基于midas MeshFree的驾驶室吊具钢架的静力学分析及其与SimSolid的对比

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问题来源    

    本次分析来源于实际工程问题，驾驶室吊具钢架的工作原理如图1所示，原吊具由绳索吊拉进行转运，由于驾驶室转运工艺变更，新设计吊具钢架改为挂钩固定，需对新设计的吊具钢架进行强度分析并提出改进建议。MeshFree可以节省大量的有限元建模时间，快速对钢架的结构强度进行分析判断，找到结构薄弱环节进行相应改进，对改进方案的有效性进行评估。

    无网格划分仿真技术是近期的一个热点，其特点是简单快捷、操作容易上手快，对操作人员的理论知识要求较低，且集合了拓扑优化功能，特别适用于产品设计的初期阶段，促进了CAE和CAD技术的融合，减少了CAE工程师一些简单重复的工作，能提高效率，加快产品设计流程。笔者前期还对类似软件SimSolid进行过体验试用，此次同时运用MeshFree和SimSolid对本问题进行分析，并将结果进行对比。

操作和分析过程

1、导入三维和选取材料

    MeshFree的操作较为简单智能，导入三维后，软件会根据零级间隙自动分析创建接触连接关系，而这在一般的有限元分析软件中往往是耗费时间精力较多的，对初学者是一个难点，SimSolid也有类似自动创建接触功能，正所谓英雄所见略同，这个功能很好，特别适合于焊接关系较多的零件或总成。

    MeshFree界面直观简洁，流程清晰，软件汉化程度高，笔者觉得这点优于SimSolid。按照软件的操作流程，整体导入三维和自动创建接触后，便是设置材料，此处不详述。在这一步，笔者发现材料库还支持设置非线性材料的定义，软件应该能支持材料非线性分析，这个功能待笔者日后体验。

2、设置边界、载荷，运行分析

    接下来的重点是“分析条件”步骤。需要分析吊具钢架的受力，并转换为MeshFree中的边界和载荷，本问题比较简单，具体设置如图2所示。 要注意的是，在施加集中力时，要搞清楚软件中“总和”的含义，在《MeshFree操作案例》中有解释：“总和：施加在所选面上的总力。如果选择了10个面，施加的总力为100N，那么每个面为10N”。笔者在试用时有所困惑，SimSolid也有这个问题。

    简单设置下“分析控制”（笔者采用默认设置），即可提交“运行分析”。稍等约40秒，计算成功，可以查看“分析结果”，笔者个人感觉MeshFree比SimSolid的计算速度稍快一些。

3、计算结果分析对比   

    在“分析结果”里，可以查看常用的位移和应力应变结果，也可以计算反作用力，选取“点值”。笔者计算的位移图如下图所示，同时附上SimSolid的计算结果进行对比，从变形云图和变形趋势看，两款软件的计算结果还是有可信度的。MeshFree计算的最大位移39.7mm，SimSolid计算的最大位移46.7mm，最大位移在同一点，因为笔者没有用有限元软件进行计算（PS:用了MeshFree后更不想用了，杀鸡焉用牛刀），所以暂时无法判断哪个结果更加准确。但由于MeshFree提供了能量误差分析功能，归一化总误差为7.89%（操作案例要求：为了提高结果可信度，归一化总误差控制在10%-15%以内），感觉结果更可信一些。不过，根据这两个计算结果都可以判定吊具钢架的变形过大，刚度不满足要求。

    同样的，两款软件计算的mises应力结果如下图所示，应力分布趋势是基本相同的，应力最大值位置都在挂钩立板的边缘上，600MPa左右。在后处理应力结果时，笔者发现了MeshFree软件很贴心的一个小功能，能在应力图例处标注出每个应力区间的比例（见下图左侧红色数值），从而反映出结构整体的强度情况和局部应力集中的程度，从而更好地对结构性能做出判别。

    需要特别说明的是，由于三维几何导入SimSolid时，部分区域的几何发生破碎缺面（下图红圈处），导致两款软件计算的该区域的应力分布不同，而这也可能是两款软件计算的位移结果差别较大的根本原因。从这点说，MeshFree对三维模型的包容性和解析能力更加优异。

    根据对钢架结构应力和变形趋势的分析，可以对钢架进行针对性的加强修改，直至有较大概率通过设计要求时，提交给CAE部门进行最终的强度计算校核（后续优化和最终分析过程略去）。

总结

    通过本次分析，快速的获取了驾驶室吊具钢架的结构刚度和强度，从而指导设计人员完成了对结构的改进。

    虽然笔者只进行了最简单浅层的体验试用，还有很多功能和模块未尝试体验，但MeshFree给笔者留下了很好的使用感受。通过同类软件对比，MeshFree突出体现出了界面简洁、流程清晰、操作简单、计算效率高、结果可信度高、结果可读性强、三维几何包容性强、程序成熟稳定的优势，在实际工程中有很强的实用性。

    为了保持产品的市场竞争力，产品开发的周期要求越来越短，对CAD设计和CAE分析的效率提升提出了更高的要求，CAD和CAE有交叉融合的发展趋势。无网格仿真分析是时下的热点技术，笔者以为它的目的不是最终取代有限元仿真技术，就如同仿真的目的不是取代试验一样，只是为了减少不必要的有限元仿真和试验次数，避免资源的浪费，提升设计效率。牺牲有限的精度，换取宝贵的时间，从这个角度看，相信MeshFree有着广阔的应用空间和发展前景。