基于CAE分析的网格模型的优化研究

注塑CAE常用的数值解法有边界单元法、有限单元法和有限差分法等，但这些解法都需要对所建立的模型进行单元网格划分，网格的好坏、疏密直接关系着CAE分析的效率。因此，网格模型的优化就成为CAE分析的一个关键环节。

　　一、几何模型的简化

　　由于软件功能的不同要求，注塑CAE模拟分析的网格模型往往与CAD设计的模型不完全一样，通常为了更为有效地进行模拟分析，在进行CAE的模型构建过程中，往往需要对模具的CAD模型中的一些细节进行简化运算。

　　(1)为分析计算方便，制件的各部分可以用一定厚度的中心面或外(内)表面来代替，将制件简化为由各个单层面组建而成的实体。

　　(2)忽略与主体特征不在一个数量级上的小尺寸几何特征。制件中常常出现尺寸相对网格尺寸小的圆角、小倒角、螺纹、通孔或凸起等特征，简化处理时可以直接删除这些小特征。模拟分析的准确性不变，但为后续的网格处理减少工作量，模拟的分析量也大大减少，可以缩短70%的模型准备时间和50%的计算时间。

　　如图1为圆角删除前后纵横比比较(最长边与该边的高之比值，比值越小，模拟分析越准确)，从图中可以看出，删除圆角前后网格的最大纵横比分别是8147和12.54，可以看出右图的网格质量有了明显的提高。

　　但出现以下两种情况的几何特征不可删除：①当被删除的几何特征位于流动路径的末端，且末端的料温接近塑料的转变温度时，则被删除几何特征处存在充填不足的可能;②当制品外观处几何特征要求较高时，则这些几何特征不应被删除，否则无法预测这些几何特征处应有的气穴和熔接痕位置。

　　(3)建立CAE分析模型时，如果主流道、分流道、浇口、冷却水管等采用非圆形截面，通常引进相当直径d与形状因子f两个参数，并通过这两个参数的设定将非圆形截面转化为圆形截面，以简化设计与运算，而不影响模拟分析的准确性。

　　其中：

　　其中，——非圆形截面的周长，——非圆形截面的周长。由定义可知，f一般不小于1，越大说明横截 面越不规则，它所产生的冷却效果和流动阻力大。

　　(4)在设计中，常遇到某部分的截面设计不规则，如图2所示，引进相当厚度t与形状因子f两个参数，将不规则的横截面转化为规则的横截面，以降低CAE的分析量。

　　二、网格模型的构建

　　通常CAE分析为主流道、分流道、浇口和冷却管道等建立一维网格，这种网格模型的流动模拟仅沿轴线方向流动。而模具型腔则需从计算时间、计算精度等方面考虑采用中面模型、表面模型或实体模型。

　　1.网格类型的选择

　　网格模型有中面模型，表面模型和实体模型三种。三种模型的分类及适用选用见表1。

　　2.网格密度的选择

　　(1)对分析时间的影响。经过大量的模拟试验表明：随着网格数目的增加，计算时间呈指数增长，而计算结果的精确性提高却很有限。以实际的模拟分析为例，相同的计算模型，在机器配置和分析内容完成同样的情况，采用不同的网格数进行分析，对比计算时间和计算结果之一的压力情况，表2表明了网格数与计算时间、计算精确性的关系。

　　(2)对分析结果的影响。①迟滞效应。如图3在某些情况下，为了引导流动或者人工平衡流道时，需要利用迟滞效应，此时网格要足够密。②熔接痕。在两个或更多的相连的节点处能够预测到熔接痕，所以熔接痕对于网格的密度是非常敏感的。粗糙的网格通常会得到错误的熔接痕分布状况。如图4，当网格粗糙时，熔接痕预测不准确，当网格较密时，熔接痕的预测较准确。③气穴。气穴的产生常常是由于厚度的改变发生迟滞效应而产生的。在图5里，可以看出，较密的网格可以预测气穴的产生。这是因为在粗糙的网格里，薄壁部分没有预测到迟滞现象，但是较密的网格中则预测到了迟滞现象。

　　从上面的讨论，可以得出网格密度选择的原则是：保证计算精度的前提下，采用尽量少的网格数目，以提高计算效率，降低计算成本。

　　三、结束语

　　被分析模型的网格划分和修改是MPI分析前处理中最为重要的，同时也是最为复杂、繁琐的环节，需要对系统自动划分好的网格进行长时间处理。因此，在保证分析精度的前提下，网格模型的优化将更为重要。