【技術干貨】Hypermesh前處理淺談

2016-11-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

拓撲優化是賽車輕量化及各零部件強度校核的主要手段,在一般研究中,我們將這一大門類的技術簡稱為有限元方法,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論對話。

有限元法在車輛設計以及更加廣泛的機械行業都有極大范圍的運用,是工科人創新創造的一門獨門利器。

而在FSAE大學生方程式賽車的設計中,我們主要針對賽車在各種工況下將會產生的載荷在有限元分析軟件中對零件加以施加,以觀察在載荷作用下零件的變形及受力情況,并校核其是否會在該工況下發生強度失效。但是我們在各種CAD設計軟件中設計的零件并非直接可以在有限元分析軟件中直接施加載荷,當然隨著三維建模軟件的發展一些三維軟件也開始配置有相應的有限元分析模塊以便設計者直接對設計的零件進行有限元拓撲優化分析,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時但是又極其重要的一步,就是對于要分析的網格進行網格劃分。網格劃分一個常用的軟件就是altair公司的系列產品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—網格劃分做一個淺談。

圖2.半軸幾何體

圖3.半軸網格

圖1為CAD設計的半軸幾何體,圖2即為經hypermesh前處理得到的半軸網格。筆者看來,有限元法的一個簡單理解即為將零件劃分為數量龐大的一個網格集合,由這些網格重新構造這個零件,由計算機將載荷根據材料力學的相關載荷計算公式,將網格視為一個個單元體進行各種應力分析以達到強度校核的目的。

目前,hypermesh前處理得到的網格主要有四面體五面體六面體幾種規格,其中四面體及五面體由于劃分相對容易而被更多從事有限元拓撲優化分析的研究人員所采用,你可以在hypermesh的3D面板下一鍵就對整個零件進行四面體網格劃分。

需要劃分的幾何體

一鍵劃分得到的幾何體四面體網格

比這一種稍微難一點的就是五面體網格劃分,而最為復雜的網格劃分種類是六面體網格劃分。

規整的六面體網格

對于幾何特征相對簡單的零件,hypermesh也可以將零件一鍵劃分為六面體網格

One volume命令可以將零件一鍵快速劃分為六面體網格以備后續載荷施加拓撲優化使用。但是,當零件特征變復雜以后,這個一鍵按鈕將會出現報錯,無法將具有復雜特征的零件快速劃分為六面體網格,而需要后續更多的處理才可以實現完全六面體網格劃分。其中主要使用的方法有:

1.將復雜幾何體分解為多個具有簡單幾何特征的幾何體分別進行一鍵六面體劃分;

2.利用二維四邊形網格進行拉伸旋轉得到六面體網格,六面體對應的二維形狀就是四面體,相應四面體網格對應三角形;

3.利用多個二維平面的四邊形網格控制立體六面體網格劃分;

四面體五面體六面體網格各有使用的方便快捷之處,不同的分析任務及分析精確度會影響hypermesh前處理中對于網格劃分的選擇。其中四面體劃分方便學習上手簡單,一般初學者學習或者零件特征十分復雜的情況下使用較多,但是由于劃分方法相對簡單粗暴,其帶來的結果是網格數量大大增加,后續有限元拓撲優化分析的精度相對較差。而六面體網格則具有更加高的計算精度,使得拓撲優化或者強度校核的結果更加接近真實,使得有限元法得到的結果具有較高的精度,在重要零部件分析中具有相當重要的意義。但是其劃分方法復雜,過程也相對繁瑣,學習困難相對四面體網格大大增加。而五面體網格劃分介于他們兩者中間,筆者對于五面體網格劃分相對接觸較少此處不作更多評價。

總體而言,四面體網格前處理速度快,操作簡單,但是后期拓撲優化校核階段則需要計算機更多的計算時間,網格數目也更為龐大;六面體網格網格前處理復雜耗費時間長,但是網格數目較少,后期計算機計算時間也相應縮短拓撲優化結果更為精確可靠,而在一些流體分析及航空航天行業分析中,四面體六面體混合網格的劃分方法也可以被工程設計人員所采納。在FSAE賽車設計中,不同的零部件分析可能需要根據其工況及設計要求進行不同的選擇以便在時間及效率上取得相應的平衡。

網格劃分的質量,直接決定拓撲優化的質量。無論哪一種類型的網格,其劃分都需要一個相對時間較長的前處理,網格越規整,越均勻,越貼近實際零件的幾何特征,最終的分析結果也會越符合實際加工之后得到的結果。

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