MeshFree应用之汽车动力总成悬置支臂

      基于MeshFree的汽车动力总成悬置支臂CAE仿真精度研究

        本文针对某汽车动力总成悬置支臂，使用MeshFree软件对其进行静力与模态分析，并与传统FEM软件OptiStruct、Abaqus以及另一款无网格分析软件SimSolid的分析结果进行比对

       悬置支臂一端连接汽车动力总成，另一端连接接悬置的橡胶软垫。在汽车行驶在各种工况时，支臂会受到各个方向的工况力。本文对支臂的+Z方向施加8000N的载荷（汽车行驶的一个极限工况），分析支臂位移和应力结果，并对支臂进行简单的对地模态分析。将动力总成侧简化为三个空心圆柱，与支臂、螺栓一起导入软件，建立分析模型。其中支臂材料为铝，其余为铁。具体边界条件如下图所示：

      加载时，由于没找到MeshFree的预紧力加载选项，所以对螺栓头施加向下30000 N的力代替。MeshFree独立于几何的结构化网格如下图所示，不论几何形状如何复杂，都能做到全六面体网格；几何边界外、几何边界过渡区以及几何边界内分别采用不同的计算方法。

1.  位移结果对比

使用不同的CAE软件计算，并进行收敛性分析，位移结果如下：

注：提升solutions数量以及勾选Adapt to features是SimSolid提升计算精度的方式。

将两个无网格软件的收敛结果与Optistruct进行对比：

       对比发现MeshFree与Optistruct的位移收敛误差只有0.8 %，令人满意。MeshFree在做位移收敛性分析时，随着网格的减小，总体上逐渐减小并程收敛趋势，这个向下收敛的趋势与SimSolid类似，与传统FEM软件向上的收敛趋势不同。

2.  应力结果对比

    使用不同的CAE软件对支臂应力进行收敛性分析。首先是Optistruct软件收敛性结果：

 应力与位移相比，除了受网格大小影响外，受不同求解器的影响也较大。为了进一步验证此零件的应力收敛趋势，将同样的网格模型导入Abaqus做应力收敛分析

注：1. 由于材料是铸铝，结果查看最大主应力；

2. 两个FEM软件结果均用Hyperview读取，使用Advanced平均方式；

3. 二阶单元Use corner data，并忽略应力奇异点；

4. 以0.5mm网格模型为例，节点数量已达百万级别，精度可以保证。

    下图是另一款无网格分析软件SimSolid的应力收敛结果：

注：提升solutions数量以及勾选 Adapt to features 是 SimSolid 提升计算精度的方式。

     然后，是MeshFree的应力收敛结果：

     将两个无网格软件的收敛结果与Optistruct进行对比：

       可以看出，MeshFree的应力逐渐收敛，收敛结果与传统FEM软件误差很小，精度让人满意。模型选取网格尺寸时，可以用传统FEM的方式做收敛性分析，也可以使用MeshFree自带能量误差分析工具，当归一化总误差小于10%时，计算结果具有较好的精度。

3.   模态结果对比

       OptiStruct模型使用1mm细化网格计算，一阶1124 Hz，二阶1813 Hz。

 SimSolid使用Max number of adaptive solutions 6 + Adapt to features的高精度模式计算，一阶1128 Hz，二阶1809 Hz。

       MeshFree计算时，发现支臂螺栓孔上下接触面设置一般接触和焊接接触并无区别，应该是软件会在模态计算时，自动把一般接触转为焊接接触。继续对MeshFree软件进行模态收敛性分析，结果如下：

     将两个无网格软件的模态结果与Optistruct进行对比：

       可以看出，MeshFree 与SimSolid的最小误差基本可以做到同等级别MeshFree并非随着精度提升逐渐收敛，而是呈倒抛物线的变化趋势，在网格5mm左右时达到了一个下限。建议MeshFree分析模态时，直接使用自动网格就可以得到一个很好的精度。

4.    总结：

（1）在对位移、应力和模态三个方面进行收敛性研究的基础上，将MeshFree与传统FEM软件进行了对比分析，显示了MeshFree具有不错的计算精度；

（2）MeshFree与传统FEM软件相比，省去了大量的前处理时间，操作界面也非常简洁，有CAE基础的人即便不看Help也能直接上手；而且MeshFree基于结构化网格，都是标准的六面体，并无网格质量问题，也没有单元类型的区分。所以对于特征复杂的模型，相比传统FEA软件只能画四面体网格，MeshFree此时能够获得一个更好的精度；

（3）MeshFree与另一款无网格软件SimSolid，虽然都是无网格划分，但两者原理不太相同，MeshFree基于结构化网格，网格完全不受几何形状的影响，所以无需划分网格；而SimSolid 不使用传统 FEA 中固有的逐点自由度 (DOF)，它的DOF具有体积、面积、线云和点云形式的几何支撑功能。从分析结果来看，这两款分析软件都能达到较高的分析精度，这也说明了无网格软件的未来具有光明前景；

在此感谢木白_6166提供此文。