2.1单元的选用与划分
机械结构件大都较复杂,尤其是床身、立柱等大中型结构件,进行有限元分析 时,简单地使用某一类单元进行离散模拟,难以真实反映实际结构的力学特性。针对 不同结构或同一结构不同区域的几何、载荷特征釆用合适的单元模拟可使有限元模型 更切实际,如结构件的壁板用壳单元模拟,加强肋、丝杠等用梁单元模拟,轴承座等 不规则实体可用体单元模拟。为此,复杂结构的有限元模型通常是混合单元模型。
机械结构离散时常用的体单元有四面体单元solid92、六面体单元sdid45或 S〇lid95,而壳单元一般选用低阶的shell63即可满足计算精度要求。使用四面体单元进 行自由网格划分可通过软件自动完成,效率高,但离散后节点数量多,计算规模大、 时间长。四面体单元应用于复杂结构时,为避免网格划分失败,往往需要提髙单元密 度或对结构几何特征作较大的简化。六面体单元计算精度髙,但应用于几何特征复杂 的结构件时,网格划分繁琐、难度高,需耗费大量的时间。壳单元形态容易控制,网 格质量相对较高,应用于模拟床身等机床结构件的壁板可大幅减小有限元模型的节点 数量,大大缩小计算规模,降低对计算机性能的要求,提髙计算效率。但壳单元的使 用对结构几何尺寸有一定的要求,且使用壳单元模拟偏向于厚壳的实体,计算精度不 如体单元模型。实际应用时,需要结合分析对象的特点,灵活选择其中的若干种建立 结构的混合单元模型。
应用壳单元模拟结构,要求使用壳单元的区域满足厚度尺寸远小于平面长度尺 寸。但对于单个壳单元,则无此限制,在较精细的网格中,可能包含厚度尺寸大于平 面内尺寸的壳单元。文献[17]指出,厚度尺寸表示为f,平面内尺寸表示为6,薄板的 "办值的范围应满足:
(1/100 ?1/80)以/6S(l/8 ?1/5) (2.1)
在此范围之外,值大的称为厚板,小的称为薄膜。
一般厚度尺寸/小于典型整体结构尺寸的1/10,就可以用壳单元进行模拟。其中, 典型整体结构尺寸包括[18]:
1) 支撑点之间的距离;
2) 加强件之间的距离或截面厚度有很大变化部分之间的距离;
3) 曲率半径;
4) 所关注的最高阶振动模态的波长。
使用壳单元模拟板壳实体,可先提取实体的中面,然后在中面上划分壳单元,并 通过设置壳单元的实常数模拟实体的厚度。如有需要,可通过指定一个偏置量使中面 偏离中间位置,如图2.1所示。
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