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1HyperWorks基础培训 作 者：汪 谟 清 校 核：李 戈 操安徽合力新技术研究所CAE室HyperWorks基础培训1、HyperMesh基础知识介绍 1）单元类型介绍 2）常用基础操作介绍 3）网格划分技巧介绍2、Optistruct求解器分析步骤介绍 1）静力学结构分析 2）模态分析 3）优化分析 4）疲劳分析HyperMesh基础知识介绍1、三维模型的导入 1）iges格式导入的模型是面的形式，其他的格式导入的为体的形式。2）模型导入之后，可能存在缺陷，这就需要几何修补，几何修补主要操作有：1）geom-defeature和quick edit 3）中面的抽取 GeomMidsurface 4）单位制的问题，HyperWorks没有具体的单位，应当保持单位的一致性 5）模型的分批导入，这需要在三维软件里装配好，也即确定好几何模型的相对位置。分批导入有利于网格的分批划分。HyperMesh基础知识介绍划分好网格的有限元模型的导出 一个很大的模型，网格划分的工作量很大，所以，这部分工作往往是多个人同时进行的，每个人负责某一部分的网格的划分，网格的位置是由导入的模型的各零部件的位置决定。所以每一个人划分好单个零件的网格之后，就可以导出，这个网格的位置与零件在装配体中的位置是一致的，导出时只要导出网格单元，而不需要导出几何。这样将划分好网格的所有零件同时导入，他们的位置完全与装配体一致，然后将建立每个零件的连接关系即可。这样就可以加快工作效率。HyperMesh基础知识介绍HyperMesh基础知识介绍Components：1）存放导入模型的几何、包括形状、尺寸、位置等 2）对导入模型划分网格、该网格存放在里面。提示：导入的模型划分好网格后，该网格到底存放在哪一个Components里面。软件自动设置为存在当前Components里面，所以，在对某一零件进行网格划分时，先将要划分网格的该零件设置为当前Components。当然，对于那些相同特征（如：采用单元平移、映射得到的单元网格，所有的RBE2单元、焊接单元、螺栓连接单元等）都可以放在一个自己新建的Components里面。这样有利于查找和修改，也便于整个模型的整理。HyperMesh基础知识介绍移动修改单元的Components 首先将当前的Components转化为需要的Components。点击dest将选择需要的Components。然而，默认情况下是当前Components，所以你先转化了Components之后，这里出现的就是需要的Components，直接操作即可。HyperMesh基础知识介绍Properties操作操作 1）在建立Properties之前，首先建立Material(对于1D、2D、3D都需要)（也可以在之后建立），将分析模型中所涉及到的所有材料全部先建立好，设置好参数。2）对于1D单元，如梁单元，还需要建立梁单元的横截面形式，对于那些将螺栓、销等简化为梁的形式的零件很有用。后面将详细讲解1D单元的建立方法。单元类型介绍一、1D和0D单元二、2D和3D单元单元类型介绍单元类型介绍Mass单元 通过在质心位置的节点上赋予一质量来模拟零件的质量。如：在不考虑轮胎受力情况下其应力的情况，也即不考虑轮胎受力后的反应。可将轮胎的总质量按照用质心处节点赋予质量来模拟。单元形式主要有：Conm1：在某节点定义质量矩阵Conm2：某节点定义质量。这个最常用。单元类型介绍RBE2、RBE3单元 首先分析两者的区别：主要是“主点”与“从点”的区别。RBE2的建立方法：1D-rigids，通过选择一些节点，就可以建立了。同时，可以定义改RBE2的约束。RBE3的建立方法：1D-RBE3，采用相同方法建立。单元类型介绍左图是错误的右图是正确的单元类型介绍Bars单元和Rob单元区别：Bars可以用来模拟梁的弯曲，而Rod只能模拟承受“拉伸 和压缩”的受力分析。对于Bars单元，必须建立梁的横截面。横截面的建立：1DHyperBeamstandard Section HyperBeam的操作：单元类型介绍首先，梁截面的方向Y、Z已经由建立横截面时确定了，这里需要确定的就是在CBeam处确定坐标方向，当然该坐标轴方向的Y、Z方向将与横截面的Y、Z方向是一致的。nodeA与nodeB确定了X轴的方向，方向为A到B。在nodeA附近选择一个direction node，该node将与nodeA决定另一方向。（在direction node下面的按钮，你选择的是Y direction 那么就决定了Y方向，如果你选择了Z direction那么就决定了Z方向），方向为nodeA指向node。单元类型介绍Spring(弹簧、阻尼器的建立)Cdamp1需要另外建立一个Properties，然后输入阻尼值。Cdamp2不需要建立Properties，直接可以输入阻尼值。CELAS1需要建立Properties，建立弹簧CELAS2不需要建立properties。要建立三个方向（X、Y、Z）的刚度弹簧，就需要建立在同一个位置建立三个弹簧，因为弹簧的建立时，只能对某一个方向建立弹簧。阻尼器的建立：1Dspring，当然必须先将Element Types选择为CDAMP2或CDAMP1。单元类型介绍弹簧的建立方法：选择不同的两个节点建立，这个比较简单，不予介绍。在某一个节点处，创建另一个节点，通过这两个点建立弹簧。这里介绍（2）的操作过程：GEOMNodesType in选中已有的某一节点A，左键点击该节点，然后点击“as node”，点击“Create node”返回即在节点A创建了一个节点由于这两个节点重合于一处，不做任何操作是无法看出这两个节点的。所以必须使用工具使之清楚查看这两点，才能建立Spring。因为建立Spring需要两个节点。按O键（Operation）Graphics点击右侧的Coincident picking单元类型介绍Gap单元间隙伪单元（gap单元）能较好的反应“大面积接触区域性”的特点，提高求解的精度。Gap单元在有限元接触问题中易于建模，且gap单元易于理解，即把gap单元看作是线性弹簧。通过周围单元的刚度来确定Gap单元的弹性刚度K。单元类型介绍采用不同的单元，计算结果是有差异的！例如：150mm长、2.5mm宽、5mm高的悬臂梁端面施加5N的集中载荷。材料：E=70Gpa U=0理论计算结果：自由端挠度为3.09mm单元类型介绍单元选择一般规律：单元类型的选择要与单元变形的形式相对应，才能得到很好的结果。面单元最好采用长方形单元（rectangular quad）根据具体情况选择一阶单元还是二阶单元。一般情况，对于弯曲、扭转的情况采用二阶单元，计算结果更理想。而对于拉压的情况，两者的计算结果相差不大，但是二阶单元由于节点数增多，计算时间将增加。对于采用三维实体单元进行计算的有限元模型，单元网格最好是要采用完全规则的六面体单元。对于无法用六面体单元网格的实体，应采用二阶的三角形单元进行分析。常用基础操作介绍Shift+F2 删除临时节点F3 节点重合操作Shift+F3 检查同一边上节点是否重合（边上节点重合）F4 点或节点距离测量、添加中间节点。确定圆心Shift+F4 单元、节点、几何等的平移F5 隐藏（对于网格出现问题是，有利于检查）F7 对节点进行操作Shift+F7 投影操作F8 建立节点Shift+F9 切割操作F10 网格检查F11 quick edit（快速编辑）主要用来几何操作F12 网格划分Q键 单元（网格）优化常用基础操作介绍（1）集合的建立（sets）在计算多种工况时，由于约束或载荷区域有多种可能，这时可以将这些所需要的区域设置成一个集合，而每次加载时直接选择该集合即可。这样就很方便的进行加载或约束了。如建立中间加载区域、整个平面加载区域、偏载区域、轴约束等等都可以通过建立集合来方便的进行加载。建立集合（Sets）：AnalysisEntity Sets常用基础操作介绍1、载荷和约束 载荷和约束都是通过Load collector来进行建立的。但是载荷与约束必须放在对应的load collector。这就要求当前的load collector为要与之相对应。提示：经常出现的错误就是将载荷与约束放在了同一个load collector里面了，这在计算时将出现错误信息。2、同一有限元模型可能存在多个载荷（即多个load collector）并且同一有限元模型的约束位置的约束自由度是不相同的。但是在建立Load step时，只能选择一个载荷和一个约束。这些问题将如何处理？常用基础操作介绍多个载荷的组合首先采用一般方法建立多个载荷，如：Grave、fullpl-load、load-midd。然后将这些载荷进行关联。选择Card image为Load，并进入edit对话框。常用基础操作介绍这里s、s1（）为系数；l1（）为先前建立的load collector这样关联起来的load就可以将多载荷带入load step了。但是对于约束，同一有限元模型的不同位置处的不同约束不能通过上面的类似方法进行操作。常用基础操作介绍力的加载（1）采用Rbe3，在需要的区域处作一个Rbe3，将总力作用到Rbe3上，通过Rbe3将总力分配到各个节点上。（2）采用force加载。可以将该区域的所有节点设置为一个集合Sets，并且计算出每个节点受力大小。以该值作为所加力的大小。但是，如果该区域的网格重新划分了，那么就要重新加载。（3）采用Pressure（压力）加载。力施加的是节点，而压力施加的是单元。这里同样可以将区域的单元作为一个Set。同样，网格重新划分时加载也要更新。常用基础操作介绍（4）采用Map方法 如果载荷是作用在几何上，那么网格重新划分与其无关。但是应作另一操作。即将几何上的载荷Map到已划好网格的对应区域的单元上。AnalysisLoad on Geom选择想要的载荷，然后点击Map Loads即可。常用基础操作介绍约束的建立 约束的建立步骤：1、首先将需要约束的位置全部约束为6个自由度，必须是所有要约束的位置同时建立约束，而不是分别建立。2、然后通过Updata来修改约束，使得所有约束满足要求。3、如果建立的约束在界面上没有显示，可能有几个原因：1）如下图的label constraints选项没有被勾选；2）spc的load collector单元被隐藏。常用基础操作介绍1、焊缝的处理，通常采用的方法有：1）通过rbe2进行连接；2）节点重合处理；3）采用梁单元来模拟焊缝。2、模型的运动关系的处理：通常是通过rbe2和梁单元共同来模拟，通过释放自由度来实现运动关系。3、力的加载区域的建立：一般是通过平移节点来得到需要的区域大小网格划分技巧介绍1、巧用F7修改倒角处网格，另将节点拉直在一条直线上，再对其他区域进行网格重划，得到较好的网格质量。2、shift+F7进行网格的投影（平面、曲面、线）3、shift+F4和reflect进行相同几何的网格复制4、采用detach对局部区域的网格remesh，保持另一部分的网格不受影响5、采用rule、element offset、edit element等来修补缺失的单元网格6、对于T型的结构，可以通过节点重合来模拟焊接，而对于平行面的网格，最好通过Rbe2连接模拟焊接。7、通过spin功能建立旋转的网格，这对于厚度变化的实体有很大的作用静力学分析静力学分析属于线性分析，进行静力学分析时需要的条件只有：1、约束卡片2、载荷卡片 静力学分析既然是线性分析，那么就符合线性的性质。对于分析结果可以进行线性叠加。如：在相同模型和约束的条件下，5N载荷作用下的分析结果+10N载荷作用下的分析结果=15N载荷作用下的结果模态分析模态分析所需要的条件如下图所示：1、约束卡片2、模态提取卡片 模态提取卡片Eigenvalue Extraction（特征值提取），在HyperMesh中作为一个载荷集定义，这个载荷集不包含任何载荷。模态分析是线性分析，对于非线性行为全部忽略。模态频率响应分析整体思路：Load StepsSpcRloadFreq1Eigrl作用的单位载荷Tabled1定义的单位载荷的频率变化响应求解时的频率系列模态提取的频率范围作频率响应分析时，作用力的幅值大小毫无关系，主要是频率变化情况，所以作用力的幅值采用“单位载荷”。模态分析小结对于模态分析而言，由于外激励的响应信号不可能是很规则的直线或曲线，而且，由实验得到的响应信号数据量很大，并数据非常的不规则。如果采用建立Tabled1的方法，逐个的输入数据，很显然是不合理的。这就需要将数据整体导入。1、将实验测试的数据（如发动机振动信号、发动机传递给车架的振动信号）进行处理，并存为.txt格式的文件。2、导入该文件的数据 utilityFEA在TOOL下面选择TABLE Creat3、在弹出的对话框中选择TABLED1，选择next4、选择.txt文件即可。结构优化设计基础Optistruct结构优化设计基础Optistruct概念设计优化用于概念设计阶段，采用拓扑（Topology）、形貌（Topography）和自由尺寸（Free Sizing）优化技术得到结构的基本形状。详细设计优化用于详细设计阶段，在满足产品性能的前提下采用尺寸（Size）、形状（Shape）和自由形状（Free Shape）优化技术改进结构。拓扑、形貌、自由尺寸优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化得到更好的方案。最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻、而性能更佳。结构优化设计基础Optistruct优化设计三要素：设计变量、目标函数和约束条件设计变量：是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数目标函数：要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数。约束条件：对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。结构响应：用来定义优化的目标和约束条件。结构优化设计基础Optistruct加权柔度（Weighted Compliance）加权柔度：是在典型的拓扑优化中用于考虑多个子工况（载荷步、载荷工况）的一种方法。该响应是每个子工况（载荷步、载荷工况）的柔度加权和。这是一个对整体结构定义的全局响应。柔度：是结构的应变能，可以认为是“结构刚度的倒数”。Optistruct拓扑优化设计空间与非设计空间 在进行拓扑优化时，有时有些安装位置是不能改变的，那么这些安装位置在拓扑优化时是不能被去除的，需要保留这些需要保留的位置称为“非设计空间”。而其他的称为“设计空间”。很显然，“非设计空间”不参与模型的拓扑优化，只有设计空间参与。而设计空间的所有单元将作为拓扑优化的“设计变量”进行优化。由上图可以得出：要将“设计空间”赋予一个“设计变量”，则必须有一个“Properties”。而“设计空间的所有单元”将放在同一个“Properties”里面，也即要放在同一个“Components”里面。所以，要区分“设计空间”与“非设计空间”，就需要将“设计空间”单元与“非设计空间单元”放在不同的“Properties”里面（也就是要放在不同的Components里面）。Optistruct拓扑优化OSSmooth工具（Post-Ossmooth）利用Optistruct软件中的OSSmooth工具，可以将拓扑优化结果生成为IGES等格式的文件导出，并可以输入到CAD系统中进行二次设计。导入拓扑优化结果的是.fem文件。而导出格式如下图所示。Optistruct拓扑优化应变能单工况拓扑优化与多工况拓扑优1、单工况应变能拓扑优化：结构响应Responses，选择为Compliance。在建立目标函数时，要求选择Loadstep，当然只能选择一个载荷步。Optistruct拓扑优化2、多工况应变能拓扑优化：结构响应Responses，选择为Weighted Compliance。在建立结构响应时，就要求选择载荷。这些载荷步是按照加权应变能的形式进行加载的。通过加权应变能系数来设定某种载荷所在的比重大小。Optistruct尺寸优化尺寸优化：是Optistruct中提供的一种优化方法，是设计人员对模型形状有了一定的形状设计思路后所进行的一种细节设计。它是通过改变结构单元的属性如壳单元厚度、梁单元的横截面属性、弹簧单元的刚度和质量单元的质量等以达到一定的设计要求（如应力、质量、位移等），虽然这些不是设计变量，但其属性可以定义为设计变量的函数。Optistruct尺寸优化Size创建尺寸优化的设计变量 将设计变量与对应的属性连接（Generic Property）gauge 综合了上面的两步Devar link 若设计变量之间有相关性，则需要建立设计变量关联 Optistruct尺寸优化 如果两个尺寸设计变量的尺寸间有一定的关系，如厚度保持一致、成倍数关系或成一表达数关系。这时，Devar link就起到很大的作用。Dlink1设计变量间一般的关系（线性关系）Dlink2设计变量间的非线性关系（三角函数关系、求和、平均等）如果要求设计变量是离散型的，那么需要建立DDVAL卡片。建立该卡片的GUI过程为：AnalysisOptistructdiscrete dvs。在尺寸优化时，建立的“设计变量”要与该卡片进行关联，将“ON ddval”切换成“ddval=”。并选择建立的离散卡片。Optistruct形状优化 在形状优化中，优化问题的求解通过修改结构的“几何边界”实现，在有限元中，形状通过节点的位置确定，因此修改结构的形状也即修改网格节点的位置。在HyperMesh中，通过HyperMorph实现网格变形。Optistruct通过HyperMorph进行区域变形，在形状优化中建立形状变量。HyperMorph是一个内嵌在HyperMesh中的网格变形模块，通过它，可以使用多种交互式的方法改变网格形状。节点移动后，HyperMorph可以创建设计变量卡片和节点移动卡片，将修改后的网格保存为形状扰动，与形状优化的设计变量关联。Optistruct形状优化Optistruct形状优化采用手动的方法进行形状变化的定义。OptimizationHyperMorphfreehandleOptistruct优化分析小结HyperWorks的卡片式的特点，决定了所有分析，尤其是优化分析的一个显著的特点：各种优化分析所需要的卡片是完全单独建立，通过目标函数、约束函数等来进行关联。静力学分析、模态分析等 拓扑优化尺寸优化 形状优化目标函数、约束函数、结构响应疲劳分析FATDEF主要定义材料的S-N曲线以及加工工艺对疲劳的影响。TABLEFAT定义载荷时间历程FATLOAD疲劳载荷FATEVNT载荷事件疲劳分析材料的SN曲线疲劳分析SN曲线的建立说明疲劳分析疲劳分析参数的设定疲劳分析建立疲劳分析所需要的卡片如下图所示。疲劳分析的这些卡片全部通过Load collector来建立。疲劳分析涉及到的知识很多，要想很好的掌握，需要掌握很多学科的知识。建议最好先阅读HyperWorks的相关帮助文件。