有限元基礎(chǔ)知識之hypermesh網(wǎng)格化分詳細(xì)教學(xué)

1、有限元基本知識 近幾十年來，隨著計算機(jī)計算能力和數(shù)值計算水平的飛 速發(fā)展，世界上出現(xiàn)了很多有限元分析軟件，從而興起 了一個專門的學(xué)科計算機(jī)輔助工程CAE（computer aided engineering）。由于CAE強(qiáng)大的仿真功能，所以 其在工業(yè)中越來越重要，成為了產(chǎn)品上市前必須的環(huán)節(jié)。 CAE的優(yōu)點如下： 1.縮短研究周期 2.大大降低研發(fā)成本 3.迅速對產(chǎn)品變更做出反應(yīng) 4.預(yù)測潛在問題 5.模擬試驗方案，節(jié)約試驗時間和成本 有限元概述 軟件介紹 現(xiàn)在市場上商業(yè)化CAE軟件很多，目前被大家認(rèn)可 的通用軟件有：美國MSC.Nastran,MSC.Marc,美國HKS 公司的Abaqus,

2、美國LSTC公司的LS_DYNA,美國ANSYS 的ANSYS，每個軟件都有其特點，人們把這些軟件分為 線性分析軟件，一般非線性分析軟件和顯示高度非線性 分析軟件。大家都知道的：Nastran，ANSYS都在線性分 析方面具有優(yōu)勢，MSC.Marc，Abaqus被認(rèn)為是最好的 非線性求解軟件，LS_DYNA在結(jié)構(gòu)分析方面占優(yōu)勢，是 汽車碰撞仿真和安全性分析軟件的最佳選擇。 總之：軟件有很多，但歸根結(jié)底都是有限單元法 （finite element analysis）,簡稱FEA。 是否存在無限元？ 計算力學(xué) 計算機(jī)特點 離散 離散體替代連續(xù)體 準(zhǔn)確性？ 增強(qiáng)準(zhǔn)確性的途徑 時間成本和建模準(zhǔn)確性的

3、權(quán)衡問題 有限元的基本思想 將結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散化，用有限個容易 分析的單元來表示復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，各單 元之間通過有限元節(jié)點相互連接，根據(jù)有 限元基本理論建立有限元總體平衡方程， 然后求解。 CAE有限元分析的三個階段的主要內(nèi)容 前處理過程：模型的有限元網(wǎng)格剖分與數(shù) 據(jù)生成。 有限元分析：對有限元模型求解計算 后處理：工程師可以根據(jù)后處理圖形進(jìn)行 判定計算結(jié)果與設(shè)計方案的合理性，從而 指導(dǎo)方案設(shè)計。 有限元在汽車中的應(yīng)用 CAE作為現(xiàn)代的一個非常好的分析工具，在汽 車行業(yè)中得到了重要廣泛應(yīng)用，具體體現(xiàn)在： 1.汽車及其零部件的強(qiáng)度和剛度強(qiáng)度和剛度分析 2.汽車及其零部件的振動和噪聲振動和噪聲分

4、析 3.汽車碰撞碰撞仿真分析 4.汽車空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)分析 5.汽車零部件熱場，溫度場分析 有限元分析步驟 建立有限元模型是CAE分析最重要，最基本的步驟，前處 理是一個比較繁瑣的過程，占用有限元分析過程的大半時 間，而且其建模質(zhì)量直接影響有限元分析的正確性和精度。 其步驟大概分為以下幾個步驟 1創(chuàng)建或?qū)肽Ｐ停ㄒ话阆仍赨G里先創(chuàng)建） 2幾何清理（清除多余邊界，簡化模型） 3網(wǎng)格劃分和建立連接關(guān)系（如連接焊點） 4定義材料屬性 5定義單元屬性 6定義計算工況 7生成計算文件和提交軟件計算 8后處理和結(jié)果分析 有限元網(wǎng)格質(zhì)量控制 1單元的縱橫比 單元的縱橫比是衡量單元網(wǎng)格質(zhì)量的一個重要參數(shù)，

5、它決定著計 算結(jié)果是否正確可行，也是瞬態(tài)分析中，決定計算能否順利進(jìn)行下去 的關(guān)鍵因素。單元的縱橫比一般控制在5以內(nèi)，超過20則認(rèn)為是錯誤。 2單元的背離角 單元的背離角通過單元的兩條相交的邊來計算，一般用單元三維 空間的角點來計算，單元4個角的最大背離角為90度，單元的背離角 一般控制在5度以內(nèi)，超過30度則認(rèn)為是錯誤。 3并行背離角 對于每一組對邊，計算它們的單位矢量的點積，并求點積的反余 弦鎖對應(yīng)的角度。并行背離角即為這兩個角度中較大的一個。兩條水 平單位矢量的點積為1，其對應(yīng)的反余弦的角度為0度。平面矩形單元 的并行背離角最佳為0度，單元的并行背離角一般控制在70以內(nèi)，超 過70度則認(rèn)為

6、是錯誤。 4單元的最大內(nèi)角 單元的最大內(nèi)角為單元任意兩條相鄰的邊所夾內(nèi)角的 最大者，對于三角形單元而言，最大內(nèi)角不得超過165度， 超過165度則認(rèn)為是錯誤，對于四邊形單元而言，最大內(nèi) 角不得超過155度，超過155度則認(rèn)為是錯誤。 5單元雅克比矩陣的比率 單元雅可比矩陣的比率是指整個單元范圍內(nèi)，單元雅 可比矩陣的元素的最大值與最小值之比。單元給定點的雅 可比矩陣的值代表了單元自然坐標(biāo)系和單元真實坐標(biāo)系的 形函數(shù)的大小。對于一個理想的單元，雅可比矩陣的值在 整個單元的范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，而且不會出現(xiàn)變號 6翹曲因素 大家都知道，三個點確定一個平面。對于四邊形殼單 元，單元的四個點就很有可能不在同一

7、平面上，當(dāng)用于大 變形分析時，其翹曲因素的限制比用于小變形分析要嚴(yán)格 得多。然而，在大變形分析中，單元很有可能因為大變形 而產(chǎn)生翹曲，從而破壞迭代過程，或影響計算結(jié)果。 有限元的發(fā)展趨勢 1.從簡單的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析發(fā)展到物理場分析從簡單的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析發(fā)展到物理場分析。從理論上和實際中顯示， 只要離散的單元很小，CAE求解的解救可以非常接近精確解。CAE的 分析已經(jīng)發(fā)展到流體力學(xué)，磁場，溫度場，聲場的計算。 2.從求解線性問題到分析非線性問題從求解線性問題到分析非線性問題，現(xiàn)在很多線性分析不能滿足設(shè) 計要求，例如幾何大變形，材料非線性，接觸問題幾何大變形，材料非線性，接觸問題，只要采取非線性 才能

8、解決這些復(fù)雜的問題。 3.前后處理的可視化能力不斷加強(qiáng)前后處理的可視化能力不斷加強(qiáng)。由于計算機(jī)能力的飛速發(fā)展，求 解所需的時間再次減少，而前后處理所占的總分析時間達(dá)到了90%以 上，為了為工程師提供快速，精確的建模和分析結(jié)果，人們對可視化 的要求越來越高，例如網(wǎng)格自動劃分功能，計算結(jié)果分布云圖。 4.與與CAD無縫集成無縫集成。各個軟件各取所長，充分發(fā)揮各個軟件的優(yōu)勢， 加快分析進(jìn)展，例如著名的CAD軟件有Unigraphics,Pro/e,Solidworks 等。 Hypermesh操作 Hyper-高級，mesh-網(wǎng)格，畫網(wǎng)格 Hypermesh界面 鼠標(biāo)按鍵功能 鼠標(biāo)按鍵 功能 左鍵

9、執(zhí)行選擇操作 右鍵 反向選擇并放棄圖形操作 中鍵 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，用中鍵點擊一個節(jié)點意味著選擇一 個新的旋轉(zhuǎn)中心?？梢杂脕泶_定此次操作 左鍵+Ctrl拖拽 動態(tài)旋轉(zhuǎn)模型 左鍵+Ctrl在對象上點擊 改變旋轉(zhuǎn)中心 左鍵+Ctrl在圖形區(qū)域上點 擊 將操作對象重新設(shè)立在屏幕中心 中鍵+Ctrl拖拽 將模型進(jìn)行縮放 右鍵+Ctrl拖拽 將模型填充圖形區(qū) 右鍵+Ctrl點擊 平移模型 左鍵+Shift點擊 框選 鍵盤操作 快捷鍵的使用 實例操作 1創(chuàng)建或?qū)肽Ｐ停ㄒ话阆仍赨G里先創(chuàng)建） 2幾何清理（清除多余邊界，簡化模型） 3網(wǎng)格劃分和建立連接關(guān)系（如連接焊點） 4定義材料屬性 5定義單元屬性 6定義計算

10、工況 7生成計算文件和提交軟件計算 8后處理和結(jié)果分析 以clip_repair為例進(jìn)行幾何清理 幾何 1.首先進(jìn)入Geom面板，然后點擊quick edit 2.快捷鍵F11 進(jìn)入幾何清理界面的兩種方法進(jìn)入幾何清理界面的兩種方法 圖中出現(xiàn)了紅色，綠色，黃色 三種顏色的線，其含義如下： 紅色-自由邊界 綠色-兩個面的公共邊 黃色-重復(fù)邊界，一般是三個 或者撒個以上面的重復(fù) 邊界 具體清理過程在hypermesh里演示 去掉自由邊和重復(fù)邊后的圖形 對實體進(jìn)行抽中面midsurface 以clip_midsurface為例 厚度為0.9mm 抽完中面后，由實體變成了殼單元 幾何清理 1，簡化模型，

11、去掉一些對模型影響很小的細(xì)節(jié)（例如：圓弧處很密的邊界， 去掉半徑很小的圓孔） 2，正確處理邊界 3，對于大孔，需要washer，便于后期連接 網(wǎng)格劃分 選擇interactive可以調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度 鼠標(biāo)箭頭指向數(shù)字，左鍵表示增加節(jié)點，右鍵表示減少節(jié)點， 不斷調(diào)整網(wǎng)格，使網(wǎng)格質(zhì)量最佳 網(wǎng)格優(yōu)化,降低QI值 2D面板qualityindex 透明的網(wǎng)格質(zhì)量最好 綠色的次之 黃色的更差 紅色的最差，一般不能出現(xiàn)紅色的網(wǎng)格 優(yōu)化方法 如果質(zhì)量差的網(wǎng)格很多，可以save failed,然后retrieve再進(jìn)行查看 創(chuàng)建材料 材料參數(shù) 建屬性property 建屬性的時候，如果是2D單元，選擇type為2D， cardimage選擇pshell 然后選上已經(jīng)建好的材料 最后寫上部件的厚度T