团队开发出了一款专业用于增材点阵结构仿真分析的软件,即 Lattice Simulation。

请参考《多尺度算法在增材点阵结构仿真分析中的应用(上篇)》,了解 Lattice Simulation 的多尺度算法及其应用相关内容,这里不再赘述。这里将对 Lattice Simulation 和ANSYS Discovery 进行分析对比,以说明 Lattice Simulation 多尺度算法在点阵结构分析中的准确性 。 

多尺度算法在增材点阵结构仿真分析中的应用(下篇)

图 1 点阵结构

一、概述

Lattice Simulation 是一款用于增材点阵结构分析的工具,具有用户自定义和内置点阵结构设计两种方式,已集成在 ANSYS add-in 扩展工具中。基于多尺度算法,用户可以采用等效均质化技术对点阵结构进行有限元分析。并且提取非均质化点阵结构的等效材料参数,在均质化等效实体模型宏观力学分析后,可以通过局部分析对胞元结构进行详细的应力校核。

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图2 点阵结构分析工具功能

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图3 Workbench点阵结构模块分析流程 

 

二、模型分析对比

ANSYS Discovery 作为新一代的仿真分析应用工具,其最大特点是能够即时得到分析结果。

然而,其对硬件性能(如 GPU)要求比较高,一般的电脑配置是不能够运行计算的。在结构分析中,仅适用于线弹性分析,不能够进行非线性分析(包括材料非线性、接触非线性和几何非线性等)、瞬态动力学及优化设计等。因此,在线弹性范围内,以下将 Lattice Simulation 和ANSYS Discovery 进行分析对比。

1、刚度和强度分析

模型 1 如下图 4、图 5 所示,采用 ANSYS Discovery 和 ANSYS Mechanical 进行对比,前者直接对点阵结构进行力学分析,后者对等效后的均质化点阵进行力学分析,该模型用于验证刚度计算的准确性。

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图 4 点阵结构几何模型 

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图5 点阵结构及等效均质化结构剖面图 

表 1 模型几何、材料及载荷参数表

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从图 6 可以看出,ANSYS Discovery 分析得到的变形结果为 0.393mm,ANSYS Mechanical 分析得到的变形结果为 0.384mm,相差大约为 0.01mm,结果非常一致。

等效应力分布存在一些差异,主要区别是 ANSYS Discovery 是对点阵结构进行直接分析,最大应力存在于细观点阵结构上面,导致产生较大的应力值 0.24MPa。而采用 ANSYS Mechanical 对等效均质化的点阵结构进行分析,由于不存在细观胞元结构,所以所得到的应力最大值位于圆孔面与侧面交界处下部,等效应力幅值为 0.18MPa。

实际上,通过调整云图刻度标尺,可以发现等效应力分布云图吻合很好。并且在该位置 ANSYS Discovery 的计算结果与之十分相近。误差带来的原因是由边界效应产生的。

最后,通过对胞元结构进行详细应力校核,如图 3c 所示。等效应力云图非常吻合,最大应力幅值误差为 1.2%。因此,可以看出 Lattice Simulation 多尺度算法在分析点阵结构刚度和强度问题上具有很高的计算精度。

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图 6 分析结构对比 

2、模态分析

模型 2 如图 7、图 8 所示,采用 ANSYS Discovery 和 ANSYS Mechanical 进行对比,前者直接对点阵结构进行模态分析,后者对等效均质化实体点阵结构进行分析,该模型用于验证模态计算的准确性。 

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图 7 点阵结构几何模型 

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图 8 点阵结构及等效均质化结构剖面图

表 2 几何、材料及载荷表

多尺度算法在增材点阵结构仿真分析中的应用(下篇)

从表3可以看出,ANSYS Discovery 计算得到的前3 阶模态的结果与 ANSYS Mechanical 得到的结果吻合很好。误差产生的主要原因和前述刚度分析一样,即 spaceclaim 生成的点阵结构存在一些边界效应,从而导致模态分析上与等效均质化实体模型存在一些误差。

第 1 阶和第 2 阶频率非常接近,误差分别为 0.1%和 0.5%。第 3 阶误差为 2.6%,说明边界效应对该阶模态影响较大。消除边界效应可进一步减小误差,提高分析精度。

用户可以通过建立高精度的 CAD 模型,避免边界效应产生。同时,保真度也是误差来源的一个原因,通过提高 ANSYS Discovery 的分析的保真度,可有效提高计算精度。然而,计算时间会显著增加。因此,用户需要平衡保真度和计算成本。

表 3 模态分析对比表

多尺度算法在增材点阵结构仿真分析中的应用(下篇)

结论

本文首先对 Lattice Simulation 这款点阵结构分析工具进行了阐述,然后结合实际案例对 ANSYS Discovery 和 Lattice Simulation 的分析进行了对比,刚度和模态对比结果显示两者的计算结果吻合很好。导致误差的原因也做了说明,一方面是点阵结构存在一定的边界效应,另一方面是ANSYS Discovery 存在保真度问题。对于前者,需要用户在建立点阵结构模型时,尽量消除边界效应,后者则需要用户平衡计算成本和精度。

综上所述,可以看出 Lattice Simulation的多尺度算法可以有效地减少建模难度,并进行高效求解计算,同时能够保证很高的计算精度。

 

作者介绍

段卫毅,男,德国Ingolstat & Landshut大学应用计算力学硕士。仿真秀科普作者,安世中德结构仿真咨询专家。10多年仿真分析经验,参与并实施过多个国内外仿真咨询项目。专长显式动力学分析、多尺度分析和优化设计等。


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