搜索【技術(shù)干貨】Hypermesh前處理淺談
2016-11-04 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
拓?fù)鋬?yōu)化是賽車輕量化及各零部件強(qiáng)度校核的主要手段,在一般研究中,我們將這一大門類的技術(shù)簡(jiǎn)稱為有限元方法,即Finite Element Method。以下是筆者的一位瑞士外教與我在某圈中的直接評(píng)論對(duì)話。
有限元法在車輛設(shè)計(jì)以及更加廣泛的機(jī)械行業(yè)都有極大范圍的運(yùn)用,是工科人創(chuàng)新創(chuàng)造的一門獨(dú)門利器。
而在FSAE大學(xué)生方程式賽車的設(shè)計(jì)中,我們主要針對(duì)賽車在各種工況下將會(huì)產(chǎn)生的載荷在有限元分析軟件中對(duì)零件加以施加,以觀察在載荷作用下零件的變形及受力情況,并校核其是否會(huì)在該工況下發(fā)生強(qiáng)度失效。但是我們?cè)诟鞣NCAD設(shè)計(jì)軟件中設(shè)計(jì)的零件并非直接可以在有限元分析軟件中直接施加載荷,當(dāng)然隨著三維建模軟件的發(fā)展一些三維軟件也開始配置有相應(yīng)的有限元分析模塊以便設(shè)計(jì)者直接對(duì)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析,但是其中間思路與下文基本一致。
在有限元分析之前需要有前處理這一步繁瑣費(fèi)時(shí)但是又極其重要的一步,就是對(duì)于要分析的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分一個(gè)常用的軟件就是altair公司的系列產(chǎn)品hyperworks下的hypermesh模塊。
以下為它的軟件界面
圖1.hypermesh界面
接下來筆者就hypermesh前處理—網(wǎng)格劃分做一個(gè)淺談。
圖2.半軸幾何體
圖3.半軸網(wǎng)格
圖1為CAD設(shè)計(jì)的半軸幾何體,圖2即為經(jīng)hypermesh前處理得到的半軸網(wǎng)格。筆者看來,有限元法的一個(gè)簡(jiǎn)單理解即為將零件劃分為數(shù)量龐大的一個(gè)網(wǎng)格集合,由這些網(wǎng)格重新構(gòu)造這個(gè)零件,由計(jì)算機(jī)將載荷根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)載荷計(jì)算公式,將網(wǎng)格視為一個(gè)個(gè)單元體進(jìn)行各種應(yīng)力分析以達(dá)到強(qiáng)度校核的目的。
目前,hypermesh前處理得到的網(wǎng)格主要有四面體五面體六面體幾種規(guī)格,其中四面體及五面體由于劃分相對(duì)容易而被更多從事有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析的研究人員所采用,你可以在hypermesh的3D面板下一鍵就對(duì)整個(gè)零件進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。
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一鍵劃分得到的幾何體四面體網(wǎng)格
比這一種稍微難一點(diǎn)的就是五面體網(wǎng)格劃分,而最為復(fù)雜的網(wǎng)格劃分種類是六面體網(wǎng)格劃分。
規(guī)整的六面體網(wǎng)格
對(duì)于幾何特征相對(duì)簡(jiǎn)單的零件,hypermesh也可以將零件一鍵劃分為六面體網(wǎng)格
One volume命令可以將零件一鍵快速劃分為六面體網(wǎng)格以備后續(xù)載荷施加拓?fù)鋬?yōu)化使用。但是,當(dāng)零件特征變復(fù)雜以后,這個(gè)一鍵按鈕將會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò),無法將具有復(fù)雜特征的零件快速劃分為六面體網(wǎng)格,而需要后續(xù)更多的處理才可以實(shí)現(xiàn)完全六面體網(wǎng)格劃分。其中主要使用的方法有:
1.將復(fù)雜幾何體分解為多個(gè)具有簡(jiǎn)單幾何特征的幾何體分別進(jìn)行一鍵六面體劃分;
2.利用二維四邊形網(wǎng)格進(jìn)行拉伸旋轉(zhuǎn)得到六面體網(wǎng)格,六面體對(duì)應(yīng)的二維形狀就是四面體,相應(yīng)四面體網(wǎng)格對(duì)應(yīng)三角形;
3.利用多個(gè)二維平面的四邊形網(wǎng)格控制立體六面體網(wǎng)格劃分;
四面體五面體六面體網(wǎng)格各有使用的方便快捷之處,不同的分析任務(wù)及分析精確度會(huì)影響hypermesh前處理中對(duì)于網(wǎng)格劃分的選擇。其中四面體劃分方便學(xué)習(xí)上手簡(jiǎn)單,一般初學(xué)者學(xué)習(xí)或者零件特征十分復(fù)雜的情況下使用較多,但是由于劃分方法相對(duì)簡(jiǎn)單粗暴,其帶來的結(jié)果是網(wǎng)格數(shù)量大大增加,后續(xù)有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析的精度相對(duì)較差。而六面體網(wǎng)格則具有更加高的計(jì)算精度,使得拓?fù)鋬?yōu)化或者強(qiáng)度校核的結(jié)果更加接近真實(shí),使得有限元法得到的結(jié)果具有較高的精度,在重要零部件分析中具有相當(dāng)重要的意義。但是其劃分方法復(fù)雜,過程也相對(duì)繁瑣,學(xué)習(xí)困難相對(duì)四面體網(wǎng)格大大增加。而五面體網(wǎng)格劃分介于他們兩者中間,筆者對(duì)于五面體網(wǎng)格劃分相對(duì)接觸較少此處不作更多評(píng)價(jià)。
總體而言,四面體網(wǎng)格前處理速度快,操作簡(jiǎn)單,但是后期拓?fù)鋬?yōu)化校核階段則需要計(jì)算機(jī)更多的計(jì)算時(shí)間,網(wǎng)格數(shù)目也更為龐大;六面體網(wǎng)格網(wǎng)格前處理復(fù)雜耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),但是網(wǎng)格數(shù)目較少,后期計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間也相應(yīng)縮短拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果更為精確可靠,而在一些流體分析及航空航天行業(yè)分析中,四面體六面體混合網(wǎng)格的劃分方法也可以被工程設(shè)計(jì)人員所采納。在FSAE賽車設(shè)計(jì)中,不同的零部件分析可能需要根據(jù)其工況及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行不同的選擇以便在時(shí)間及效率上取得相應(yīng)的平衡。
網(wǎng)格劃分的質(zhì)量,直接決定拓?fù)鋬?yōu)化的質(zhì)量。無論哪一種類型的網(wǎng)格,其劃分都需要一個(gè)相對(duì)時(shí)間較長(zhǎng)的前處理,網(wǎng)格越規(guī)整,越均勻,越貼近實(shí)際零件的幾何特征,最終的分析結(jié)果也會(huì)越符合實(shí)際加工之后得到的結(jié)果。
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