有限元基础知识之hypermesh网格化分详细教学

有限元基本知识近几十年来，随着计算机计算能力和数值计算水平的飞速发展，世界上出现了很多有限元分析软件，从而兴起了一个专门的学科——计算机辅助工程CAE（computeraidedengineering）。由于CAE强大的仿真功能，所以其在工业中越来越重要，成为了产品上市前必须的环节。CAE的优点如下：1.缩短研究周期2.大大降低研发成本3.迅速对产品变更做出反应4.预测潜在问题5.模拟试验方案，节约试验时间和成本有限元概述软件介绍现在市场上商业化CAE软件很多，目前被大家认可的通用软件有：美国MSC.Nastran,MSC.Marc,美国HKS公司的Abaqus,美国LSTC公司的LS_DYNA,美国ANSYS的ANSYS，每个软件都有其特点，人们把这些软件分为线性分析软件，一般非线性分析软件和显示高度非线性分析软件。大家都知道的：Nastran，ANSYS都在线性分析方面具有优势，MSC.Marc，Abaqus被认为是最好的非线性求解软件，LS_DYNA在结构分析方面占优势，是汽车碰撞仿真和安全性分析软件的最佳选择。总之：软件有很多，但归根结底都是有限单元法（finiteelementanalysis）,简称FEA。是否存在无限元？计算力学计算机特点离散离散体替代连续体准确性？增强准确性的途径时间成本和建模准确性的权衡问题有限元的基本思想•将结构进行有限元离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的工程结构，各单元之间通过有限元节点相互连接，根据有限元基本理论建立有限元总体平衡方程，然后求解。CAE有限元分析的三个阶段的主要内容•前处理过程：模型的有限元网格剖分与数据生成。•有限元分析：对有限元模型求解计算•后处理：工程师可以根据后处理图形进行判定计算结果与设计方案的合理性，从而指导方案设计。有限元在汽车中的应用•CAE作为现代的一个非常好的分析工具，在汽车行业中得到了重要广泛应用，具体体现在：•1.汽车及其零部件的强度和刚度分析•2.汽车及其零部件的振动和噪声分析•3.汽车碰撞仿真分析•4.汽车空气动力学分析•5.汽车零部件热场，温度场分析有限元分析步骤•建立有限元模型是CAE分析最重要，最基本的步骤，前处理是一个比较繁琐的过程，占用有限元分析过程的大半时间，而且其建模质量直接影响有限元分析的正确性和精度。其步骤大概分为以下几个步骤•1创建或导入模型（一般先在UG里先创建）•2几何清理（清除多余边界，简化模型）•3网格划分和建立连接关系（如连接焊点）•4定义材料属性•5定义单元属性•6定义计算工况•7生成计算文件和提交软件计算•8后处理和结果分析有限元网格质量控制•1单元的纵横比•单元的纵横比是衡量单元网格质量的一个重要参数，它决定着计算结果是否正确可行，也是瞬态分析中，决定计算能否顺利进行下去的关键因素。单元的纵横比一般控制在5以内，超过20则认为是错误。•2单元的背离角•单元的背离角通过单元的两条相交的边来计算，一般用单元三维空间的角点来计算，单元4个角的最大背离角为90度，单元的背离角一般控制在5度以内，超过30度则认为是错误。•3并行背离角•对于每一组对边，计算它们的单位矢量的点积，并求点积的反余弦锁对应的角度。并行背离角即为这两个角度中较大的一个。两条水平单位矢量的点积为1，其对应的反余弦的角度为0度。平面矩形单元的并行背离角最佳为0度，单元的并行背离角一般控制在70以内，超过70度则认为是错误。•4单元的最大内角•单元的最大内角为单元任意两条相邻的边所夹内角的最大者，对于三角形单元而言，最大内角不得超过165度，超过165度则认为是错误，对于四边形单元而言，最大内角不得超过155度，超过155度则认为是错误。•5单元雅克比矩阵的比率•单元雅可比矩阵的比率是指整个单元范围内，单元雅可比矩阵的元素的最大值与最小值之比。单元给定点的雅可比矩阵的值代表了单元自然坐标系和单元真实坐标系的形函数的大小。对于一个理想的单元，雅可比矩阵的值在整个单元的范围内相对稳定，而且不会出现变号•6翘曲因素•大家都知道，三个点确定一个平面。对于四边形壳单元，单元的四个点就很有可能不在同一平面上，当用于大变形分析时，其翘曲因素的限制比用于小变形分析要严格得多。然而，在大变形分析中，单元很有可能因为大变形而产生翘曲，从而破坏迭代过程，或影响计算结果。有限元的发展趋势•1.从简单的结构力学分析发展到物理场分析。从理论上和实际中显示，只要离散的单元很小，CAE求解的解救可以非常接近精确解。CAE的分析已经发展到流体力学，磁场，温度场，声场的计算。•2.从求解线性问题到分析非线性问题，现在很多线性分析不能满足设计要求，例如几何大变形，材料非线性，接触问题，只要采取非线性才能解决这些复杂的问题。•3.前后处理的可视化能力不断加强。由于计算机能力的飞速发展，求解所需的时间再次减少，而前后处理所占的总分析时间达到了90%以上，为了为工程师提供快速，精确的建模和分析结果，人们对可视化的要求越来越高，例如网格自动划分功能，计算结果分布云图。•4.与CAD无缝集成。各个软件各取所长，充分发挥各个软件的优势，加快分析进展，例如著名的CAD软件有Unigraphics,Pro/e,Solidworks等。Hypermesh操作Hyper----高级，mesh----网格，画网格Hypermesh界面鼠标按键功能鼠标按键功能左键执行选择操作右键反向选择并放弃图形操作中键进行旋转时，用中键点击一个节点意味着选择一个新的旋转中心。可以用来确定此次操作左键+Ctrl拖拽动态旋转模型左键+Ctrl在对象上点击改变旋转中心左键+Ctrl在图形区域上点击将操作对象重新设立在屏幕中心中键+Ctrl拖拽将模型进行缩放右键+Ctrl拖拽将模型填充图形区右键+Ctrl点击平移模型左键+Shift点击框选键盘操作快捷键的使用实例操作•1创建或导入模型（一般先在UG里先创建）•2几何清理（清除多余边界，简化模型）•3网格划分和建立连接关系（如连接焊点）•4定义材料属性•5定义单元属性•6定义计算工况•7生成计算文件和提交软件计算•8后处理和结果分析以clip_repair为例进行几何清理几何1.首先进入Geom面板，然后点击quickedit2.快捷键F11进入几何清理界面的两种方法图中出现了红色，绿色，黄色三种颜色的线，其含义如下：红色-----自由边界绿色-----两个面的公共边黄色-----重复边界，一般是三个或者撒个以上面的重复边界具体清理过程在hypermesh里演示去掉自由边和重复边后的图形对实体进行抽中面midsurface•以clip_midsurface为例厚度为0.9mm抽完中面后，由实体变成了壳单元几何清理1，简化模型，去掉一些对模型影响很小的细节（例如：圆弧处很密的边界，去掉半径很小的圆孔）2，正确处理边界3，对于大孔，需要washer，便于后期连接网格划分选择interactive可以调节网格密度鼠标箭头指向数字，左键表示增加节点，右键表示减少节点，不断调整网格，使网格质量最佳网格优化,降低QI值2D面板qualityindex透明的网格质量最好绿色的次之黄色的更差红色的最差，一般不能出现红色的网格优化方法如果质量差的网格很多，可以savefailed,然后retrieve再进行查看创建材料材料参数建属性property建属性的时候，如果是2D单元，选择type为2D，cardimage选择pshell然后选上已经建好的材料最后写上部件的厚度T把属性赋给部件这样部件就有了自己的属性，即有了材料和厚度添加约束Analysis中的constraints命令添加外力Analysis中的forces命令建立载荷步loadstep线性静力分析选上约束和力的ID号编辑loadstep，控制输出变量控制卡片参数控制求解器选择sol=101，代表线性静力学分析建模完成谢谢大家