面向超大規模結構的無網格分析軟件Altair SimSolid，自從面世以來，受到廣大工程師的關注。SimSolid 是面向設計師、工程師和分析師的顛覆性仿真技術，可在幾分鐘內對結構復雜的 CAD 裝配體進行結構分析。它消除了傳統結構仿真中非常耗時、非常專業且非常易出錯的兩項任務：幾何準備和網格劃分。

1、SimSolid技術原理解析

SimSolid技術利用復雜多項式和非多項式函數逼近求解域。它是傳統有限元分析的一種替代方法，在傳統有限元分析中，近似值是由通用單元構建的原始插值多項式實現的，這些通用單元僅限于六面體、四面體、五面體等具有規則外形的幾何體。SimSolid將應用函數類顯著擴展到適應于特定求解方案的函數，包括先驗的、滿足某些求解特征的函數，如不可壓縮條件、平衡方程和特殊幾何特征的漸進分析等。外部相似數學理論的突破性進展，可以將基函數與基礎幾何形狀解耦，使得智能基函數調節成為可能。最終的求解函數是在求解序列中從通用集中動態構建的。通用集總是完備的，它們的近似屬性在所有的變換中都保持不變?；瘮档倪@個屬性使得自適應策略的開發成為可能，它可以根據需要對局部區域中的通用集進行細化，以提高數值求解的準確性。在SimSolid中，數值方法基本概念的擴展包括重新定義自由度（DOF）的基本概念。SimSolid中的自由度（DOF），不是傳統有限元分析中固有的點自由度（DOF），而是以體積、面積、線云、點云的形式提供幾何支持的函數，使SimSolid具備處理幾何缺陷和裝配接觸缺陷的能力，如間隙、穿透和不規則接觸區域等。

2、 傳統有限元建模誤差的來源

在設計過程中實施仿真分析，意味著將以分析結果為依據進行設計決策。因此，采用可預測精度的分析工具就顯得非常重要。因為數值計算本身就是近似計算，在建模過程中也存在許多誤差源，所以分析結果驗證是個非常復雜的問題。主要的誤差源包括：建模誤差和近似誤差。建模誤差主要由幾何處理過程產生。在采用傳統有限元分析時，需要將CAD幾何結構簡化，以更好地劃分網格，這些操作將引入一定的誤差。幾何處理過程有很多步驟，比如裝配體簡化、去除零件的幾何細節特征、面簡化處理、幾何面清理等。將連續結構體成功地轉化為網格是進行傳統有限元分析的先決條件。即使僅僅關心全局位移，也需要對一些非常小的幾何細節進行網格剖分。此外，劃分網格需要使用合適的單元類型和單元形狀（沒有畸變，長寬比合適），還需要足夠的單元數量模擬預期的應力模式。對于復雜的零件來說，達到這些質量要求是非常困難的。自適應網格重新劃分可能會滿足數值求解要求，但在許多情況下是不實用的，在設計分析中也并不常見。對于裝配體來講上述問題會更加突出，為獲得有意義的分析結果，接觸區域的網格不但是可共用的，而且還要求很好的質量。對于多尺度裝配體來說，這一要求在實際上是不可能到達的，裝配體中大的零件要靠小的零件來連接，如螺帽、螺栓、鉚釘、銷等。

圖1

裝配體簡化也往往取決于求解方法。圖2為一些小零件簡化方式的示例，在進行靜力學分析時，這些零件可以被簡單地刪除，但在動力學分析時，為不改變結構的質量分布，這些小零件需要等效為質量點或者具有6個轉動慣量的等效物體。傳統有限元分析中，連接件按特殊單元建模也會引入誤差。螺栓和焊縫的問題在于需要特殊單元和網格模式才能對它們進行充分的建模。圖1中左圖是用梁單元和支撐桿代替螺栓的連接簡化示例。

圖2

最后的障礙在于模型求解。即使幾何模型能夠成功地劃分網格，找到求解方法仍然存在不確定性。利用傳統有限元分析方法時，即使對復雜幾何結構劃分完網格，也會因模型太大導致計算時間過長，或者因單元質量差導致數值計算不穩定。在傳統有限元分析流程中，要控制這些可能的誤差源非常復雜，需要耗費大量的經濟成本和時間成本對工程人員進行培訓—再培訓。不經常進行仿真模擬時，問題尤為突出，因為沒有正確地使用用戶界面流程導致的錯誤是非常常見的。

SimSolid軟件雖然是個新的分析工具，但是它經過了Altair公司和其他各工業領域公司廣泛的測試，并編制了驗證手冊，其中包括標準質量驗證流程的一部分測試。下圖為其中的一個驗證手冊中的一個例子——拉伸載荷下的帶孔薄板受力分析。

圖3

3、總結
為使仿真能夠實現地驅動設計，在工作中需要每一個概念設計和設計修改同步進行。傳統有限元分析方法的復雜性限制了它繁瑣設計條件之外的應用。對設計幾何的直接仿真，可以為工程技術人員提供一種快速、有效的技術手段，從而獲得更好設計方案。SimSolid軟件可以提供這樣的技術手段，不但避免了耗時且需要廣泛專業知識的幾何簡化，如去除幾何細節和抽取中面，而且從根本上不用網格。

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