Solid Works有限元网格单元的划分

刘广东， 曹阳

（黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040）

Solid Works有限元网格单元的划分

刘广东， 曹阳

（黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040）

在Solid Works2010的环境下，利用COSMOS的有限元分析过程中，对模型进行恰当的网格划分，既节省了计算机的资源，又能事半功倍完成分析，可以获得良好的效果。

计算机；网格；有限元；分析

0 引言

近些年来，各类的分析软件大量应用到工程中来，遇到简单的零部件可以通过力学的知识，快速准确地计算出结果。但当遇到复杂的零部件时，以往的方法是大量简化结构，抽象出其简化结构的受力状态，再进行加载计算其刚度、强度、变形等力学特征，例如采用MDT等计算手段更是如此。但由于对实际结构简化太大，计算结果会和实际的相差很多，还需要经过大规模、长时间的实验来验证，才能最后确定设计结构方案。

COSMOS是一种基于有限元分析的设计软件，集成于Solid Works2010软件中。利用COSMOS软件，设计者可以进行工程分析，并可以迅速得到分析结果，可以最大限度地缩短设计周期，降低成本，提高产品质量，加大利润空间。

1 单元网格划分大小区别分析

很多COSMOS的使用者在进行分析时，对构件的有限元网格划分到何种程度比较模糊，下面我们通过一个简单的构件实例来进行一下探讨。如图1所示，根据经验构件的最大应力点应该在根部的，但是图显示出来的结果却没有在根部，原因在哪里呢？就是我们所说的有限元是一个近似计算，单元划分的越粗，计算偏差越大，单元划分越小，精度就会越高，因此，我们就需要把单元加密细化，图1显示划分的网格单元是7 mm，最大应力值是52 MPa。而图2显示划分的网格单元是3.5 mm，单元网格细化改小了以后我们可以直观地发现网格更密了，其最大应力值是74 MPa，此时精度已经很高，也就是计算机的计算量已经很大了。具体对比如表1所示。

我们看表中各项数值的变化，当单元由7 mm改成3.5 mm后，节总数和单元总数的增长不是成倍数增长，而是成几何倍数的增长，计算量过大。所以做有限元分析，只能做有限大小的。由其应力变化我们还可以看出来，单元网格越密，网格数量越多，最大应力也会随着增大，进而随着单元网格的加密、数量增多其构件的安全系数也是随着网格加密而减小的，这样一来就是有这样的问题出现，到底单元网格划分到什么程度时合适？是不是应该有个原则？这样的一个内容是我们下面讨论的主要问题。

2 单元网格局部加密

如何选用单元网格的大小，需要有一个原则，那么我们再通过一个简单的实例来总结一下这个原则。以一个矩形板来做一下实例，如图3所示。

表1 不同单元划分比较

表2 改变单元划分

我们发现应力变化比较大的地方就是在孔附近，远离孔附近的地方应力变化并不大，当我们把单元网格加密的时候，是将整体单元网格加密，整体单元网格加密当然对有限元分析有好处，单元网格增多了，计算会更加精密准确。但是当我们仔细观看物体分析图以后，应力变化不大的地方，对于单元网格加密不加密，计算结果差不多，并没有太大的变化。只对局部应力变化大的地方有影响，所以我们再划分一下单元网格，使用网格控制命令对构件取一个局部加密的办法，就是该加密的地方我们加密了，该提高精度的地方我们提高了精度，不需要加密提高精度的地方我们也不做无用功（如图4），下面我们来对比一下，具体如表2。

由图我们可以看出来，节总数和单元总数的增长不太多，不再像表1那样成几次方的次数增长。

3 单元网格的划分基准

随着单元的不断加密，这个结果到什么时候算是合适呢？那这里有一个原则，就是波节值（节点的应力值，这里简称节点值）与单元值（几个节点算数平均得到）对比差距不大的时候，如果细化到具体数字就是节点值与单元值差小于5%时，就没有必再加密单元网格了。当还大于5%时，说明还是有些细化得不够，可以适当加大过渡层数，以达到加密网格的目的。

所以当我们将单元网格合理细化以后，算出来的应力值是恰到好处的，如果在此基础上继续将网格加密细化，我们发现所得数值也会变化，但变化已经不会太大了，因为节点值与单元值已经差不多，不会有太大的影响，所以我们没有必要再加密细化下去，做无用功。这样我们再拿应力数值去和屈服强度去作对比，得到的安全系数是比较可靠的。

4 结语

通过实例，我们了解到：1）我们应该学会控制局部网格的大小，应力变化比较大的部位，可以适当把这个部位加密，计算更精确；应力变化不大的地方，就没有必要做无用功，即使再加密网格密度，得到的结果也是差不多大小。2）单元网格大小到底给多少合适，本文给出了一个原则，就是节点值与单元值之差一般在5%以内，我们就认为是合格的网格划分，当然这里不是绝对严格的定义一定在5%以内，大致控制在5%以内我们就认为比较理想的划分。本文举例对模型进行恰当的网格划分，既节省了计算机的资源，又能事半功倍的完成分析任务，对使用Solid Works做有限元分析的工作人员有较好指导帮助。

［1］戴向国，谷诤巍，贾志新.Solid Works2003基础及应用教程［M］.北京：人民邮电出版社，2003.

［2］王宝成.有限元分析法［M］.天津：天津科学技术出版社，2001.

［3］黄阳.罗湘燕.基于Solid Works的机械零件的CAE技术研究［J］.机电产品开发与创新，2006，19（5）：101-102.

［4］张永庆.浅析COSMOSWORKS在有限元分析中的应用［J］.机械，2008（增刊 1）：53-55.

［5］二代龙震工作室.Solid Works2011高级设计［M］.北京：清华大学出版社，2011.

（编辑 立 明）

TP391.7

A

1002-2333（2015）07-0097-02

刘广东（1982—），男，工程师，硕士，从事非标机械设备设计研发工作。

2015-01-03