多尺度算法在增材点阵结构仿真分析中的应用(上篇)

2018-11-08 17:40:05·  来源:段卫毅 安世亚太
   
作者| 段卫毅 安世中德结构仿真咨询专家首发| 仿真秀(ID:fangzhenxiu2018)随着增材制造领域中3D打印技术的快速发展,增材点阵结构在航天航空、船舶、汽车、体育和医疗等行业得到了广泛应用,如图1所示。点阵结构作为一种新型的结构设
作者 | 段卫毅 安世中德结构仿真咨询专家
 
首发 | 仿真秀(ID:fangzhenxiu2018)
 
随着增材制造领域中3D打印技术的快速发展,增材点阵结构在航天航空、船舶、汽车、体育和医疗等行业得到了广泛应用,如图1所示。点阵结构作为一种新型的结构设计,除轻量化特点外,同时还具有优良的比刚度/强度、阻尼减震、缓冲吸能、吸声降噪以及隔热隔磁等功能性特点。由于其含有大量复杂的微观结构,包括胞元类型和几何尺寸等参数,导致建模和仿真计算工作量巨大,传统有限元分析已经无法适用。因此,经过多年的仿真计算积累和努力探索,我们团队开发出了一款专业用于增材点阵结构仿真分析的软件,即Lattice Simulation。
 
本文分为上、下两篇,上篇结合应用案例,浅谈基于多尺度算法开发出的这款点阵结构分析工具,是如何高效、快速地帮助用户解决增材点阵结构设计中遇到的CAE分析问题的。下篇将对Lattice Simulation和ANSYS Discovery进行分析对比,以说明多尺度算法在点阵结构分析中的准确性。
图1 点阵结构
1、概述
Lattice Simulation是一款用于增材点阵结构分析的工具,具有用户自定义和内置点阵结构设计两种方式,已集成在ANSYS add-in扩展工具中。基于多尺度算法,用户可以采用等效均质化技术对点阵结构进行有限元分析。并且提取非均质化点阵结构的等效材料参数,在均质化等效实体模型宏观力学分析后,可以通过局部分析对胞元结构进行详细的应力校核。
图2 点阵结构分析工具功能
图3 Workbench点阵结构模块分析流程
2、Lattice Simulation功能与优势
Lattice Simulation提供增材点阵结构在有限元仿真中涉及的相关分析功能
(1) 均质化分析
基于胞元结构类型及在空间上的周期排列特性,进行均质化计算,提取等效实体的材料力学特性。
(2) 宏观分析
采用均质化分析得到的等效材料数据,并对等效实体点阵结构进行力学分析,校核点阵结构刚度性能。
(3) 细观校核
考虑胞元外部边界条件(采用应变加载),对其进行详细的应力分析,校核点阵胞元结构强度性能。
图4 多尺度算法原理图  
图5 多尺度分析流程图 
  
Lattice Simulation的优势体现在:
(1) 强大的点阵建模功能
① 支持spaceclaim中内置点阵结构。 
② 支持外部导入点阵类型。
(2) 高效求解:大大降低建模难度,高效地实现复杂点阵结构的力学分析。
(3) 自动生成材料数据库和内置材料数据库。
(4) 支持参数优化功能。
(5) 图6 Lattice Simulation操作界面 。
界面友好,易于操作
 图7 Spaceclaim内置点阵建模过程
图8 均质化分析过程胞元变形结果
   
3、Lattice Simulation应用案例
 
 
① 悬臂梁刚度和强度分析
② 支架
图10 点阵结构支架分析
③ 直升机支架
   图11 直升机支架分析 
结论
本文结合Lattice Simulation对增材点阵结构设计中遇到的CAE分析问题进行了讨论,在考虑点阵结构类型、材料、几何尺寸和周期性边界等条件下,通过均质化分析得到胞元的等效材料参数。在应变能和宏观平均应力一致下,以保证较高的计算精度。基于此,在宏观分析之后,对胞元加载应变分量,并对其进行详细的强度校核。
通过以上篇幅讨论,可以得出以下结论:
1、采用多尺度算法,有效避免耗时耗力的点阵结构建模问题,大大降低建模难度。
2、 多尺度算法基于细观-宏观-细观的分析方式,可准确的求解点阵结构的刚度及强度问题。
3、有效减小计算规模,可以高效快速地对增材点阵结构进行求解。
4、支持点阵结构参数优化,可与optislang等优化软件实现联合仿真,实现参数最优组合。
5、Lattice Simulation add-in点阵分析工具完全无缝集成在Workbench环境中,可与其他模块软件实现联合仿真。
 
作者:段卫毅,男,德国Ingolstat&Landshut大学应用计算力学硕士,现为安世中德结构仿真咨询专家,10年以上仿真分析经验,专长于显式动力学分析、多尺度分析和优化设计等。