Các nguyên tắc cơ bản của chia lưới FEA cho phân tích kết cấu

  • 2021-06-03 ---

  • Mô phỏng là một công cụ quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp. Theo Grand View Research, thị trường phần mềm mô phỏng toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 17,1% từ năm 2021 đến năm 2028.

    Đây là một mức tăng đáng kể - chủ yếu do nhiều lợi ích mà phần mềm mô phỏng mang lại cho doanh nghiệp, bao gồm giảm chi phí phát triển sản phẩm, kiểm tra các đặc tính vật lý và phát hiện lỗi trong sản phẩm nguyên mẫu.

    Trong các ứng dụng kỹ thuật với trợ giúp của máy tính (CAE) như mô phỏng, có nhiều loại phần mềm để phân tích sản phẩm của bạn như phân tích phần tử hữu hạn (), tính toán động lực học chất lưu () và nhiều loại phần mềm khác.

    Để tiến hành một mô phỏng CAE, có ba bước quan trọng cho một phân tích: tiền xử lý, giải và hậu xử lý. Hãy thảo luận về bước tiền xử lý của , cụ thể là tầm quan trọng của chất lượng lưới tốt.

    Mô hình lưới củ bộ phận hộp sốVí dụ về lưới trên bộ phận vỏ hộp số

    Chia lưới trong là gì?

    Phân tích phần tử hữu hạn () là một biểu diễn toán học của một hệ thống vật lý bao gồm một bộ phận / cụm lắp ráp, các đặc tính của vật liệu và các điều kiện biên.Trong một số tình huống, hành vi của sản phẩm trong thế giới thực không thể được tính gần đúng bằng các phép tính thủ công đơn giản.

    Một kỹ thuật tổng quát như là một phương pháp thuận tiện để biểu diễn các hành vi phức tạp bằng cách nắm bắt chính xác các hiện tượng vật lý bằng cách sử dụng các phương trình vi phân từng phần.

    đã trở lên hoàn thiện và được dân chủ hóa để nó có thể được sử dụng bởi cả các kỹ sư thiết kế và các chuyên gia. Chia lưới là một trong những bước quan trọng nhất để thực hiện một mô phỏng chính xác bằng .

    Chia lưới là một trong những bước quan trọng nhất để thực hiện một mô phỏng chính xác bằng . Lưới được tạo thành từ các phần tử chứa các nút (vị trí tọa độ trong không gian có thể thay đổi theo loại phần tử) đại diện cho hình dạng của hình học.

    Một bộ giải không thể dễ dàng làm việc với các hình dạng bất thường, nhưng nó dễ dàng hơn nhiều với các hình dạng phổ biến như hình khối hộp. Chia lưới là quá trình biến các hình dạng bất thường thành các khối dễ nhận biết hơn được gọi là "phần tử".

    Trước khi bắt đầu chia lưới, bạn phải tải lên mô hình hình học hoặc mô hình CAD, ví dụ: tham khảo Ansys Mechanical để bắt đầu quá trình mô phỏng.

    Cách chuẩn bị CAD / Hình học của bạn để chia lưới

    Khi sử dụng phần mềm mô phỏng , chẳng hạn như Mechanical, điều quan trọng là phải xác định những đặc tính nào từ mô hình CAD của bạn cần được chia lưới và những đặc tính nào không. Nhiều khi, hình học CAD rất phức tạp và chi tiết cho các mục đích sản xuất. 

    Nhưng đối với một mô phỏng, bạn có thể không cần mô hình hình học quá chi tiết vì các bộ phận trên hình học của bạn có thể không được xác định, có nghĩa là có thể loại bỏ những chi tiết đó để tiết kiệm thời gian. Ví dụ, sản phẩm của bạn có thể được gắn bảng tên. Bạn có thể không cần tìm hiểu các tác động vật lý của bảng tên này, vì vậy bảng tên có thể được loại bỏ để tránh tạo lưới, giúp tiết kiệm thời gian chia lưới và thời gian giải.

    Loại bỏ chi tiết trên hình học bằng SpaceClaim

    Sử dụng Ansys Spaceclaim, bảng tên trên hình học đã dễ dàng được loại bỏ để tránh thực hiện một phân tích không cần thiết có thể xảy ra trên bảng. Một khía cạnh quan trọng khác trong việc chuẩn bị mô hình CAD của bạn để mô phỏng là mô tả mối quan hệ giữa hai hoặc nhiều bộ phận trong hình học của bạn.

    Ví dụ: nếu hình học của bạn chia sẻ các nút giữa các mặt (hoặc các cạnh) chung, thì điều quan trọng là phải quyết định xem nó sẽ là lưới liên tục (conformal mesh) hay không liên tục (nonconformal mesh). Lưới liên tục được sử dụng cho các bộ phận được nối bằng keo hoặc mối hàn. Lưới không liên tục được sử dụng cho các bộ phận được nối bằng các tiếp điểm hoặc khớp nối.

    Trong Ansys Mechanical, bạn có thể kết hợp các cách tiếp cận này để phù hợp với nhu cầu của mình. Đọc bài viết về 3 bước giúp cải thiện mô hình FEA của bạn để tìm hiểu thêm.

    Các loại phương pháp chia lưới: Tứ diện so với Lục diện

    Có hai loại phương pháp chia lưới chính. Vì chúng tôi đang đề cập đến các mô hình 3D:

    • Chia lưới phần tử tứ diện hoặc "tet"
    • Chia lưới phần tử lục diện hoặc "hex"

    Các phần tử hex thường dẫn đến kết quả chính xác hơn với số lượng phần tử thấp hơn các phần tử tet. Nếu nó là một hình học phức tạp, các phần tử tet có thể là lựa chọn tốt nhất. Các phương pháp chia lưới mặc định hoặc tự động có thể đủ để đưa bạn đến nơi bạn cần, tuy nhiên, có những phương pháp bổ sung có thể cung cấp cho bạn nhiều quyền kiểm soát lưới hơn.

    Lưới kết hợp (Hybrid)

    Trong Mechanical, bạn có thể sử dụng phương pháp Multizone, là phương pháp kết hợp giữa các phần tử hex và tet cho phép bạn chia các bộ phận khác nhau của hình học bằng các phương pháp khác nhau. Điều này cho phép bạn ít phải thực hiện thao tác chuẩn bị hình học hơn và có nhiều kiểm soát lưới cục bộ hơn.

    Khả năng chia lưới kết hợp của Ansys MechanicalHình học bộ phận kết nối đường ống khi sử dụng khả năng chia lưới kết hợp của Ansys Mechanical

    Lưới Sweep

    Với chia lưới quét (Sweep), lưới thực sự là sự “quét” lưới qua thể tích và bề mặt để giúp tạo ra một lưới hiệu quả với kích thước đều đặn. Việc quyết định phương pháp lưới nào để sử dụng thường phụ thuộc vào loại phân tích (explicit hoặc implicit) hoặc phân tích vật lý bạn đang giải quyết và mức độ chính xác bạn muốn đạt được. Một vài lựa chọn khác là chia lưới Đề-các-tơ (Cartesian meshing) và chia lưới tứ diện phân lớp (layered tets) được sử dụng cho các phân tích cụ thể như sản xuất bồi đắp.

    Điền khiển chia lưới

    Điều khiển chia lưới cho phép tạo lưới chính xác hơn. Ansys Mechanical cho phép bạn kiểm soát các lưới cục bộ, thay vì một lưới toàn cục chia lưới toàn bộ mô hình CAD với cùng một phương pháp. Một số ví dụ về điều khiển chia lưới cục bộ bao gồm định kích thước lưới cục bộ, làm mịn và phạm vi ảnh hưởng hình cầu của hình học khi chia lưới. Hãy lấy một khung xe máy làm ví dụ.

    Bạn có thể muốn áp dụng phương pháp tiếp cận lưới toàn cục trên toàn bộ hình học nhưng cũng có thể sử dụng một chiến lược khác khi có mối hàn và kết nối bằng bắt vít. Sử dụng các điều khiển chia lưới cục bộ cho phép bạn tạo một lưới tinh hơn tại các vị trí này và không chia lưới toàn bộ chi tiết với các phần tử nhỏ, điều này sẽ làm mất nhiều thời gian hơn để giải.

    Khung mô hình xe máy được chia lưới cho thấy các mối hàn.Khung mô hình xe máy được chia lưới cho thấy các mối hàn.

    Tại sao một lưới chất lượng tốt lại quan trọng?

    Nói một cách đơn giản, một lưới chất lượng tốt đồng nghĩa với kết quả chính xác hơn. Lưới kém có thể dẫn đến khó hội tụ, kết quả không chính xác và kết luận sai.

    Chất lượng lưới của bạn phụ thuộc vào một số trường hợp:

    • Bạn đang tiến hành loại phân tích nào.
    • Bạn muốn đầu tư bao nhiêu thời gian vào lưới.
    • Bạn muốn đầu tư bao nhiêu thời gian để giải.

    Trong một số trường hợp, bạn có thể đang tìm kiếm một giải pháp nhanh chóng - điều gì đó sẽ giúp làm rõ một quyết định thiết kế.

    Trong trường hợp này, bạn có thể không muốn mất nhiều thời gian để thiết lập lưới của mình. Những lần khác, bạn có thể muốn một giải pháp hoặc kết quả rất chính xác, điều này sẽ đòi hỏi một chút thời gian và nỗ lực để thiết lập lưới của bạn bằng các phương pháp và điều khiển khác nhau. Lưới tốt có tiêu chí chất lượng phù hợp với nhu cầu của bạn (loại phân tích, mức độ chính xác, thời gian) chẳng hạn như chất lượng phần tử (element quality) và tỷ lệ kích thước phần tử (aspect ratio).

    Cuối cùng, chúng tôi khuyên bạn nên hiểu hình học của mình và sử dụng các điều khiển để có được lưới tốt nhất có thể - sau cùng, điều này dẫn đến thiết kế sản phẩm tốt hơn.

     

    Nguồn: Ansys Blog


    - Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này