多尺度算法在增材點陣結構仿真分析中的應用（上篇）

作者 | 段衛(wèi)毅 安世中德結構仿真咨詢專家
 

首發(fā) | 仿真秀（ID：fangzhenxiu2018）
 

隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發(fā)展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應用，如圖1所示。點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優(yōu)良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。由于其含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數(shù)，導致建模和仿真計算工作量巨大，傳統(tǒng)有限元分析已經(jīng)無法適用。因此，經(jīng)過多年的仿真計算積累和努力探索，我們團隊開發(fā)出了一款專業(yè)用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即Lattice Simulation。
 

本文分為上、下兩篇，上篇結合應用案例，淺談基于多尺度算法開發(fā)出的這款點陣結構分析工具，是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題的。下篇將對Lattice Simulation和ANSYS Discovery進行分析對比，以說明多尺度算法在點陣結構分析中的準確性。

圖1 點陣結構

1、概述

Lattice Simulation是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴展工具中?；诙喑叨人惴ǎ脩艨梢圆捎玫刃Ь|化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數(shù)，在均質化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。

圖2 點陣結構分析工具功能

圖3 Workbench點陣結構模塊分析流程

2、Lattice Simulation功能與優(yōu)勢

Lattice Simulation提供增材點陣結構在有限元仿真中涉及的相關分析功能

（1） 均質化分析

基于胞元結構類型及在空間上的周期排列特性，進行均質化計算，提取等效實體的材料力學特性。

（2） 宏觀分析

采用均質化分析得到的等效材料數(shù)據(jù)，并對等效實體點陣結構進行力學分析，校核點陣結構剛度性能。

（3） 細觀校核

考慮胞元外部邊界條件（采用應變加載），對其進行詳細的應力分析，校核點陣胞元結構強度性能。

圖4 多尺度算法原理圖  

圖5 多尺度分析流程圖 

  

Lattice Simulation的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

（1） 強大的點陣建模功能

① 支持spaceclaim中內置點陣結構。 

② 支持外部導入點陣類型。

（2） 高效求解：大大降低建模難度，高效地實現(xiàn)復雜點陣結構的力學分析。

（3） 自動生成材料數(shù)據(jù)庫和內置材料數(shù)據(jù)庫。

（4） 支持參數(shù)優(yōu)化功能。

（5） 圖6 Lattice Simulation操作界面 。

界面友好，易于操作

 圖7 Spaceclaim內置點陣建模過程

圖8 均質化分析過程胞元變形結果

   

3、Lattice Simulation應用案例

 

 

① 懸臂梁剛度和強度分析

② 支架

圖10 點陣結構支架分析

③ 直升機支架

   圖11 直升機支架分析 

結論

本文結合Lattice Simulation對增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題進行了討論，在考慮點陣結構類型、材料、幾何尺寸和周期性邊界等條件下，通過均質化分析得到胞元的等效材料參數(shù)。在應變能和宏觀平均應力一致下，以保證較高的計算精度?；诖耍诤暧^分析之后，對胞元加載應變分量，并對其進行詳細的強度校核。

通過以上篇幅討論，可以得出以下結論：

1、采用多尺度算法，有效避免耗時耗力的點陣結構建模問題，大大降低建模難度。

2、 多尺度算法基于細觀-宏觀-細觀的分析方式，可準確的求解點陣結構的剛度及強度問題。

3、有效減小計算規(guī)模，可以高效快速地對增材點陣結構進行求解。

4、支持點陣結構參數(shù)優(yōu)化，可與optislang等優(yōu)化軟件實現(xiàn)聯(lián)合仿真，實現(xiàn)參數(shù)最優(yōu)組合。

5、Lattice Simulation add-in點陣分析工具完全無縫集成在Workbench環(huán)境中，可與其他模塊軟件實現(xiàn)聯(lián)合仿真。
 

作者：段衛(wèi)毅，男，德國Ingolstat&Landshut大學應用計算力學碩士，現(xiàn)為安世中德結構仿真咨詢專家，10年以上仿真分析經(jīng)驗，專長于顯式動力學分析、多尺度分析和優(yōu)化設計等。