感謝成都航天模塑有限責任公司孫正峰投稿

工裝設計在制造前，需具備一定的剛強度指標，以滿足結構功能試驗。采用傳統的有限元仿真分析，雖然精度可以保證，但是時間較長，且需具備一定的專業能力。為了提高效率，可以采用 SimSolid 無網格進行仿真分析。

本文采用有限元仿真和 SimSolid 無網格對比分析，最后和試驗進行對標。

一、背景

隨著產品結構力學性能測試的急劇增加，要求越來越嚴格，應用場景也在不斷更新。為了能滿足測試需求，針對不同測試要求需要設計不同配置的工裝，久而久之，工裝越來越多，成本也越來越高，且安裝操作也較繁瑣。面對有些大載荷工況（載荷≥2500N），公司配備的試驗設備無法滿足，只能委托其他試驗機構進行測試，這樣一來，試驗成本、工裝成本、人力成本等也隨之增加。

基于上述現狀，公司開發設計了一款大型通用工裝，結合公司新配置的設備，針對不同測試要求可選擇性搭配，且可滿足不同位置、不同角度、不同載荷大小（載荷最大可達10000N）的功能性測試。

測試工裝設計好后，在制造之前，需要驗證其剛強度性能，這類復雜工裝的有限元仿真驗證，要求仿真人員具備較專業的網格模型搭建能力，并且存在仿真時間長迭代慢的問題，所以探索了無網格快速仿真軟件，測試無網格結構仿真的精度和效率。

二、數據模型

大型通用工裝尺寸為2410mm×1710mm×1800mm，總重628kg，采用鋁合金和鈑金相結合的方式，如圖1所示：

圖1 大型通用工裝數據模型圖

如圖1所示，灰色部件為鋁合金材料，其余部件均為鈑金材料。

三、有限元仿真分析

3.1 網格劃分及連接方式

工裝總共由183個零部件組成。鋁合金及大部分鈑金均采用殼單元，即中面四邊形網格，網格尺寸大小為4mm，不同截面分別賦予不同料厚，如圖2所示；剩余部分鈑金件采用六面體網格，為了保留產品的所有特征，網格大小采用2mm，如圖3所示。鋁合金件之間通過角碼進行連接，鈑金件之間通過焊接及螺栓進行連接。總成網格及連接如圖4所示。網格單元總數量為1645393個。

圖2 中面四邊形網格

圖3 六面體網格

圖4 有限元網格總成裝配圖

3.2 材料參數

鋁合金和鈑金材料參數如表1所示。

表1 大型通用工裝材料參數

3.3 分析工況

為了驗證工裝的可靠性，需要保證工裝具有一定的剛性，同時，在大載荷作用下，工裝具備足夠的強度。因此，對工裝采用剛度和強度的結構力學分析。

約束：對工裝底部4個腳進行全約束，即約束dof1～dof6。

載荷：對工裝與產品的連接點進行加載，剛度載荷大小為1000N，測量點位上橫梁中間位置，目標值為≤0.5mm；強度載荷大小為5000N，最大應力＜材料屈服強度×0.8。

工裝仿真分析工況如圖5所示：

圖5 工裝仿真分析工況示意圖

3.4 仿真分析結果

工裝剛度仿真分析結果如圖6所示：

圖6 工裝剛度仿真分析位移云圖

由圖6所示，工裝剛度工況，指定點位移為0.104mm。

工裝強度仿真分析結果如圖7所示：

圖7 工裝強度仿真分析應力云圖

由圖7所示，工裝強度工況，最大應力為45.8MPa，低于材料屈服強度的0.8倍。

小結：有限元仿真分析網格劃分、連接、分析設置等，總共耗時7天時間（平均每天按照7個小時計算）。

備注：此有限元仿真分析為工作一年工程師的效率。

四、SimSolid仿真分析

鑒于有限元仿真分析耗時耗力，因此考慮 SimSolid 無網格軟件。首先導入幾何模型，如圖8所示：

圖8 導入幾何模型

導入幾何模型后，對總成數據進行自動綁定接觸，間隙和穿透均設置為0.5mm，設置如圖9所示：

圖9 自動綁定接觸設置

接著進行約束和載荷工況設置，如圖10所示：

圖10 約束和載荷工況設置

分析設置和分析方法均和有限元仿真保持一致，即采用線性靜力學分析，如圖11所示：

圖11 線性靜力學分析

求解設置采用Adapt for stiffness進行，如圖12所示：

圖12 求解設置Adapt for stiffness

分析結果如圖13所示：

圖13 基于求解設置Adapt for stiffness的位移云圖

由圖13可知，提取與有限元仿真位移云圖中相同的點，指定點位移為0.075mm。

此結果與有限元仿真位移云圖中相同點位移結果0.104mm相差較大，誤差達到27.9%。結合模型進行誤差原因分析：由于幾何模型厚度較薄，且長度較長，符合薄壁件特征，因此，將求解設置改為Custom，同時勾選 Adapt to features 和 Adapt to thin solids，Refinement level 選擇higt，如圖14所示：

圖14 求解設置Custom

根據求解設置Custom，其分析結果如圖15所示（SimSolid 的云圖和有限元的云圖對比）：

圖15 基于求解設置Custom的位移云圖

由圖15可知，提取與有限元仿真位移云圖中相同的點，指定點位移為0.094mm。

此結果與有限元仿真位移云圖中相同點位移結果0.104mm相差較小，誤差僅9.6%。

剛度誤差＜10%可接受，按照同樣的分析方法，將載荷改為5000N，其應力云圖如圖16所示（SimSolid的云圖和有限元的云圖對比）：

圖16 基于SimSolid的強度分析結果-應力云圖

由圖16所示，基于SimSolid的強度分析結果，最大應力為42.3MPa。

此結果與有限元仿真應力云圖中最大應力結果45.8Mpa相差較小，誤差僅7.6%。

小結：SimSolid 仿真分析綁定接觸、連接、分析設置等，總共耗時1.5h。

五、試驗結果

試驗工裝總成如圖17所示：

圖17 試驗工裝總成

試驗按照與有限元仿真加載點位置、大小和方向一致進行，試驗測量點與仿真分析結果選取點一致，加載1000N載荷下的試驗結果如圖18所示：

圖18 試驗剛度結果

由圖18可知，試驗測量點（與仿真分析結果選取點一致）位移為0.139mm。相比有限元仿真分析結果0.104mm和 SimSolid 分析結果0.094mm大一些。

誤差原因分析：從圖17可以看出，工裝底部放置在地面上，僅地面對工裝有支撐作用，試驗過程中，工裝受力后，會有一點翻轉的趨勢，仿真中四個底角是全約束，沒有考慮結構翻轉。因此，造成試驗結果比有限元分析結果和 SimSolid 結果都偏大，屬于正常范圍。

接著對工裝進行5000N強度試驗，由于沒有應變片，因此，無法檢測應力，只能通過實驗結果觀察工裝有無永久變形和發白的現象，如圖19所示：

圖19 工裝強度5000N試驗結果圖片

由圖19可知，工裝強度5000N試驗卸載后，沒有永久變形。

六、對標

將 SimSolid 結果、有限元仿真結果、試驗結果進行對標，如表2所示：

表2 SimSolid結果、有限元仿真結果、試驗結果對標

備注：

1.試驗結果與仿真結果分析：工裝底部放置在地面上，僅地面對工裝有支撐作用，試驗過程中，工裝受力后，會有一點翻轉的趨勢。仿真中四個底角是全約束，沒有考慮結構翻轉。因此，造成試驗結果比有限元分析結果和 SimSolid 結果都偏大，屬于正常范圍。后續減小仿真與試驗差異的操作是，更改仿真時底角的約束，使其更貼近試驗條件。

2.SimSolid 與有限元仿真對比，SimSolid 與有限元仿真的位移差異為-0.01mm，體現在百分比上是9.6%，應力差異是-3.5MPa,體現在百分比上是7.6%。該精度已能指導設計，且提速明顯。

3.SimSolid 與有限元仿真，差異來源可能是有限元模型中部分殼單元的簡化偏離了原始模型，使得在局部幾何上有限元模型與 SimSolid 模型不一致。

七、總結

針對大型復雜的工裝，零件數量又龐大的類型，前處理模型搭建（即殼單元和六面體網格劃分、單元連接等）非常費時間，且搭建的模型網格數量也多，計算時間也較長，采用 SimSolid 無網格進行仿真分析，不僅能大大縮短時間，同時能保證精度，具體結論如下：

1.SimSolid從導入模型到結果查看，總計耗時1.5h，而有限元仿真分析導入模型到結果查看，總共耗時49h，僅有限元仿真總時長的3%。（備注：此有限元仿真分析為工作一年工程師的效率。）

2.SimSolid 與有限元仿真，剛度和強度誤差可控制在10%以內。

3.針對薄壁零件，采用 SimSolid 進行仿真分析時，建議將求解設置改為 Custom，同時勾選Adapt to features和Adapt to thin solids，Refinement level 選擇 higt，這樣可以提高仿真精度。

4.SimSolid、有限元仿真、試驗結果基本一致，可以滿足試驗要求。

八、展望

1.目前我用的這個2020版本無法創建質量點，無法創建剛性單元等，最新的2025版本可以支持等效創建剛性單元、創建質量點，新增的建模功能可更好對標有限元模型，降低精度差異，因此，后續我也會下載最新版本進行對標分析。

2.目前 SimSolid 無網格仿真方法是有限元隱式算法類似的外部近似方法，無法仿真碰撞，期待后續能有沖擊碰撞類顯式問題的快速仿真。

2025年5月15日，來自全球不同行業的知名企業專家將線上實時分享他們使用快速仿真設計的實戰經驗，歡迎您報名會議，了解如何利用仿真技術加快產品研發速度， CAE 和有限元分析技術的應用如何在產品研發中實現降本增效。

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