SimLab 是一款面向流程的有限元建模软件，尤其适用于实体单元建模。该软件包含经过良好规划的各种流程，有助于大幅提高工作效率。

当您的企业准备购买ALTAIR的Simlab软件做结构仿真，是否遇到以下顾虑？

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SimLab 可以帮助用户快速准确地对最复杂组件的工程设计难题进行仿真。该软件可以自动执行仿真建模任务，无需手动创建有限元模型和解释结果，因此能够减少人为错误并缩短所需时间。SimLab 并非传统意义上的前/后处理软件，它是一个垂直应用开发平台，可捕获并自动执行仿真过程。具有无与伦比的优点：

功能强大的高效建模方式

• 可提高建模可重复性和质量

• 可在 CAD 中直接识别几何特征，例如圆角、垫圈或汽缸。

对复杂组件可进行自动建模

• 网格划分

• 零部件的装配

• 为组件的匹配表面生成网格

• 零部件连接

可消除繁琐的 CAD 几何清除任务，避免几何转换错误

加快复杂组件的 CAE 模型开发

• 使用基于高级模板的网格划分流程

• 无需手动清理网格

• 简化载荷和边界条件的定义和生成

简化模型和组件的修改

• 替换零部件

• 在实体模型中添加或修改肋

• 更改圆角/气缸/孔的属性

• 局部实现模型变形

1 概述

       船用柴油机相比车用发动机尺寸较大，整机机体重量可达几吨。机脚作为连接机体和大地的部件，承受较大的静态载荷，设计余量一般要较为充裕以保证强度和刚度需满足要求。

       某柴油机由于重量指标限值，需对机脚等非关键件进行减重优化。本文采用模态分析方法，评估机脚薄弱位置，在刚度不明显下降的条件下尽可能实现更多的减重。

       对于需要控制网格质量、特征繁多的零件以及快速调整有限元网格时，SimLab软件相比传统前处理表现非常出色，优化方案的网格划分效果立竿见影，网格质量能自动调整直至满足要求，极大的提高了分析效率。

       HyperView作为应用广泛的后处理软件，操作界面简洁易用，后处理功能强大，能够实现不同分析步结果的函数运算，为设计改进提供充分依据。

2 计算模型

       机脚仿真计算主要从刚度角度进行评估，仿真模型应尽可能与实际情况一致，因此需要绑定机脚与机体、主轴承盖，约束机脚底部螺栓孔自由度。

       2.1 机脚网格划分

       机脚采用四面体进行网格划分，节点数33479，单元数67788。机体与主轴承盖模型节点数303750，单元数608854。图1为采用SimLab划分的机脚网格，机脚螺栓孔处周向网格均能保证六层，满足质量要求。

图1 Simlab划分机脚网格

       2.2 材料属性

       机脚和机体均采用球墨铸铁，材料参数如下：

       弹性模量：210GPa 

       密度：7.85e-9T/mm³ 

       泊松比：0.3。

3 计算结果 

       模态分析法应用广泛，可评估部件是否会发生共振，并根据振型以找出薄弱区域。一般模态分析结果显示为位移振型图，如图2所示。当工程师经验欠缺时，无法直接提出优化方向，只能通过观察变形较大位置，间接评估薄弱区域，工作效率较低。

图2 HyperView显示机体机脚前六阶振型

       为解决此问题，引入应变能概念评估机脚模型。应变能指物体变形过程中储存在物体内部的势能，利用振型和刚度计算得到的应变能为模态应变能。模态应变能可以显示在每模态振型下吸收能量最集中的部位。第i阶模态的单元应变能（MSE）定义如下：

       其中，u_i为第i阶模态振型，K_e为单元刚度矩阵。

       根据公式可看出，模态应变能越高，局部位移越大，结构的刚度就越低。当受到与振型一致的激励时，高应变能位置更容易产生变形。根据应变能云图可直观的找出部件薄弱部位，有针对性的加强该处的设计或减重优化。图3为在HyperView中查看应变能。

图3 HyperView中查看应变能

       图4为各阶模态的应变能云图，应变能较大且分布集中的区域，即为刚度薄弱区，灰色区域应变能相对较小，应变能很小的区域可考虑进行减重。应变能云图在多方案对比时指导意义较大。

图4 HyperView中前六阶机脚应变能云图

       在方案对比时，前六阶模态的振型和应变能分布可能有不同，此时若对比每一阶的应变能分布，操作繁琐且非常不直观。通过在HyperView中采用数学公式将前六阶应变能进行叠加，可以明显得到应变能之和的分布，如图5所示，若叠加后应变能很小，表明可考虑去除材料进行减重。

图5 HyperView中前六阶应变能叠加云图

4 方案优化

       SimLab基于网格特征进行建模的，可在已有有限元模型上直接进行特征编辑并得到高质量网格。如机脚优化中，主要采用了增加孔特征、减薄平板等功能得到优化方案。图6中基于有限元网格直接增加圆孔特征以及调整薄板厚度，能够得到用于计算的网格模型，而不需要在CAD模型中进行编辑修改重新导入，这大大简化了原有操作流程。

图6 SimLab增加圆孔特征、调整板厚

       图7为基于以上方法的优化方案过程，最终减重235kg，相比参考方案，刚度未明显降低，设计方案达到目的。

图7 Simlab划分机脚网格

图8 优化方案刚度对比

5 结论

       基于SimLab软件可快速获得有限元网格，并直接基于网格调整方案，工作效率明显提高；通过HyperView能够将不同分析步间的计算结果进行数学计算，得到的累加应变能结果能够直接指导结构优化设计，为设计人员充分提供依据。