【技术干货】Hypermesh前处理浅谈

2016-11-04 by:CAE仿真在线来源:互联网

拓扑优化是赛车轻量化及各零部件强度校核的主要手段,在一般研究中,我们将这一大门类的技术简称为有限元方法,即Finite Element Method。以下是笔者的一位瑞士外教与我在某圈中的直接评论对话。

有限元法在车辆设计以及更加广泛的机械行业都有极大范围的运用,是工科人创新创造的一门独门利器。

而在FSAE大学生方程式赛车的设计中,我们主要针对赛车在各种工况下将会产生的载荷在有限元分析软件中对零件加以施加,以观察在载荷作用下零件的变形及受力情况,并校核其是否会在该工况下发生强度失效。但是我们在各种CAD设计软件中设计的零件并非直接可以在有限元分析软件中直接施加载荷,当然随着三维建模软件的发展一些三维软件也开始配置有相应的有限元分析模块以便设计者直接对设计的零件进行有限元拓扑优化分析,但是其中间思路与下文基本一致。

在有限元分析之前需要有前处理这一步繁琐费时但是又极其重要的一步,就是对于要分析的网格进行网格划分。网格划分一个常用的软件就是altair公司的系列产品hyperworks下的hypermesh模块。

以下为它的软件界面

图1.hypermesh界面

接下来笔者就hypermesh前处理—网格划分做一个浅谈。

图2.半轴几何体

图3.半轴网格

图1为CAD设计的半轴几何体,图2即为经hypermesh前处理得到的半轴网格。笔者看来,有限元法的一个简单理解即为将零件划分为数量庞大的一个网格集合,由这些网格重新构造这个零件,由计算机将载荷根据材料力学的相关载荷计算公式,将网格视为一个个单元体进行各种应力分析以达到强度校核的目的。

目前,hypermesh前处理得到的网格主要有四面体五面体六面体几种规格,其中四面体及五面体由于划分相对容易而被更多从事有限元拓扑优化分析的研究人员所采用,你可以在hypermesh的3D面板下一键就对整个零件进行四面体网格划分。

需要划分的几何体

一键划分得到的几何体四面体网格

比这一种稍微难一点的就是五面体网格划分,而最为复杂的网格划分种类是六面体网格划分。

规整的六面体网格

对于几何特征相对简单的零件,hypermesh也可以将零件一键划分为六面体网格

One volume命令可以将零件一键快速划分为六面体网格以备后续载荷施加拓扑优化使用。但是,当零件特征变复杂以后,这个一键按钮将会出现报错,无法将具有复杂特征的零件快速划分为六面体网格,而需要后续更多的处理才可以实现完全六面体网格划分。其中主要使用的方法有:

1.将复杂几何体分解为多个具有简单几何特征的几何体分别进行一键六面体划分;

2.利用二维四边形网格进行拉伸旋转得到六面体网格,六面体对应的二维形状就是四面体,相应四面体网格对应三角形;

3.利用多个二维平面的四边形网格控制立体六面体网格划分;

四面体五面体六面体网格各有使用的方便快捷之处,不同的分析任务及分析精确度会影响hypermesh前处理中对于网格划分的选择。其中四面体划分方便学习上手简单,一般初学者学习或者零件特征十分复杂的情况下使用较多,但是由于划分方法相对简单粗暴,其带来的结果是网格数量大大增加,后续有限元拓扑优化分析的精度相对较差。而六面体网格则具有更加高的计算精度,使得拓扑优化或者强度校核的结果更加接近真实,使得有限元法得到的结果具有较高的精度,在重要零部件分析中具有相当重要的意义。但是其划分方法复杂,过程也相对繁琐,学习困难相对四面体网格大大增加。而五面体网格划分介于他们两者中间,笔者对于五面体网格划分相对接触较少此处不作更多评价。

总体而言,四面体网格前处理速度快,操作简单,但是后期拓扑优化校核阶段则需要计算机更多的计算时间,网格数目也更为庞大;六面体网格网格前处理复杂耗费时间长,但是网格数目较少,后期计算机计算时间也相应缩短拓扑优化结果更为精确可靠,而在一些流体分析及航空航天行业分析中,四面体六面体混合网格的划分方法也可以被工程设计人员所采纳。在FSAE赛车设计中,不同的零部件分析可能需要根据其工况及设计要求进行不同的选择以便在时间及效率上取得相应的平衡。

网格划分的质量,直接决定拓扑优化的质量。无论哪一种类型的网格,其划分都需要一个相对时间较长的前处理,网格越规整,越均匀,越贴近实际零件的几何特征,最终的分析结果也会越符合实际加工之后得到的结果。

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