CN102411656B - 一种模拟接触的有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于非线性模拟接触的有限元建模方法，包括基础建模、材料属性赋值和根据接触的有限元类型选择相应的接触法向判断函数三个步骤，增加了建模的自动化程度，减少了人为设定的步骤，缩减了建模的时间，降低了出错的风险。
Description
技术领域
本发明涉及汽车辅助计算机设计技术领域，具体涉及一种模拟接触的有限元建模方法。
背景技术
当前汽车计算机辅助设计（CAE）技术已经广泛应用到汽车开发流程中。碰撞安全、 NVH、可靠性等性能要求越来越离不开CAE工作，它不仅降低了试验成本而且能够减少设计周期。为了提高CAE结果的精度，必须要求有限元模型和实际数据尽可能保持一致，接触的建模非常关键，它会极大地影响到位移、应力等在各个零部件之间的传递。
目前汽车CAE分析中接触常用的类型有如下三种：壳单元与壳单元的接触、壳单元与实体单元的接触、实体单元与实体单元的接触。接触的建模大体步骤如下：首先选择需建立接触关系的两个区域所包含的单元；其次人工判断出这两个区域的接触法向；然后根据接触法向建立接触面；最后根据接触面，选择接触类型及制定一些必要的控制参数。这些步骤只完成了一对接触，在汽车CAE分析中往往一个工况就会用到很多对接触，这样设定下来工作量很大，容易出错，并且这种错误往往会带来收敛性问题，不容易排查。因此，工程师希望可以有一种简单且正确的接触建模方法，来减少汽车CAE的工作量。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于非线性模拟接触的有限元建模方法，可以极大的减少汽车CAE分析中得接触建模工作量。
根据本发明提出的模拟接触的有限元建模方法，包括以下步骤：
A：基础建模：包括a：几何清理：以确保可以划分均匀合格的有限元网格为准则对几何模型进行整理，；b：基础网格划分：根据零件尺寸与厚度，选择使用壳单元或实体单元进行网格划分；c：壳单元网格平移至中面；
B：依次对各个零件按照设计要求赋上相应非线性材料；
C：建立接触：d：根据选定单元判断接触类型；e：根据相应类型，选择接触方向的判断函数，所述判断函数包括壳单元与壳单元的判断函数、壳单元与实体单元的判断函数以及实体单元与实体单元的判断函数；f：创建接触面及接触对。
本发明的模拟接触的有限元建模方法，具有以下优点：1、建模过程简单。基础建模完成后，只需要选择可能接触的单元即可完成接触；2、能够正确模拟接触的力学行为和变形模式。本发明只是增加了判断接触法向的过程，对原有力学模型没做变动。3、增加了建模的自动化程度，减少了人为设定的步骤，缩减了建模的时间，降低了出错的风险。
所述壳单元与壳单元的判断函数步骤为：将接触的两个区域分别标为区域A和区域B，在A中任选一节点a后，搜索B区域中离节点a最接近的一个壳单元，在该壳单元中任选一节点b，节点a和节点b构成一向量，节点a和节点b所在单元的法向量标为向量A和向量B，若 
，则区域A接触方向为正法向；若
，则区域A接触方向为负法向；若，则区域B接触方向为负法向；若
，则区域B接触方向为负法向。对于壳单元与壳单元接触的判断，采用向量法，直接由计算机通过简单的函数运算完成，减少了建模的时间。
所述壳单元与实体单元的判断函数分为两部分；一部分为壳单元判断函数，与所述壳单元与壳单元的判断函数相同；另一部分为实体单元判断函数，其步骤为在实体单元区域任选一个实体单元A，以单元A所有节点的平均坐标做一个临时节点，从该临时节点出发，搜索壳单元区域中离此节点最近的单元B，计算实体单元A中每个面的中心位置和壳单元B的距离，选择距离最近的中心位置所在面作为实体单元A的接触面，然后将实体单元A的接触面扩充至实体区域的表面作为接触面，完成实体单元接触法向的确定。对于壳单元与实体单元的接触，具体分为壳单元与壳单元的接触以及实体单元的接触两部分，通过最接近接触面扩充至实体区域表面作为接触面的方法就可以完成实体单元接触法向的判定，也是由计算机通过简单的函数运算完成，缩短建模时间。
所述实体单元与实体单元的判断函数的步骤为在相接触的两个实体单元区域中任选一实体单元A，以单元A所有节点的平均坐标做一个临时节点，从该临时节点出发，搜索另一实体单元区域中离此节点最近的实体单元B，计算实体单元A中每个面的中心位置和实体单元B的距离，选择距离最近的中心位置所在面作为实体单元A的接触面，然后将实体单元A的接触面扩充至实体单元A所在实体单元区域的表面作为接触面，完成实体单元接触法向的确定。对于实体单元与实体单元的接触，判断方法与上述实体单元的接触建模方法相同，不再赘述。
所述A步骤和B步骤均通过前处理软件实现。例如通过Artair公司的Hypermesh软件直接实现。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的壳单元与壳单元接触法向判断流程图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。
如图1，本发明的模拟接触的有限元建模方法，包括以下步骤：
A：基础建模：包括a：几何清理：以确保可以划分均匀合格的有限元网格为准则对几何模型进行整理，；b：基础网格划分：根据零件尺寸与厚度，选择使用壳单元或实体单元进行网格划分；c：壳单元网格平移至中面；
B：依次对各个零件按照设计要求赋上相应非线性材料；
C：建立接触：d：根据选定单元判断接触类型；e：根据相应类型，选择接触方向的判断函数，所述判断函数包括壳单元与壳单元的判断函数、壳单元与实体单元的判断函数以及实体单元与实体单元的判断函数；f：创建接触面及接触对。
其中，A步骤和B步骤过Artair公司的Hypermesh软件直接实现。
如图2，壳单元与壳单元的判断函数步骤为：将接触的两个区域分别标为区域A和区域B，在A中任选一节点a后，搜索B区域中离节点a最接近的一个壳单元，在该壳单元中任选一节点b，节点a和节点b构成一向量，节点a和节点b所在单元的法向量标为向量A和向量B，若 
，则区域A接触方向为正法向；若，则区域A接触方向为负法向；若
，则区域B接触方向为负法向；若
，则区域B接触方向为负法向。对于壳单元与壳单元接触的判断，采用向量法，直接由计算机通过简单的函数运算完成，减少了建模的时间。
壳单元与实体单元的判断函数分为两部分；一部分为壳单元判断函数，与所述壳单元与壳单元的判断函数相同；另一部分为实体单元判断函数，其步骤为在实体单元区域任选一个实体单元A，以单元A所有节点的平均坐标做一个临时节点，从该临时节点出发，搜索壳单元区域中离此节点最近的单元B，计算实体单元A中每个面的中心位置和壳单元B的距离，选择距离最近的中心位置所在面作为实体单元A的接触面，然后将实体单元A的接触面扩充至实体区域的表面作为接触面，完成实体单元接触法向的确定。
实体单元与实体单元的判断函数的步骤为在相接触的两个实体单元区域中任选一实体单元A，以单元A所有节点的平均坐标做一个临时节点，从该临时节点出发，搜索另一实体单元区域中离此节点最近的实体单元B，计算实体单元A中每个面的中心位置和实体单元B的距离，选择距离最近的中心位置所在面作为实体单元A的接触面，然后将实体单元A的接触面扩充至实体单元A所在实体单元区域的表面作为接触面，完成实体单元接触法向的确定。
Claims (2)
1.一种模拟接触的有限元建模方法，其特征在于包括以下步骤：
A：基础建模：包括a：几何清理：以确保可以划分均匀合格的有限元网格为准则对几何模型进行整理；b：基础网格划分：根据零件尺寸与厚度，选择使用壳单元或实体单元进行网格划分；c：壳单元网格平移至中面；
B：依次对各个零件按照设计要求赋上相应非线性材料；
C：建立接触：d：根据选定单元判断接触类型；e：根据相应类型，选择接触方向的判断函数，所述判断函数包括壳单元与壳单元的判断函数、壳单元与实体单元的判断函数以及实体单元与实体单元的判断函数；f：创建接触面及接触对，其中：
所述壳单元与壳单元的判断函数步骤为：将接触的两个区域分别标为区域A和区域B，在A中任选一节点a后，搜索B区域中离节点a最接近的一个壳单元，在该壳单元中任选一节点b，节点a和节点b构成一向量，节点a和节点b所在单元的法向量标为向量A和向量B，若 ，则区域A接触方向为正法向；若
，则区域A接触方向为负法向；若
，则区域B接触方向为负法向；若
，则区域B接触方向为负法向；
所述壳单元与实体单元的判断函数分为两部分；一部分为壳单元判断函数，与所述壳单元与壳单元的判断函数相同；另一部分为实体单元判断函数，其步骤为在实体单元区域任选一个实体单元A，以单元A所有节点的平均坐标做一个临时节点，从该临时节点出发，搜索壳单元区域中离此节点最近的单元B，计算实体单元A中每个面的中心位置和壳单元B的距离，选择距离最近的中心位置所在面作为实体单元A的接触面，然后将实体单元A的接触面扩充至实体区域的表面作为接触面，完成实体单元接触法向的确定；
所述实体单元与实体单元的判断函数的步骤为在相接触的两个实体单元区域中任选一实体单元A，以单元A所有节点的平均坐标做一个临时节点，从该临时节点出发，搜索另一实体单元区域中离此节点最近的实体单元B，计算实体单元A中每个面的中心位置和实体单元B的距离，选择距离最近的中心位置所在面作为实体单元A的接触面，然后将实体单元A的接触面扩充至实体单元A所在实体单元区域的表面作为接触面，完成实体单元接触法向的确定。
2.根据权利要求1所述的模拟接触的有限元建模方法，其特征在于所述A步骤和B步骤均通过前处理软件实现。
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