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壳体单元格的产品建模策略

本文将根据实际工作中钣金件与焊接件的结构和工艺方法，讨论合理建模的策略，使模型达到“真实”的情况，提高分析效率和精确度，真正实现设计验证一体化。并以SolidWorks Simulation为例，阐述壳体单元格技术特性和一些实用技巧。

一、格划分概述

格划分是有限元分析(FEA)的基础，也是设计分析过程中一个至关重要的步骤。格的质量不仅影响FEA软件的分析效率和精确度，更能直接决定整个仿真过程的成败。面对实际几何体，一般的分析软件都支持实体格、壳体格、横梁单元和杆单元等单一类型格，同时也支持混合格，如实体—壳—梁复合结构。

通常的做法有手工生成和半自动生成格，现在较为先进的技术是根据CAD模型自动识别并进行自动格划分。手工生成格指不需要建立产品的几何模型，手工生成节点及单吸油烟机元。半自动格划分主要指针对实体模型可以自动划分成实体单元、曲面模型可以自动生成壳单元，但是针对钣金等薄壁结构、结构件等，需要手工生成壳单元及杆梁等一维单元。全自动格划分，是指自动格器会根据产品3D模型，智能识别钣金为壳、结构件燃气轮机为梁。同时也可以实现手工指定单元类型，最大限度实现自动格划分。另外，半自动和全自动格划分可以智能识别全局单元大小和公差，可以实现局部格控制生成高质量的格。

二、格类型选择

1.实体单元的选择

格类型的选择主要取决于零件结构的最大纵横比数值(三维方向)。如果产品的三个方向的尺寸相差不大，可以采用实体格进行划分。从几何形状上来看，实体格主要有六面体格和四面体格。当然从单元阶次上来说有一阶单元和二阶单元等。

六面体格的优势在于同样结构情况下节点较少，自由度较少，同样的模型计算速度较快，对于强非线性问题，如含截至2017年3月有大应变问题，其收敛性较好。但是全六面体格无法自动生成，需要手工生成，工作量相当大。若使用四面实体单元可以对任何实体模型进行格化，特别是具有复杂曲面的实体模型、无法采用六面体格时进行剖分，同时使用四面体格可以快速自动生成，并且带有中间节点的四面体格精度较好，如图1所示。

如何改进这个缺点2.壳单元的选择

使用实体单元对薄壁模型进行格化会导致生成大量单元，因为必须使用很小尺寸的单元。为了得到更好的精度，必须在厚度方面生成两个以上的单元，因此单元的4.4 从卷材或其他材料上切取的试样在实验前不应进行矫平数量会惊人的增长。如果使用较皮带线大的实体单元大小会使格品质下降，从而导致结果不准确。根据如图2所示的零件最大长宽比率数值，来选择实体单元或者壳单元。显而易见，实体单元适用于“矮胖”的实体零件，壳体单元适用于钣金件或者薄零件。

针对长宽比率在中间范围的零部件，需要工程师进行判断采用哪种类型的单元。大部分的钣金件会被软件归类 为壳体单元类型，然而厚度并不是惟一的考虑因素。如果一些零件的部位(如挂钩、凸台等)是壁厚的2～3倍，并且该部位是承受载荷的部位，那么该部分将不作为壳体单元建模。经验的做法是：建立零件模型，使用曲面实体模型代表零件的中面，如果该模型得到的计算结果和实体模型的计算结果无多大差异，那么该零件模型就是理想的壳体单元类型。反之，需要尝试不同的模型结构，以选择最合适的格单元类型，在经验中积累格选择的规则。

三、壳体单元建模基本要素

1.壳单元几何位置选择

FEA软件假设壳体单元格位置是自动位于零件代表的中性面(见图3) 上，并将分配0.5壁厚到壳体单元的每一面。如果定义的壳体不是零件的中面，分析几何体的任何位置会与实际的几何体模型有0.5壁厚的差异，有些位置比实际大，有些地方比实际小。因此，壳体单元的中面位置非常重要。

最精布线产品确的办法是采用薄壁件的中面，如何加速生成期货方面：焦炭1609合约午后震荡上行中面?可以采用系统提供的中面生成工具(见图4)，在指定的情况下查找中面，这将最大限度提高生成壳单元的效率。多数情况下，为了提高生成壳单元的效率，我们可以采用直接选择零件的内表面或外表面作为壳体定义，计算表明其带来的误差相当小。

以一个滑轮为例进行讨论(见图5)，分别在模型中性面和模型表面定义壳单元，其结果误差不超过3%，如图6所示。

2.壳单元之间的间隙

令人欣慰是零件的纵横比更高，壳体单元格位置出现的问题更少。但是当多个壳部件组装到一起后，可能产生“T”型的交叉位置，壳体代表是零件的中面，在纯中面模型的壳体将明显地产生0.5壁厚间隙(见图7)，所以必须将0.5壁厚间隙考虑到模型开发过程之内。另外，生成壳体时可以选择薄壳、厚壳或者复合材料壳。具体细节在后续的连载文章中会专门讨论壳单元的选择和误差分析。

四、壳体单元建模建议

壳体模型利用“虚拟结构”，使用设计理想化模型最有效。依据当前的技术现状，利用实体几何体来建立一个好的壳体模型是很难的开端。理想情况下，在设计分析之前就计划建立一个理想化的壳体模型——直接从曲面模型建模开始。

(1)先直接建立曲面模型，通过分析后，可以直接由曲面转换成壳体模型。

(2)建立理想化曲面模型要快得多，如果不能第一次取得合适或者最佳的模型，这就很难弥补之前少量的建模时间(多数情况下，实体模型转化为理想壳模型会花更多的时间进行处理)。

五、壳体模型建模步骤

下面通过一些钣金件和焊接件的例子来阐述壳体模型的建模思路，以保证模型在真实的状态下进行壳体单元类型的有限元分析。

1.产品草绘稿

在图样上使用绘画软件，标注所有焊接，在焊接区域要求格化连续性(使用分割线及忽略焊缝影响)。非焊接结合位置格化时，要保证格不连续(避免共节点)。

2.模态分析

运行大于7个模态形状的模态分析连续性(见图)，以保证模型的正确连接。

3.复杂装配体的设计规划思路

六、从零开始的建模策略

(1)手工素描主要特征，包含所有必须用于施加载荷、添加约束或者远程质量的结构零部件和特征。

(2)忽略螺纹孔和小折弯半径等小特征。

(3)在SolidWorks中建立曲面实体，概念性工作是最快的方式。如果直接利用曲面实体转换成实体模型，则是更周详的考虑。

(4)为接合处定义包含所有焊缝的草图。

(5)使用扫描特征替代拉伸，确保面是分离的，也可选择独立的所选轮廓。

(6)针对复杂装配体，以一个装配体文件模式建模，然后使用爆炸视图便于属性定义。

(7)运行大于7个模态形状的模态分析以核对的连续性(如果是大装配体，可以直接在各个零件单独分析验证)。

七、从实体开始的建模策略

(1)在装配体文件中创建一个零件用 于壳体单元建模。

(2)曲面实体使用的特征来自实体驱 动的基础特征。

(3)在关联状态下，反复进行零件编 辑与正常零件间地来回操作，以获 取必需的几何模型。

总的来说，不建议直接使用零件外表面或者内表面作为壳体，会使分析工作的效率降低。

八、总结

本文通过讨论使用曲面和实体不同方式产生的壳体单元模型，进行现实中钣金件和焊接件装配体的壳体单元优化建模。按照壳体单元的要求建立模型，避免产生曲面之间的缝隙、重叠、错位等缺陷，统一FEA分析和CAD设计的建模思路，减少模型前处理，提高FEA分析效率和计算结果的精确性。(end)