设计仿真 | Simufact Welding焊接工艺仿真网格划分技巧

1    网格划分基本概述

对于每个有限元（FE）仿真而言，必须将连续工件空间离散化为有限数量的单元。这些单元代表了真实工件的质量、刚度等方面的物理特性。空间离散化也称为网格划分。通常，网格划分由网格生成器执行。网格对整个求解分析起着至关重要的左右，主要体现在以下几个方面：

01    网格数量影响到求解的精度和效率

常规来说，在电脑配置足够的情况下，网格数量越多，模拟得到的结果越为精确，但是当网格数量达到一定数量后，结果精度不再随着网格数量的增加而增加，并且求解时间也越久，通常情况下，我们需要平衡整个求解过程的求解效率和求解精度，这就需要我们控制网格数量。

02    网格类型影响计算结果

不同的求解类型需要的网格类型是不一样的，在焊接模拟分析中，我们常用的网格单元是六面体单元，但有时候也会因为模型的复杂程度，选择不同的采用四面体单元进行模拟分析。

03    网格连续性

在实际焊接过程中，各零部件间是相互接触的，可能随着焊接的进行而分离，在大部分模拟软件中，会要求保证各零件间的网格连续性，即节点耦合，但这不仅仅脱离了实际焊接过程中的情况，也会极大的增加焊接网格划分的工作量，在Simufact Welding软件中，其基于Marc的专业求解器，基于其优异的非线性求解分析功能和强大的网格自适应接触功能，能够使得各零部件间的网格不连续，即各零件间单独进行网格划分，无需进行网格连续的操作划分。

Simufact Welding的网格不连续功能

2    Simufact Welding网格类型

在Simufact Welding中，我们常用的实体网格类型共有4种，分别为：六面体 (7)、实心壳体（185）、四面体（157）、四面体（134）。

一般而言，六面体单元精度是最好的，同时单元数量也较少。但不是每一个几何体都适合用六面体单元来进行网格划分。如果因为几何形状的太复杂而不能创建六面体网格，则应该使用四面体（157）单元。四面体（157）单元在其中心多一个的节点，并且其他节点都具有附加的压力自由度。因此四面体（157）单元比四面体（134）单元更精确。

Simufact Welding软件还具有专业的网格划分工具，包括支持六面体Hexmesh网格、钣金零件的Sheetmesh网格、四面体单元的Tetmesh网格、单独针对环形零件的Ringmesh网格，用户也可以根据自身的实际情况，选择其他的网格划分工具，软件支持专业的网格格式，例如*BDF、*ARC等。

3    Simufact Welding网格细化功能

前文提到，为了保证零件的计算精度和计算效率，我们通常需要对网格数量进行控制，而常规的网格控制方法，即为局部进行网格细化和粗化。在Simufact Welding软件的焊接模拟过程中，我们通常只需要关注焊缝区域和热影响区域的网格质量，我们需要将这两个区域的网格进行细化，而母材区域的网格，我们则不需要进行细化，进而控制住整体零件的网格数量。

全局: 一个单元尺寸用于整个部件（最差案例）

局部:在焊缝附近局部细化

（较好, 但是对于长焊缝的大型模型，速度较慢）

自适应: 在使用Simufact Welding 时 模拟中自动细化 

 （较好，但是不要超过2个细化级别）

在常规零件模拟过程中，若网格数量较少，我们可以选择整体零件采用一种尺寸；但针对大部分焊接零部件，因为其模型较大，我们推荐在网格划分时，对焊缝区域和热影响区域进行网格细化，保证其整体网格数量，在时间和计算机允许的情况下，可以选择Simufact Welding软件的自动细化/粗化功能，能够极大的减少我们进行网格细化的工作；若网格数量特别巨大，例如＞50万时，推荐使用Simufact Welding软件的自动细化/粗化功能。

Simufact Welding软件还具有细化框功能，能够根据用户的手动设置细化框大小，自动细化局部区域。

Simufact Welding细化框

4    Simufact Welding网格划分原则

01   网格大小控制原则

在Simufact Welding焊接模拟仿真过程中，针对其网格划分，因为其模拟精度和质量主要依据于焊缝区域和热影响区域的网格，所以我们在进行相关工作时，主要基于下列两个原则：

1、组件厚度；厚度方面的问题,如果宽高比大于 1:8 ，即最小单元边到一个单元的最大单元边。如果超过这个宽高比，这个单元的刚度会很差，并且会产生不良的结果，并且可能会增加计算时间（模拟可能会变得不稳定）。常规在Simufact Welding软件中，我们推荐采用1:3以下的比例，适当的可以放宽到1:5。

2、焊缝/热源尺寸；为了捕获合理数量的积分点并具有恒定的瞬态模拟热通量，我们通常需要将单元尺寸调整为热源尺寸，遵循以下原则：宽度（b）: 2 - 3 单元 (每一边) 、长度（af+ar）：3 - 4 单元、深度（d）: 2 - 3 单元；

热源示意图

例如：

我们通过检查焊缝，发现其右侧焊脚高度为10mm、左侧焊接高度为15mm，此时我们可以选择：

1、焊脚为10mm的焊缝，我们可以选择网格尺寸为5mm或者3.3mm（即2~3层网格）；

2、焊脚为15mm的焊缝，我们可以选择网格尺寸为7.5mm或者5mm；

上述的方式，我们可以根据相应的原则来进行网格划分，但很多时候，因为焊缝较多且为了避免进行重复性的复杂网格划分，我们可以选择4mm作为折中的快速焊缝网格划分。

02   网格质量控制原则

较大的畸变网格或者不合理的网格大小比例，都会影响到Simufact Welding软件的模拟质量，因此在进行网格过渡、细化、接触区域网格划分时，需要进行注意，主要涉及到以下几点：

1、避免较大扭曲单元，这种类型的单元刚度系数较差，将会导致模拟不稳定，很容易产生网格穿透的畸变网格（单元的插值点将在单元外）。

尖锐网格

2、避免直接从焊缝处进行粗化过渡。如直接进行过渡，在模拟时该区域的温度梯度将会变得很差

焊缝处直接进行粗化过渡

合理平滑网格模拟结果

3、控制相邻网格大小比例≤2:1。若两个部件间的单元比率较差，模拟将会变得非常不稳定，可能会崩溃。

相邻网格比例过大

4、接触区域网格，避免双重交叉。因为Simufact Welding能够进行网格不连续的模拟分析，但在接触区域，若网格发生双重交叉穿透，也会影响模拟精度和收敛性，左侧为良好的网格接触情况，右侧为差的网格接触状态。

接触区域网格示例

5、避免模型间的干涉穿透。在实际的CAD模型中，容易出现模型间的穿透和交叉，再此情况下，我们需要进对CAD模型进行优化调整；

干涉模型

（海克斯康工业软件）

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