多尺度算法在增材點陣結(jié)構(gòu)仿真分析中的應(yīng)用（上篇）

2019-04-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

作者| 段衛(wèi)毅安世中德結(jié)構(gòu)仿真咨詢專家

隨著增材制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的快速發(fā)展,增材點陣結(jié)構(gòu)在航天航空、船舶、汽車、體育和醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,如圖1所示。點陣結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計,除輕量化特點外,同時還具有優(yōu)良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。由于其含有大量復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu),包括胞元類型和幾何尺寸等參數(shù),導(dǎo)致建模和仿真計算工作量巨大,傳統(tǒng)有限元分析已經(jīng)無法適用。因此,經(jīng)過多年的仿真計算積累和努力探索,我們團隊開發(fā)出了一款專業(yè)用于增材點陣結(jié)構(gòu)仿真分析的軟件,即Lattice Simulation。

本文分為上、下兩篇,上篇結(jié)合應(yīng)用案例,淺談基于多尺度算法開發(fā)出的這款點陣結(jié)構(gòu)分析工具,是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的CAE分析問題的。下篇將對Lattice Simulation和ANSYS Discovery進(jìn)行分析對比,以說明多尺度算法在點陣結(jié)構(gòu)分析中的準(zhǔn)確性。

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圖1 點陣結(jié)構(gòu)

1、概述

Lattice Simulation是一款用于增材點陣結(jié)構(gòu)分析的工具,具有用戶自定義和內(nèi)置點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計兩種方式,已集成在ANSYS add-in擴展工具中。基于多尺度算法,用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù),在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學(xué)分析后,可以通過局部分析對胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。

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圖2 點陣結(jié)構(gòu)分析工具功能

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圖3 Workbench點陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程

2、Lattice Simulation功能與優(yōu)勢

Lattice Simulation提供增材點陣結(jié)構(gòu)在有限元仿真中涉及的相關(guān)分析功能

(1) 均質(zhì)化分析

基于胞元結(jié)構(gòu)類型及在空間上的周期排列特性,進(jìn)行均質(zhì)化計算,提取等效實體的材料力學(xué)特性。

(2) 宏觀分析

采用均質(zhì)化分析得到的等效材料數(shù)據(jù),并對等效實體點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,校核點陣結(jié)構(gòu)剛度性能。

(3) 細(xì)觀校核

考慮胞元外部邊界條件(采用應(yīng)變加載),對其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,校核點陣胞元結(jié)構(gòu)強度性能。

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圖4 多尺度算法原理圖

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圖5 多尺度分析流程圖

Lattice Simulation的優(yōu)勢體現(xiàn)在:

(1) 強大的點陣建模功能

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① 支持spaceclaim中內(nèi)置點陣結(jié)構(gòu)。

② 支持外部導(dǎo)入點陣類型。

(2) 高效求解:大大降低建模難度,高效地實現(xiàn)復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。

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(3) 自動生成材料數(shù)據(jù)庫和內(nèi)置材料數(shù)據(jù)庫。

(4) 支持參數(shù)優(yōu)化功能。

(5) 圖6 Lattice Simulation操作界面。

界面友好,易于操作

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圖7 Spaceclaim內(nèi)置點陣建模過程

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圖8 均質(zhì)化分析過程胞元變形結(jié)果

3、Lattice Simulation應(yīng)用案例

① 懸臂梁剛度和強度分析

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② 支架

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圖10 點陣結(jié)構(gòu)支架分析

③ 直升機支架

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圖11 直升機支架分析

結(jié)論

本文結(jié)合Lattice Simulation對增材點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的CAE分析問題進(jìn)行了討論,在考慮點陣結(jié)構(gòu)類型、材料、幾何尺寸和周期性邊界等條件下,通過均質(zhì)化分析得到胞元的等效材料參數(shù)。在應(yīng)變能和宏觀平均應(yīng)力一致下,以保證較高的計算精度?；诖?在宏觀分析之后,對胞元加載應(yīng)變分量,并對其進(jìn)行詳細(xì)的強度校核。

通過以上篇幅討論,可以得出以下結(jié)論:

1、采用多尺度算法,有效避免耗時耗力的點陣結(jié)構(gòu)建模問題,大大降低建模難度。

2、多尺度算法基于細(xì)觀-宏觀-細(xì)觀的分析方式,可準(zhǔn)確的求解點陣結(jié)構(gòu)的剛度及強度問題。

3、有效減小計算規(guī)模,可以高效快速地對增材點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。

4、支持點陣結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,可與optislang等優(yōu)化軟件實現(xiàn)聯(lián)合仿真,實現(xiàn)參數(shù)最優(yōu)組合。

5、Lattice Simulation add-in點陣分析工具完全無縫集成在Workbench環(huán)境中,可與其他模塊軟件實現(xiàn)聯(lián)合仿真。