案例分享｜基于 Altair SimSolid 的大型通用工装结构力学仿真分析及试验对标
工装设计在制造前，需具备一定的刚强度指标，以满足结构功能试验。采用传统的有限元仿真分析，虽然精度可以保证，但是时间较长，且需具备一定的专业能力。为了提高效率，可以采用 SimSolid 无网格进行仿真分析。
本文采用有限元仿真和 SimSolid 无网格对比分析，最后和试验进行对标。
一、背景
一、背景
随着产品结构力学性能测试的急剧增加，要求越来越严格，应用场景也在不断更新。为了能满足测试需求，针对不同测试要求需要设计不同配置的工装，久而久之，工装越来越多，成本也越来越高，且安装操作也较繁琐。面对有些大载荷工况（载荷≥2500N），公司配备的试验设备无法满足，只能委托其他试验机构进行测试，这样一来，试验成本、工装成本、人力成本等也随之增加。
基于上述现状，公司开发设计了一款大型通用工装，结合公司新配置的设备，针对不同测试要求可选择性搭配，且可满足不同位置、不同角度、不同载荷大小（载荷最大可达10000N）的功能性测试。
测试工装设计好后，在制造之前，需要验证其刚强度性能，这类复杂工装的有限元仿真验证，要求仿真人员具备较专业的网格模型搭建能力，并且存在仿真时间长迭代慢的问题，所以探索了无网格快速仿真软件，测试无网格结构仿真的精度和效率。
二、数据模型
二、数据模型
大型通用工装尺寸为2410mm×1710mm×1800mm，总重628kg，采用铝合金和钣金相结合的方式，如图1所示：
图1 大型通用工装数据模型图
如图1所示，灰色部件为铝合金材料，其余部件均为钣金材料。
三、有限元仿真分析
三、有限元仿真分析
3.1 网格划分及连接方式
工装总共由183个零部件组成。铝合金及大部分钣金均采用壳单元，即中面四边形网格，网格尺寸大小为4mm，不同截面分别赋予不同料厚，如图2所示；剩余部分钣金件采用六面体网格，为了保留产品的所有特征，网格大小采用2mm，如图3所示。铝合金件之间通过角码进行连接，钣金件之间通过焊接及螺栓进行连接。总成网格及连接如图4所示。网格单元总数量为1645393个。
图2 中面四边形网格
图3 六面体网格
图4 有限元网格总成装配图
3.2 材料参数
铝合金和钣金材料参数如表1所示。
材料种类 | 杨氏模量/GPa | 泊松比 | 密度t/mm3 | ||
铝合金 | 6061 | 69 | 0.33 | 2.70×10⁻⁹ | 260 |
钣金 | DC01 | 205 | 0.30 | 7.85×10⁻⁹ | 180 |
表1 大型通用工装材料参数
3.3 分析工况
为了验证工装的可靠性，需要保证工装具有一定的刚性，同时，在大载荷作用下，工装具备足够的强度。因此，对工装采用刚度和强度的结构力学分析。
约束：对工装底部4个脚进行全约束，即约束dof1～dof6。
载荷：对工装与产品的连接点进行加载，刚度载荷大小为1000N，测量点位上横梁中间位置，目标值为≤0.5mm；强度载荷大小为5000N，最大应力＜材料屈服强度×0.8。
工装仿真分析工况如图5所示：
图5 工装仿真分析工况示意图
3.4 仿真分析结果
工装刚度仿真分析结果如图6所示：
图6 工装刚度仿真分析位移云图
由图6所示，工装刚度工况，指定点位移为0.104mm。
工装强度仿真分析结果如图7所示：
图7 工装强度仿真分析应力云图
由图7所示，工装强度工况，最大应力为45.8MPa，低于材料屈服强度的0.8倍。
小结：有限元仿真分析网格划分、连接、分析设置等，总共耗时7天时间（平均每天按照7个小时计算）。
备注：此有限元仿真分析为工作一年工程师的效率。
四、SimSolid仿真分析
四、SimSolid仿真分析
鉴于有限元仿真分析耗时耗力，因此考虑 SimSolid 无网格软件。首先导入几何模型，如图8所示：
图8 导入几何模型
导入几何模型后，对总成数据进行自动绑定接触，间隙和穿透均设置为0.5mm，设置如图9所示：
图9 自动绑定接触设置
接着进行约束和载荷工况设置，如图10所示：
图10 约束和载荷工况设置
分析设置和分析方法均和有限元仿真保持一致，即采用线性静力学分析，如图11所示：
图11 线性静力学分析
求解设置采用Adapt for stiffness进行，如图12所示：
图12 求解设置Adapt for stiffness
分析结果如图13所示：
图13 基于求解设置Adapt for stiffness的位移云图
由图13可知，提取与有限元仿真位移云图中相同的点，指定点位移为0.075mm。
此结果与有限元仿真位移云图中相同点位移结果0.104mm相差较大，误差达到27.9%。结合模型进行误差原因分析：由于几何模型厚度较薄，且长度较长，符合薄壁件特征，因此，将求解设置改为Custom，同时勾选 Adapt to features 和 Adapt to thin solids，Refinement level 选择higt，如图14所示：
图14 求解设置Custom
根据求解设置Custom，其分析结果如图15所示（SimSolid 的云图和有限元的云图对比）：
图15 基于求解设置Custom的位移云图
由图15可知，提取与有限元仿真位移云图中相同的点，指定点位移为0.094mm。
此结果与有限元仿真位移云图中相同点位移结果0.104mm相差较小，误差仅9.6%。
刚度误差＜10%可接受，按照同样的分析方法，将载荷改为5000N，其应力云图如图16所示（SimSolid的云图和有限元的云图对比）：
图16 基于SimSolid的强度分析结果-应力云图
由图16所示，基于SimSolid的强度分析结果，最大应力为42.3MPa。
此结果与有限元仿真应力云图中最大应力结果45.8Mpa相差较小，误差仅7.6%。
小结：SimSolid 仿真分析绑定接触、连接、分析设置等，总共耗时1.5h。
五、试验结果
五、试验结果
试验工装总成如图17所示：
图17 试验工装总成
试验按照与有限元仿真加载点位置、大小和方向一致进行，试验测量点与仿真分析结果选取点一致，加载1000N载荷下的试验结果如图18所示：
图18 试验刚度结果
由图18可知，试验测量点（与仿真分析结果选取点一致）位移为0.139mm。相比有限元仿真分析结果0.104mm和 SimSolid 分析结果0.094mm大一些。
误差原因分析：从图17可以看出，工装底部放置在地面上，仅地面对工装有支撑作用，试验过程中，工装受力后，会有一点翻转的趋势，仿真中四个底角是全约束，没有考虑结构翻转。因此，造成试验结果比有限元分析结果和 SimSolid 结果都偏大，属于正常范围。
接着对工装进行5000N强度试验，由于没有应变片，因此，无法检测应力，只能通过实验结果观察工装有无永久变形和发白的现象，如图19所示：
图19 工装强度5000N试验结果图片
由图19可知，工装强度5000N试验卸载后，没有永久变形。
六、对标
六、对标
将 SimSolid 结果、有限元仿真结果、试验结果进行对标，如表2所示：
SimSolid | 有限元 | 试验 | SimSolid与有限元误差 | |
刚度 | 0.094mm | 0.104mm | 0.139mm | 差异-0.01mm 百分比误差：9.6% |
强度 | 42.3MPa | 45.8MPa | / | 差异-3.5Mpa 百分比误差：7.6% |
1.5h | 49h | / | / |
表2 SimSolid结果、有限元仿真结果、试验结果对标
备注：
试验结果与仿真结果分析：工装底部放置在地面上，仅地面对工装有支撑作用，试验过程中，工装受力后，会有一点翻转的趋势。仿真中四个底角是全约束，没有考虑结构翻转。因此，造成试验结果比有限元分析结果和 SimSolid 结果都偏大，属于正常范围。后续减小仿真与试验差异的操作是，更改仿真时底角的约束，使其更贴近试验条件。
SimSolid 与有限元仿真对比，SimSolid 与有限元仿真的位移差异为-0.01mm，体现在百分比上是9.6%，应力差异是-3.5MPa,体现在百分比上是7.6%。该精度已能指导设计，且提速明显。
SimSolid 与有限元仿真，差异来源可能是有限元模型中部分壳单元的简化偏离了原始模型，使得在局部几何上有限元模型与 SimSolid 模型不一致。
七、总结
七、总结
针对大型复杂的工装，零件数量又庞大的类型，前处理模型搭建（即壳单元和六面体网格划分、单元连接等）非常费时间，且搭建的模型网格数量也多，计算时间也较长，采用 SimSolid 无网格进行仿真分析，不仅能大大缩短时间，同时能保证精度，具体结论如下：
SimSolid从导入模型到结果查看，总计耗时1.5h，而有限元仿真分析导入模型到结果查看，总共耗时49h，仅有限元仿真总时长的3%。（备注：此有限元仿真分析为工作一年工程师的效率。）
SimSolid 与有限元仿真，刚度和强度误差可控制在10%以内。
针对薄壁零件，采用 SimSolid 进行仿真分析时，建议将求解设置改为 Custom，同时勾选Adapt to features和Adapt to thin solids，Refinement level 选择 higt，这样可以提高仿真精度。
SimSolid、有限元仿真、试验结果基本一致，可以满足试验要求。
八、展望
八、展望
目前我用的这个2020版本无法创建质量点，无法创建刚性单元等，最新的2025版本可以支持等效创建刚性单元、创建质量点，新增的建模功能可更好对标有限元模型，降低精度差异，因此，后续我也会下载最新版本进行对标分析。
目前 SimSolid 无网格仿真方法是有限元隐式算法类似的外部近似方法，无法仿真碰撞，期待后续能有冲击碰撞类显式问题的快速仿真。
