HyperMesh有限元前处理关键技术研究

2008年4月第36卷第4期

机床与液压

MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CS

Ap r 12008

Vol 136No 14

收稿日期:2007-05-22

作者简介:边弘晔(1983—),女,辽宁本溪人,东北大学机械工程与自动化学院硕士研究生,研究方向为机械动力学与动

态设计等。电话:138********,E -mail:hongyebian@1631com 。

Hy perMesh 有限元前处理关键技术研究

边弘晔,李鹤,闻邦椿

(东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004)

摘要:以某型号汽车前地板为例,研究了Hyper M esh 有限元前处理过程中的几何清理和网格划分等关键问题。通过Hyper M esh 与CAD 和C AE 软件良好的接口,实现了几何模型的导入和模态分析,为有限元分析提供了一种新的思路。

关键词:Hyper M esh;几何清理;网格划分中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2008)4-160-2

Study on the Key Techn i ques of F i n ite Elem en t Preprocessi n g Ba sed on HyperM esh

B IAN Hongye,L I He,W E N Bangchun

(School ofMechanical Engineering and Aut omati on,Northeastern University,Shenyang 110004,China )

Abstract:The key p r oble m s of geometry cleanup and meshing ele ment during the finite ele ment p rep r ocessing of one fr ont fl oor pan were studied .By the well interface with C AD and CAE,the i m port of the geometry model and modal analysis were realized .This study p r ovides a ne w ideal method f or finite element analysis .

Keywords:Hyper M esh;Geometry cleanup;Meshing element

0　引言

Hyper M esh 是一款高效的有限元前处理软件,它

可以对有限元模型进行方便灵活地清理和优化,使用网格生成工具来快速地创建有限元网格,极大地提高

了有限元前处理效率[1]

。本文以汽车振动分析中的一个部件———汽车前地板为例,研究了Hyper M esh 前处理过程中涉及到的几何清理和网格划分等关键问题,并对最终的有限元模型进行了模态分析。

1　基于Hyper M esh 的有限元分析过程

Hyper M esh 的强大功能主要体现在可以通过一系列处理过程把CAD 几何模型转化为具有很高处理效能的有限元模型,为准确高效的有限元分析打下基础。因此,最初CAD 模型的建立和最终有限元模型的分析,一般多采用其它更为高效的专业软件,而只

把Hyper M esh 用于与之相衔接的中间处理环节[2]

。2　几何清理问题的研究

211　几何清理的目的

精确完整的动力学模型固然可以提高分析的准确性,但为了提高分析效率、降低分析成本,针对不同的分析目的,对模型进行简化和处理也是十分必要的。某型号汽车前地板的特点是结构复杂、曲面较多。为尽量保证模型的准确性,采用曲面功能强大的三维实体造型软件Pr o /E 对其进行三维模型的创建。CAD 模型创建之后,利用Hyper M esh 与Pro /E 的接口,将文件以1p rt 格式导入到Hy per M esh 中。根据模型结构为薄片状的特点,在进行模态分析时,主要关

心的是结构的线性位移,要求模型能够正确反映振动特性即可,对于模型的某些细小结构可以忽略,这就需要对模型进行几何清理的工作。

212　几何清理的途径

对模型进行几何清理的途径主要有两条:

(1)在三维实体造型软件中对模型进行预先的清理。对于某些模型的特征,单纯依靠Hyper M esh 的几何清理功能是无法完全实现几何清理的目的的,这就需要在三维实体造型软件中预先对这此特征进行一些必要的处理。

(2)在Hy per M esh 中利用Geo metry Cleanup 、De 2feature 和2D Mesh 等菜单中的各项功能对模型进行几

何清理。

图1　

模型特征小孔的几何清理本模型的尺寸约为1270mm ×1210mm,由于面积较大,可以忽略一些对分析结果只产生较小影响的微小尺寸特征。根据实际

情况,本文选取了第二条途径,利用Hyper M esh 提供的几何清理工具,删除对结构分析只产生局部较小影响的倒角、圆角和局部小孔等特征。去掉这些特征可以有效地创建大的几何面,有利于提高网格划分质量。图1所示为对前地板的模型应用Defeature 中的Pinholes 几何清理工具

清除掉直径小于15mm 的小孔。

总的来说,Hyper M esh 的几何清理功能是在三维实体造型软件对模型进行几何清理后,再对模型进行的进一步的细化清理。对模型中的一些小的几何特征,例如倒角、倒圆、小孔、键槽等,可以提前在三维实体造型软件中进行抑制。而面的重新划分、线的压缩、相邻点的合并等进一步细化清理则一般是利用

Hyper M esh 自身的几何清理工具来完成的[3]

。例如,模型中有一些相距很近的共享边,如果将其压缩成压缩边,在网格生成中就会将这些压缩边忽略掉,不会在上面布置节点,有利于控制单元尺寸。通过压缩共享边,抑制共享面的方法,可以在原有在CAD 模型的基础上,更有效地创建大的几何面,为下一步自动网格生成器灵活地划分出高质量的网格提供条件。3　网格划分问题的研究

311　网格划分的关键问题

网格划分是有限元前处理的主要工作,网格划分的优劣对整个有限元分析效果有着重要的影响。划分网格时应注意以下一些关键问题。

(1)

网格数量

图2　

计算精度和时间随网格数量的变化曲线网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲,网格数量增加,计算精度会有所提高,但同时计算规模也会增大,所以在确

定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。图2中的

曲线1和曲线2分别表示计算精度和计算时间随网格数量变化的曲线。可以看出,当网格数量较少时,增加网格数量可以使计算精度明显提高,而计算时间也不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后,再继续增加网格时,计算精度提高甚微,而计算时间却大幅度增加,所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果,如果两次计算结果相差较大,可以继续增加网格,相反则停止计算[4]

。

(2)

网格疏密

图3　网格的疏密

网格疏密是指在结构不同的部位采用疏密不同的网格,这是为了适应计算数据分布不同的特点。在形状较为复杂、计算数据变化梯度

较大的部位(如应力集

中处),为了较好地反映数据变化规律,需要采用比较密集的网格;而在结构相对简单、变形不大、计算

数据变化梯度较小的部位,为减小模型规模,则应划分相对稀疏的网格。这样,整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式,如图3所示。这样的划分方法既保证了网格划分的准确性,又有利于提高分析效率。312　网格生成的算法

Hyper M esh 有一个集中的网格生成工具,称为自动网格生成模式,它对应于Hyper M esh 中2D 页面下的Aut omesh 面板。在划分网格时,默认的网格生成算法是自动确定算法。在这种情况下,Hyper M esh 分析每个面的几何特征,指定每条边的单元密度并选择能获得最好结果的算法。

在自动网格划分过程中,当从小单元向大单元过渡时,为了提高单元质量,可以使用偏置的方法。自动网格划分过程允许偏置放置节点以使它们的间隔尺寸不均匀,可以指定小的间隔从边的起点、中间或终点开始。用来计算节点位置的偏置有三种方法:线性偏置算法、指数偏置算法和对称指数偏置算法。

在线性偏置中,偏置程度与一条斜线正的斜率有关,它的间隔以指定的单元密度被均匀地分割为很多子间隔。

定义n 为单元密度,令

s ∈0,

1

n

,

2

n

,

3

n

,…,

n n

设节点放置函数为x (s ),在[0,1]范围内,x (0)=0,x (1)=1。如果m 是线的斜率,而b 是它们的截断,则有

x (s )=x (0)+C

∫

s

(m ε+b )d ε=x (0)+C m s 2

2

+bs

代入

x (0)=0x (1)=1

,可得C =

2

m +2b

,所以节点放置函数x (s )=s

m s +2b

m +2b

。根据类似的原理,通过计算,我们也可以得到指数偏置算法的节点放置函数和对称指数偏置算法的节点放置函数分别为:

x (s )=C ns

-1

C n

-1

式中:C 为几何增长系数,n 为单元密度。

和　x (s )=

erf

r

2

-erf r 12

-s 2erf

r

2

式中:r 为偏置强度,erf ()为统计误差函数。

313　网格单元的调整

应用网格划分工具进行自动划分单元网格之后,对已划分完成的网格进行质量检查,可能会发现有一些单元质量不大理想,不能满足计算要求,这就需要

(下转第164页)

?

161?第4期边弘晔等:Hyper M esh 有限元前处理关键技术研究

改变K a 值分别为700A /V,1200A /V,2500A /V 时得到的动态曲线如图4所示,由图可知放大器增益越大,系统响应时间越快,系统的稳态误差越小,但是过大会使系统产生较大的振荡,甚至发散造成系统不稳定;减小放大器增益使系统振荡减小,但会增加稳态误差并使系统响应缓慢。因此,在满足系统稳定性的前提下应尽量增大放大器增益,提高系统的动态特

性品质。

图4　放大器增益对动特性的影响

412　液压固有频率对系统动特性的影响

计算得本系统的液压固有频率为408rad /s,当改变液压固有频率分别为200rad /s,100rad /s 时,得到的动态曲线如图5所示,通过仿真可以看到,增大液压固有频率可以提高系统的稳定性以及减小超调量,减小液压固有频率使系统产生振荡甚至发散

。

图5　液压固有频率对动特性的影响

通过以上分析,可以看出放大器增益以及液压固

有频率影响着电液比例调平系统的动态品质,此外影响其因素还有很多,例如控制臂架运动的变幅油缸运动的动特性、调平四连杆机构的设计以及选用电液比例阀的性能等都会对调平系统产生一定的影响,因此,在设计过程中在满足性价比的同时应综合考虑各因素的影响。

5　结束语

本文分析了基于高空作业车电液比例调平的机理,在此基础上建立了闭环控制数学模型,以GT BZ 23030m 高空作业车为例,进行参数的确定,在Matlab /Si mulink 环境下建立仿真模型,得出仿真结果,分析了影响其动特性的因素,为设计提供了参考。同时运用现代仿真软件可以解决时变和非线性的电液比例控制系统的动态仿真问题,为设计提供了手段和方法。

参考文献

【1】周先觉1高空作业机械工作斗调平机构探讨[J ]1建

筑机械技术与管理,1998(1)1

【2】胡元1高空作业车工作平台调平机构[J ]1工程机

械,2006(12)1

【3】卢长耿,李金良1液压控制系统的分析与设计[J ]1

北京:煤炭工业出版社,19911

【4】杨叔子,等1机械工程控制基础[M ]1武昌:华中

科技大学出版社,20001

(上接第161页)

对单元进行调整。单元调整有多种方法,可以对局部重新划分,也可以调整个别节点位置,或拆分个别单元。为了寻找质量差的单元,可以对某些单元质量参数反复使用Check Elem 、Failed Save 和Mask 等功能,然后用Edit Element 个别调整。

4　模型的模态分析

网格划分合格后,首先要清理掉多余的几何信息、设置载荷信息、载荷工况及选定求解器模板等,然后选择输出模板页面下提供的NASTRAN 为求解器,将有限元文件以1db 形式输出为NASTRAN 可识别的文件类型。应用有限元分析软件NASTRAN 对模型进行模态分析,可得到模型在设定条件下各节点的单元信息及固有频率,如图4

所示。

图4　模型节点的单元信息及固有频率

5　结论

Hyper M esh 有限元前处理过程中的几何清理和网

格划分等关键问题的解决,有利于CAD 与CAE 的无

缝结合,对提高基于Hyper M esh 的有限元分析工作的质量和效率具有重要意义。

参考文献

【1】A ltair Hyper M esh 基础培训教程[M ]1上海:澳汰尔

工程软件(上海)有限公司,20031【2】于开平,周传月,谭惠丰,等1Hyper M esh 从入门到

精通[M ]1北京:科学出版社,20051

【3】刘荣军1有限元建模中的几何清理问题[J ]1机械设

计与制造,2005(9):1461

【4】杜平安1有限元网格划分基本原则[J ]1机械设计与

制造,2000(1):34-361

?

461?机床与液压第36卷