設計仿真 | Simufact Welding焊接工藝仿真網格劃分技巧

1網格劃分基本概述

對于每個有限元（FE）仿真而言，必須將連續工件空間離散化為有限數量的單元。這些單元代表了真實工件的質量、剛度等方面的物理特性?？臻g離散化也稱為網格劃分。通常，網格劃分由網格生成器執行。網格對整個求解分析起著至關重要的左右，主要體現在以下幾個方面：

01網格數量影響到求解的精度和效率

常規來說，在電腦配置足夠的情況下，網格數量越多，模擬得到的結果越為精確，但是當網格數量達到一定數量后，結果精度不再隨著網格數量的增加而增加，并且求解時間也越久，通常情況下，我們需要平衡整個求解過程的求解效率和求解精度，這就需要我們控制網格數量。

02網格類型影響計算結果

不同的求解類型需要的網格類型是不一樣的，在焊接模擬分析中，我們常用的網格單元是六面體單元，但有時候也會因為模型的復雜程度，選擇不同的采用四面體單元進行模擬分析。

03網格連續性

在實際焊接過程中，各零部件間是相互接觸的，可能隨著焊接的進行而分離，在大部分模擬軟件中，會要求保證各零件間的網格連續性，即節點耦合，但這不僅僅脫離了實際焊接過程中的情況，也會極大的增加焊接網格劃分的工作量，在Simufact Welding軟件中，其基于Marc的專業求解器，基于其優異的非線性求解分析功能和強大的網格自適應接觸功能，能夠使得各零部件間的網格不連續，即各零件間單獨進行網格劃分，無需進行網格連續的操作劃分。

Simufact Welding的網格不連續功能

2Simufact Welding網格類型

在Simufact Welding中，我們常用的實體網格類型共有4種，分別為：六面體 (7)、實心殼體（185）、四面體（157）、四面體（134）。

一般而言，六面體單元精度是最好的，同時單元數量也較少。但不是每一個幾何體都適合用六面體單元來進行網格劃分。如果因為幾何形狀的太復雜而不能創建六面體網格，則應該使用四面體（157）單元。四面體（157）單元在其中心多一個的節點，并且其他節點都具有附加的壓力自由度。因此四面體（157）單元比四面體（134）單元更精確。

Simufact Welding軟件還具有專業的網格劃分工具，包括支持六面體Hexmesh網格、鈑金零件的Sheetmesh網格、四面體單元的Tetmesh網格、單獨針對環形零件的Ringmesh網格，用戶也可以根據自身的實際情況，選擇其他的網格劃分工具，軟件支持專業的網格格式，例如*BDF、*ARC等。

3Simufact Welding網格細化功能

前文提到，為了保證零件的計算精度和計算效率，我們通常需要對網格數量進行控制，而常規的網格控制方法，即為局部進行網格細化和粗化。在Simufact Welding軟件的焊接模擬過程中，我們通常只需要關注焊縫區域和熱影響區域的網格質量，我們需要將這兩個區域的網格進行細化，而母材區域的網格，我們則不需要進行細化，進而控制住整體零件的網格數量。

全局: 一個單元尺寸用于整個部件（最差案例）

局部:在焊縫附近局部細化

（較好, 但是對于長焊縫的大型模型，速度較慢）

自適應: 在使用Simufact Welding 時 模擬中自動細化  

（較好，但是不要超過2個細化級別）

在常規零件模擬過程中，若網格數量較少，我們可以選擇整體零件采用一種尺寸；但針對大部分焊接零部件，因為其模型較大，我們推薦在網格劃分時，對焊縫區域和熱影響區域進行網格細化，保證其整體網格數量，在時間和計算機允許的情況下，可以選擇Simufact Welding軟件的自動細化/粗化功能，能夠極大的減少我們進行網格細化的工作；若網格數量特別巨大，例如＞50萬時，推薦使用Simufact Welding軟件的自動細化/粗化功能。

Simufact Welding軟件還具有細化框功能，能夠根據用戶的手動設置細化框大小，自動細化局部區域。

Simufact Welding細化框

4Simufact Welding網格劃分原則

01網格大小控制原則

在Simufact Welding焊接模擬仿真過程中，針對其網格劃分，因為其模擬精度和質量主要依據于焊縫區域和熱影響區域的網格，所以我們在進行相關工作時，主要基于下列兩個原則：

1、組件厚度；厚度方面的問題,如果寬高比大于 1:8 ，即最小單元邊到一個單元的最大單元邊。如果超過這個寬高比，這個單元的剛度會很差，并且會產生不良的結果，并且可能會增加計算時間（模擬可能會變得不穩定）。常規在Simufact Welding軟件中，我們推薦采用1:3以下的比例，適當的可以放寬到1:5。

2、焊縫/熱源尺寸；為了捕獲合理數量的積分點并具有恒定的瞬態模擬熱通量，我們通常需要將單元尺寸調整為熱源尺寸，遵循以下原則：寬度（b）: 2 - 3 單元 (每一邊) 、長度（af+ar）：3 - 4 單元、深度（d）: 2 - 3 單元；

熱源示意圖

例如：

我們通過檢查焊縫，發現其右側焊腳高度為10mm、左側焊接高度為15mm，此時我們可以選擇：

1、焊腳為10mm的焊縫，我們可以選擇網格尺寸為5mm或者3.3mm（即2~3層網格）；

2、焊腳為15mm的焊縫，我們可以選擇網格尺寸為7.5mm或者5mm；

上述的方式，我們可以根據相應的原則來進行網格劃分，但很多時候，因為焊縫較多且為了避免進行重復性的復雜網格劃分，我們可以選擇4mm作為折中的快速焊縫網格劃分。

02網格質量控制原則

較大的畸變網格或者不合理的網格大小比例，都會影響到Simufact Welding軟件的模擬質量，因此在進行網格過渡、細化、接觸區域網格劃分時，需要進行注意，主要涉及到以下幾點：

1、避免較大扭曲單元，這種類型的單元剛度系數較差，將會導致模擬不穩定，很容易產生網格穿透的畸變網格（單元的插值點將在單元外）。

尖銳網格

2、避免直接從焊縫處進行粗化過渡。如直接進行過渡，在模擬時該區域的溫度梯度將會變得很差

焊縫處直接進行粗化過渡

合理平滑網格模擬結果

3、控制相鄰網格大小比例≤2:1。若兩個部件間的單元比率較差，模擬將會變得非常不穩定，可能會崩潰。

相鄰網格比例過大

4、接觸區域網格，避免雙重交叉。因為Simufact Welding能夠進行網格不連續的模擬分析，但在接觸區域，若網格發生雙重交叉穿透，也會影響模擬精度和收斂性，左側為良好的網格接觸情況，右側為差的網格接觸狀態。

接觸區域網格示例

5、避免模型間的干涉穿透。在實際的CAD模型中，容易出現模型間的穿透和交叉，再此情況下，我們需要進對CAD模型進行優化調整；

干涉模型