火炮高刚度上架的结构设计与分析+有限元模型(6)
3 上架的静态刚强度分析
3.1 上架网格划分
3.1.1 网格划分原则
网格划分是有限元分析的基础，网格质量直接影响计算结果的精度。在划分网格时，实际问题往往受到很多因素的影响，若是一一考虑，可能导致工作量成倍增加，甚至迷失了主要方向。所以，在真正建立模型的时候，必须做出相应的简化，忽略掉次要因素，抓住主要矛盾。建立有限元模型的时候要考虑划分网格的一些原则：
1）选择合理的物理模型
火炮上架的网格划分采用了实体单元、壳单元和刚性单元等多种类型单元相结合的方式。不同类型的单元具有不同的自由度、截面属性、数学描述和积分方式，输出的变量也不相同，这不仅对仿真结果的影响很大，而且，也影响到建模的难易程度。由于实体单元可以通过其任何一个表面与其它单元相连，因此能够用来模拟具有任何形状、承受几乎任意载荷的结构。壳单元用来模拟一个方向的尺寸（厚度）远小于其它方向的尺寸，并且沿厚度方向的应力可以忽略的结构。刚性体通常用于模拟非常坚硬的部件和变形部件之间的约束。
（2）选择适当的网格数量
网格数量的多少直接影响有限元模型的规模，同时也在一定程度上影响计算结果的精度。一般情况下，网格数量越多，仿真的精度也就越高，需要的运算时间越长。当网格足够多时，近似解趋向于真实解，此时，再通过增加网格数量的办法来提高模型精度，其效果已经不明显，反而会迅速的增加求解的时间。因此，对于复杂的模型不可能无限制的增加网格的数量，对这两种因素要综合考虑。
（3）控制网格的疏密分布
网格疏密分布是指根据需要在结构的不同部位网格的密度分布不同。一般情况下，尽量使用均匀分布的网格。均匀分布的网格不但网格质量好，而且结果分布合理。但是在一些计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中区或特别关注区），为了很好地反映局部响应的变化特点，应该采用较密的网格。对于一般的区域，为了减少计算时间，可以采用稀疏的网格。
（4）满足网格的质量要求
网格的质量对计算精度影响很大，较差的网格无法得到满意的结果，甚至可能中止计算。网格的质量是指其形状的规则性。主要有雅可比（jacobian）、长宽比（aspect ratio）、翘曲度（warpage）、偏斜度（skew）、内角（angle）等几个性能指标。在实际的有限元分析中，对单元的质量指标有一些具体的要求，当所有的单元或绝大部分单元达到这些指标时，仿真分析的结果才具有可信性。
（5）选择良好的单元形状
实体单位的形状有优尔面体、楔型体、四面体等，板、壳单元一般有四边形单元和三角形单元，优尔面体单元和四边形单元在模拟计算时具有较高的精度，并且所需时间比较少，因此仿真过程中尽量使用优尔面体单元和四边形单元或者相应的等参单元。对于形状不规则的区域，无法使用优尔面体单元或四边形单元时，可以使用少量的四面体单元和三角形单元。
（6）不同类型单元之间的过渡
建模时，需要采用多种类型单元相结合的模式。不同类型单元的节点自由度和节点配置会出现不一致的情况，为了保证不同结构在边界面上的位移协调，实体单元与壳单元采用在实体单元上增加一圈壳单元的方式相连(如图3.1)，壳单元与壳单元之间采用共节点连接方式。
图3.1 单元类型过度示意图
3.1.2 HyperMesh软件
HyperMesh软件是美国Altair公司的产品，是杰出的有限元分析前、后处理平台，拥有全面的CAD和CAE求解器借口、强大的几何清理和网格划分功能，能够高效的建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，其实体几何和实体网格划分功能已成为了优尔面体和四面体网格划分功能的新标准。
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