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HyperWorks基础教程

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软件介绍

  HyperWorks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 1 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 Geom——Midsurface 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 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:1D——HyperBeam——standard 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:1D——spring,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: GEOM——Nodes——Type 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、2.5 mm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 F3 Shift+F3 F4 Shift+F4 F5 F7 Shift+F7 F8 Shift+F9 F10 F11 F12 Q键 删除临时节点 节点重合操作 检查同一边上节点是否重合(边上节点重合) 点或节点距离测量、添加中间节点。确定圆心 单元、节点、几何等的平移 隐藏(对于网格出现问题是,有利于检查) 对节点进行操作 投影操作 建立节点 切割操作 网格检查 quick edit (快速编辑)主要用来几何操作 网格划分 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):Analysis——Entity 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。 ? F总 区域内总节点数 ? 每个节点受力大小 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。 F总 区域面积 ? 压力 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。 Analysis——Load 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: Spc Load Steps Rload Freq1 Eigrl 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 utility——FEA在TOOL下面选择TABLE Creat 3、在弹出的对线、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。 CW ? ? Wi Ci ? 1 T WU ? i i fi 2 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 创建尺寸优化的设计变量 Size 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——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:Analysis——Optistruct——discrete 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。 Optimization——HyperMorph——freehandle Optistruct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S—N曲线 疲劳分析 S—N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。

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