为什么在 FEA 中使用十六进制元素?3个方面为你解答

原创|使用教程|编辑:何家巧|2021-07-06 11:53:40.060|阅读 52 次

概述:在本文中,我们比较四面体和六面体元素,并将举例说明为什么后者对于在 FEA(有限元分析)研究中实施很重要。下文我们将通过四面体元素、四面体元素、六面体与四面体 IMPACT 示例等为大家带来更详细的解说。

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在本文中,我们比较四面体和六面体元素,并将举例说明为什么后者对于在 FEA(有限元分析)研究中实施很重要。


四面体元素

SOLIDWORKS Simulation等 FEA 工具  使用类三角形四面体 (TET4) 元素对模型进行网格划分(图 1)。


图1–左:单个 TET4 元件变形;右:10,000 TET4 元素变形

当用户不想花费大量时间对他们的模型进行网格划分时,这种元素类型非常有用。 
四面体网格划分可以由软件开发人员有效地自动化,用户必须要意识到很简单:在问题上投入更多元素以使其更准确,直到用完时间。
该元素的多功能性和易用性取决于所有形状都可以可靠地近似为三角形的原则。

球面几何与 TET4 网格化

图2–左:球面几何;右:与 TET4 的网格

六面体元素
SIMULIAworks等高级 FEA 工具 包括额外的元素类型,让用户可以更好地控制其网格,从而优化求解时间。一种流行的元素是方形六面体 (HEX8) 元素。


图3–左:单个 HEX8 单元变形;右图:10,000 个 HEX8 元素变形

由于以下几个原因,此元素类型具有更严格的要求:
  • 并非所有形状都可以有效地用正方形,因此经常需要混合网格。
  • 用户将需要确定用于定位元素的自然表面。
  • 更复杂的形状可能需要更多的反馈,因此对于某些几何形状,使用六面体是不切实际的。
但是,当应用此元素时,配置它们所需的额外时间是值得的。
六面体与四面体 IMPACT 示例
为了比较四面体和六面体元素,我在几个不同的 FEA 工具中进行了一个简单的冲击测试。我缩放了网格大小,以便解决每个研究需要大约 1000 秒。这是我的结果:


图4–当我们缩放网格使得每个研究需要大约 1000 秒来解决时,结果会是什么样子?

仔细查看图 5 中的并排比较。您认为哪种类型的网格效果最好?


图 5 – 哪种类型的网格似乎表现最好?

在这种撞击情况下,四面体元素上似乎有很多数值噪声。即使是更高阶的 TET10 元素似乎也相对较差,并且可以说比 TET4 的性能更差。这可以解释为什么一些高级 FEA 工具不支持 TET10 的影响研究。
结论
十六进制元素为某些类别的问题提供了更有效的解决方案策略。通常,在冲击研究中发生的较高程度的局部变形可能会因使用这些元素而产生很大的好处。

然而,为了运行简单的静态分析,用户可能更喜欢快速移动到网格划分阶段。如果变形不是全局复杂的,四面体是这种情况的一个很好的解决方案。

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