hypermesh仿真簡介-前處理

hypermesh作為一種有限元仿真軟件,其前處理功能較為強大,可以對復雜模型劃分出較好的有限元網格。

首先介紹下hypermesh界面。

圖1 Hypermesh啟動optistruct界面

hypermesh在啟動時會自動彈出窗口,讓用戶選擇功能模塊,包括optistruct、ansys、abaqus、lsdyna和natran等,分別對應於不同的有限元軟件。這種不同功能模塊的設置,可以用在後面做聯合仿真,如hypermesh+ansys、hypermesh+abaqus等。這麼做的好處是可以結合不同軟件的優點,hypermesh的強項在於前後處理,在某些特定的工況下,與其他有限元軟件結合的仿真效果更好,如ansys的流固耦合,abaqus的非線性分析功能就更為強大。

optistruct是由altair公司開發的一款求解器,可用於求解模態、隨機振動、瞬態分析和結構優化等問題。

hypermesh界面的功能分區如下:

圖2 hypermesh界面介紹

最上面為標題區,會顯示文件名稱、hypermesh版本以及當下的功能模塊。

第2行為操作欄,hypermesh的各種功能都可以通過這裡來實現,包括幾何、材料、屬性和邊界條件的設置等。

第3行為工具欄,包括一些常用功能,包括文件的導入和導出,視角的切換,截圖和錄屏等。

第4塊為面板區,hypermesh裡面稱為Browser,可以在操作欄的View裡面選擇開啟和關閉。在每個面板下面都有對應的功能模塊。

第5為功能區,為該面板下面的一些功能模塊,方便用戶快捷切換。

第6我稱之為主要分塊區,在最常用的Model browser下面,它主要包含瞭組件Component、材料Material、屬性Property和載荷集Load Collecter以及分析步Load step等。類似CAD軟件中的設計樹,也有點像abaqus中的流程,雖然hypermesh中可以不按照規定的順序來設置,但是2020版本的也開始有流程面板Progress Browser瞭,後續對新手應該更為友好。盡管目前來看還是有改進的空間。

第7塊為分塊區裡面模塊的具體參數,如材料的彈性模量、泊松比和密度,屬性裡面的卡片,分析步裡面的引用關系等等。

第8塊也可以稱之為快捷按鍵區,主要是網格的隱藏(Mask)、單元查找(Find)、邊界條件和硬點的顯示等等,都是和模型的顯示有關的。

第9塊區域為hypermesh的模型顯示界面,單元和節點的選取等等鼠標操作都是在這個界面進行。

第10塊區域為操作面板,包括幾何、1D/2D/3D單元、分析、工具和後處理的具體操作選項。第10塊區域上方為一些快捷按鍵,包括控制模型的顯示方式、刪除、材料屬性設置等等。

就具體操作來說,前處理用到最多的地方是6、7、9、10四個區域,特別是9、10,因為網格劃分是最耗費時間的工作。

介紹完瞭hypermesh的基本界面,接下來講一下前處理。前處理步驟一般包括:

1.模型導入;

2.模型分組;

3.幾何清理;

4.網格劃分(面網格,體網格等);

5.模型裝配(連接關系的建立)

相關視頻後續會上傳。這裡對相關步驟進行簡要說明和介紹。

1.模型導入

圖3 hypermesh的幾何模型導入(一)

hypermesh雖然可以繪制幾何,但是和專門的CAD軟件相比效率差太多瞭,可以作為一種輔助的手段,進行一些簡單的修改,這裡不作贅述。通常來說都是通過外部文件導入幾何模型,再在hypermesh裡面進行網格劃分。

hypermesh的文件導入有兩種方法,一種是通過操作欄裡面的File選項選擇File-Import-Geometry導入幾何模型,另外一種是通過工具欄裡面的綠色箭頭圖標選擇Import Geometry導入幾何模型。

圖4 hypermesh的幾何模型導入(二)

模型導入可以有多種格式,包括常見的CAD軟件格式,如Proe、Catia、solidworks等,不過可能會因為軟件版本問題導致出錯,我個人習慣是用通用的Step格式。

圖5 hypermesh幾何模型導入格式的選擇

2.模型分組

hypermesh在導入模型後,每個部件會被分為一個組件,稱為Component,考慮到每個人命名零件的格式不同,根據模型命名方式的不同,導入之後可能名稱可能會發生變化。建議在導入模型後,對模型進行一個重新分組。

圖6 導入模型後的compoent圖7 刪除原有的Component

可以通過新建一個Component,點擊操作面板上方的Organize按鈕,將現有的Componet移動到新的Component裡面,再按F2快捷鍵,通過preview empty刪除空的Component。

圖8 整理後的Component

3.幾何清理

在導入模型後,幾何模型可能存在一些缺陷,如不封閉的面,重復面等等。可以利用hypermesh中的幾何清理功能來對幾何模型進行一些處理。主要是通過Geom面板上的defeature功能。

圖9 Geom中的幾何清理按鈕(defeature)圖10 defeature具體功能

defeature功能中可以實現對直徑較小的圓孔的填充,面和邊的縫合,重復面的刪除,小圓角的刪除等等,具體可以看altair的幫助案例,在這裡不再贅述。

4.網格劃分(面網格、體網格等)

網格劃分是前處理中最重要的一步,也是整個仿真流程中耗費時間最多的步驟。雖然hypermesh的網格劃分功能比較強大,但是要得到質量比較好的網格還是需要較多的時間。

網格可以分為0D、1D、2D和3D網格,0D的包括rbe2和rbe3單元等;1D單元包括桿、梁、彈簧單元等;2D單元按形狀可以分為三角形單元和四邊形單元等,按功能有殼單元,平面應變單元、軸對稱單元等;3D單元包括4面體單元和6面體單元。

圖11 hypermesh中的不同單元

在操作面板上按照1D、2D和3D進行瞭分區,在不同分區內都有對應的網格劃分功能。以2D單元為例,可以通過F12快捷鍵打開automesh界面,指定要劃分網格的表面,然後給一個單元基本尺寸,點擊mesh,即可自動生成網格。

圖12 automesh界面

具體的網格劃分後續會上傳視頻,也可以參考altair的教學視頻。altair公司在提供技術支持方面是比較全面的,他們的視頻教學涵蓋的內容也比較廣,有時間的話可以學習到很多東西。

5.模型裝配(連接關系的建立)

在模型網格劃分完成之後,還要建立模型內component的連接關系,如焊接,膠粘,螺栓連接等等。一般是通過操作面板中的1D面板來實現。

圖13 1D面板中常用的連接單元

在1D面板中用的較多的是rigid(RBE2單元)、RBE3單元和connector模塊。RBE2可以作為螺栓連接的簡化模式,但是會增加模型的剛度。RBE3單元可以用來傳遞載荷。

connetor模塊裡面我用的較多的主要是seam單元和area單元。seam單元主要是用來模擬焊縫,通過指定焊縫位置和連接的component來建立焊縫單元。area單元則可以用來模擬膠粘和點焊連接等等。

圖14 connectors常用單元

圖15 hypermesh中的焊縫單元

圖16 hypermesh中的點焊單元

在建立好連接關系後,幾何模型的前處理就完成瞭。接下來可以進行模型的屬性、材料、分析步等設置,開始對模型進行仿真分析。具體的分析類型包括模態分析、瞬態分析、頻響分析等等。後續會繼續進行介紹。

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