1.1 TrueGrid 功能及應用簡介

　　TrueGrid是一套優秀的、功能強大的通用網格生成前處理軟件。它可以方便快速生成優化的、高質量的、多塊結構的六面體網格模型。作為一套簡單易用，交互式、批處理前處理器，TrueGrid支持三十多款當今主流的分析軟件。使用TrueGrid 軟件可以僅僅花費數天時間便完成了使用其它網格生成軟件通常需要花費幾個月時間的工程項目。

　　TrueGrid 提供了工業界最先進的映射網格劃分功能, 使用戶快速完成他們想做的工作，迅速而有效地創建頂級優質的網格模型。TrueGrid基于投影幾何學的投影方法,免去了設計者指定結構體積詳細信息的需要，而這往往是其它CAD導向網格生成器所必需的。而且，這種精確的投影方法能夠處理復雜的幾何結構，表面和曲線可以有無限制的任意曲率。用戶只需選取表面，TrueGrid 會完成其余的工作。

　　TrueGrid創立的網格模型可以導入到有限元或有限差分軟件中進行模擬計算。TrueGrid提供了很多網格優化工具，例如多線性插值、無限插值、橢圓求解器。網格生成后，TrueGrid還提供了很多診斷工具輔助分析網格的質量。此外，TrueGrid不僅僅是一個網格生成工具，它還可以針對大多數分析軟件生成輸入文件。在TrueGrid中定義網格的同時，用戶可以指定有限元網格模型的物理特性、材料參數及其他與網格劃分無關的一些模擬參數。一旦完成了整個網格的劃分工作，TrueGrid會自動生成輸入文件。

　　圖 1 導彈彈體網格(上圖為外部網格，下圖為內部網格)

　　由于TrueGrid 出色的有限單元網格劃分功能，使它在航空航天、汽車、制造行業等結構有限元分析的前處理上得到了非常廣泛的應用。圖1為TrueGrid 生成的導彈彈體網格，模型分為內外兩層，網格密度從中心到外壁分為3個層次，在保證計算精度的基礎上降低了計算成本。

　　1.2 LS-DYNA簡介

　　LS-DYNA 是世界上著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時也可以求解傳熱、流體及流固耦合問題，在工程應用領域被廣泛認可為。

　　LS-DYNA求解器是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉動和大應變)、材料非線性(140多種材料動態模型)和接觸非線性(50多種)有限元程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主，兼有隱式求解功能;以結構分析為主，兼有熱分析、流體-結構耦合功能;以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能(如動力分析前的預應力計算和薄板沖壓成型后的回彈計算);軍用和民用相結合的通用結構分析非線性有限元求解器。

　　LS-DYNA在求解過程中，是以差分代替微分進行迭代計算，需要小的時間步長來保證計算穩定性。而時間步長的確定與單元的大小有著直接的關系。因此，高質量的網格對提高LS-DYNA求解的效率以及結果的精確性有很大的幫助。

　　1.3 TrueGrid 與 LS-DYNA的結合

　　在三維有限元仿真領域，六面體單元是受到一致的認同的首選單元。其原因在于與四面體單元相比，六面體單元具有更好的力學性能，達到同樣的精度，所需的六面體單元和節點數遠小于四面體單元，可以大大節省計算時間。

　　目前，六面體網格的生成主要由二維四邊形有限元網格掃描、拉伸、旋轉等幾何變換而形成六面體網格。這種方法難度低，比較容易實現，在當前大多數商業CAE軟件或前處理軟件中使用。但該方法缺點明顯：只能用于形狀簡單的結構，對于一些細部結構，如倒角、孔等無法處理，常常需要將細部結構刪除再進行網格劃分，或者將復雜結構大量簡化后再求解分析。而在工程應用中，一些細部結構常常起到如減小應力集中、改善應力分布的作用，去除細部結構進行建模的方法會對計算結果的準確性產生影響。

　　TrueGrid 使用先進的代數法網格生成技術，在網格節點分布上引入算法，將計算區域上均勻分布的網格，通過變換，映射為物理區域上的坐標。因此無論是大型零件，多體結合還是微小復雜的細部結構，都可以便捷快速地進行網格映射處理。此外，TrueGrid 還可以完成LS-DYNA前處理中，包括part定義，材料參數設置，邊界條件設定等工作。

　　圖 2 快捷的細微結構處理方法

　　作為通用的顯式有限元求解器，LS-DYNA可以求解撞擊、跌落、成形、爆炸等問題;TrueGrid是一種功能強大的專業六面體網格生成軟件，生成網格速度快、質量高，因此，利用前處理軟件TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結合可以充分發揮兩者的性能，為科學研究和工程應用提供強大的CAE平臺。

　　2. 應用實例

　　2.1 應用實例1——車輛后輪轂沖擊載荷下的應力分析

　　該實例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結合分析車輛后輪轂在復雜歷程沖擊載荷下的應力分布狀況。車輛后輪轂是影響車輛安全運行的重要零件，如圖3所示，因此利用CAE軟件對其進行全面分析十分必要，但由于后輪轂具有外形復雜，包含通孔、沉孔等細部結構，因此傳統方法是對它進行四面體網格劃分，這樣在相同的計算成本下，結果的精確就會受到影響。

　　圖 3 后輪轂實物圖

　　利用TrueGrid可以快捷地對復雜結構的車輛后輪轂進行六面體網格劃分。TrueGrid不僅僅生成網格，還可以完成LS-DYNA前處理中，包括part定義，材料參數設置，邊界條件設定等工作，生成完整的計算模型。如圖4-5所示，該模型網格共有32640個8節點六面體網格。將LS-DYNA格式的K文件導入解算器，利用體單元單點積分進行計算，結果如圖6所示。

　　圖 4 利用TrueGrid快捷地對復雜結構的后輪轂進行六面體網格劃分

　　圖 5 后輪轂六面體網格細節

　　圖 6 LS-DYNA的計算結果

　　2.2 應用實例2——彎管加工大變形過程模擬

　　薄壁彎管件在航空航天、石油化工和汽車工業等重要領域具有廣闊的應用前景。薄壁管數控彎曲成形技術能夠實現管塑性彎曲過程的智能化和自動化，在航空航天、船舶工業等高科技領域占有十分重要的地位。

　　以圓管90°模具繞彎加工為例，在TrueGrid中建立幾何以及網格模型，定義剛體模具材料屬性以及變形彎管的材料屬性，定義part間的運動關系以及邊界條件。此網格模型包含了4個part，3600個變形體殼單元以及680個剛體殼單元。TrueGrid前處理完畢后即生成K文件，通過運行LS-DYNA求解器，調用K文件即可對該模型進行求解計算。圖9中顯示了該模型的計算結果。

　　圖 7 彎管設備

　　圖 8 網格劃分

　　圖 9 LS-DYNA計算結果

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　　2.3 應用實例——鋼結構動載下變形過程分析

　　該實例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結合，分析鋼結構在復雜歷程載荷下關鍵位置的變形和位移的大小。鋼結構件通常是由簡單的梁、管等組件組合而成的結構，如圖10所示。就組件而言，受力狀況比較簡單，因此使用殼單元是理想的選擇。但如果組件由工字梁等構件組成，則規則的4節點四邊形殼單元網格的劃分就比較困難，尤其是接頭處，網格的對齊是傳統軟件難以做到的。

　　利用TrueGrid就可以快捷地對復雜結構的桿結構件進行規則的四邊形網格劃分，并進行材料參數設置、邊界條件設定等工作，生成計算模型。導入LS-DYNA后，利用面內單點積分進行計算，結果如圖13所示。

　　圖 10 工程中的鋼結構

　　圖 11 鋼結構模型網格

　　圖 12 鋼結構模型網格細節

　　圖 13 LS-DYNA計算結果

　　圖 14 LS-DYNA計算結果：關鍵位置的變形歷程

　　2.4 碰撞實例——鳥撞模擬

　　鳥撞飛機風擋響應分析是經典的顯式動力學問題，也是飛機風擋設計中不可或缺的CAE仿真分析。利用仿真進行撞擊過程的模擬，可以節約高昂的試驗費用，加速了產品設計過程，在航空工業中得到廣泛的應用。該模型也是運用LS-DYNA進行動力學分析的經典實例。鳥體以兩端半球體，中間圓柱體的形狀來模擬。鳥體端面半球體由于是接觸面，因此做成O型網格(蝶型網格)。風擋為曲面造型，其網格模型如圖15所示。利用LS-DYNA計算后，計算結果如圖16所示。

　　圖 15 鳥撞模型網格

　　圖 16 LS-DYNA計算結果

　　2.5 實例分析5——活塞聯桿機構瞬態載荷模擬

　　該實例為TrueGrid與顯式求解器LS-DYNA相結合分析活塞聯桿機構在沖擊載荷下的變形過程。活塞連桿機構，如圖17，部件繁多，結構復雜，無法利用常規的拉伸，掃描等方法實現規則的六面體網格劃分。另外，在進行網格無關性檢查時對網格疏密進行調整，或是對幾何尺寸局部改動后重新生成網格，通常需要耗費仿真工程師大量的時間精力。

　　圖 17 活塞聯桿機構實物

　　利用TrueGrid可以快捷地對結構異常復雜的活塞聯桿機構進行規則的六面體網格劃分(圖 18)。圖示模型包含了24個圓柱和平面，網格分成9個部件，共生成7,488個節點、271個殼單元和3,560個實體單元。此外，TrueGrid提供的密度參數化控制功能，通過直接調整參數值，就可以一步到位地調整模型尺寸或網格疏密，大大提高了工作效率。圖18是活塞聯桿機構的粗網格模型，通過切換參數，就可以迅速生成圖19和圖20所示的中等密度網格和較密網格模型。在TrueGrid中完成LS-DYNA前處理設定，包括part定義，材料參數設置，邊界條件設定等工作，生成完整的計算模型。該模型在顯式求解器LS-DYNA中的計算結果如圖21-22所示。

　　圖 18 活塞聯桿機構模型(粗網格)

　　圖 19 活塞聯桿機構模型中等網格

　　圖 20 活塞聯桿機構模型密網格

　　圖 21 LS-DYNA計算結果

　　圖 22 LS-DYNA計算結果

　　3.總結

　　TrueGrid優秀的、功能強大的網格生成功能與LS-DYNA通用顯式有限元求解器相結合，可以求解任意模型，特別是復雜模型的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，及傳熱、流體及流固耦合問題。TrueGrid生成高質量的六面體網格，使LS-DYNA求解精度進一步提高，它們的結合為科學研究和工程應用提供強大的仿真分析平臺。