HyperWorks 14.0 轮毂仿真全流程详细教程
一、前期准备
1.1 软件启动
- 双击桌面 HyperWorks 14.0 图标
- 在启动界面选择 HyperMesh
- User Profile选择:OptiStruct 或 Radioss(根据求解器选择)
1.2 设置工作目录
- 菜单栏:File → Set Work Directory
- 浏览到项目文件夹,点击 OK
二、几何导入与处理(HyperMesh)
2.1 导入CAD模型
- File → Import → Geometry
- 文件类型选择(File Type):
.iges
/.igs
.step
/.stp
.catia
/.prt
- 点击 浏览,选择轮毂CAD文件
- Import选项设置:
- Geometry cleanup tolerance:
0.1 mm
- Stitch surfaces:
勾选
- Fix geometry:
勾选
- Geometry cleanup tolerance:
- 点击 Import 按钮
2.2 几何检查
- 工具栏点击 Geometry 面板
- 点击 edges 按钮,检查:
- Free edges(自由边)- 应该为零
- Shared edges(共享边)- 正常
- 如有问题,使用 Geom → Edit → Filler 修补破面
2.3 几何简化
- Tool → Defeature
- Small features: 勾选
- Threshold size:
2.0 mm
(小于此值的特征将被移除) - Remove small holes: 勾选
- Hole diameter:
3.0 mm
- 选择轮毂实体,点击 Apply
三、网格划分
3.1 创建网格控制面
- 点击 2D → automesh 面板
- 切换到 create 子面板
- Element size设置:
3.0 mm
(初始单元尺寸) - Element type:quad(四边形)或 tria(三角形)
- 选择轮毂表面,点击 mesh 生成表面网格
3.2 表面网格质量检查
- Tool → Check Elems 面板
- 检查项目设置:
- Aspect Ratio:
< 5.0
(长宽比) - Skew:
< 60度
(歪斜角) - Warpage:
< 15度
(翘曲) - Jacobian:
> 0.7
(雅可比) - Min Angle:
> 30度
- Max Angle:
< 150度
- Aspect Ratio:
- 点击 Check 按钮
- 不合格单元会高亮显示(红色/黄色)
3.3 网格质量优化
- Tool → Optimize 面板
- 选择不合格单元
- Optimization type:smooth
- Iterations:
5
(迭代次数) - 点击 Optimize 按钮
3.4 生成体网格(实体单元)
方法A:四面体网格(自动)
- 3D → tetramesh 面板
- Element type:CTETRA(OptiStruct)或 SOLID(Radioss)
- Element size:
3.0 mm
- Order:first order(一阶)或 second order(二阶,精度更高)
- 选择轮毂封闭表面,点击 mesh
方法B:六面体网格(手动,质量更高)
- 3D → solid map 面板
- 先创建源面和目标面
- Element size:
3.0 mm
- Mesh type:hexa
- 需要将几何分块后逐块划分
3.5 最终网格检查
- 总单元数:建议 50,000 - 200,000(根据精度要求)
- 节点数:记录备用
- 再次进行 Check Elems,确保所有单元合格
四、材料属性定义
4.1 创建材料
- 左侧树状菜单:Model → Material
- 右键点击空白处:Create → Material
- Name:
Aluminum_Alloy_A356
(铝合金)
4.2 设置材料参数
铝合金A356典型参数:
- Card Image:
MAT1
(OptiStruct) - E(弹性模量):
72000 MPa
- NU(泊松比):
0.33
- RHO(密度):
2.685e-9 tonne/mm³
- GE(结构阻尼):
0.0
(可选)
点击 Return 保存
4.3 创建属性
- Model → Property
- 右键:Create → Property
- Name:
Wheel_Property
- Card Image:PSOLID(实体单元属性)
- Material:选择
Aluminum_Alloy_A356
- 点击 Return
4.4 分配属性到单元
- Update 面板
- Entity type:elements
- Property:选择
Wheel_Property
- 选择所有轮毂单元(快捷键:
Ctrl+A
,然后过滤) - 点击 Update
五、载荷与边界条件
5.1 创建载荷工况(Load Collector)
- Model → Load Collector
- 创建以下工况:
- Radial_Load(径向载荷)
- Lateral_Load(侧向载荷)
- Braking_Torque(制动扭矩)
- SPC_Bolt(螺栓约束)
5.2 定义坐标系(可选)
- Tool → System 面板
- 创建圆柱坐标系:
- Origin:轮毂中心
(0, 0, 0)
- Z-axis:轴向
- X-axis:径向
- Origin:轮毂中心
5.3 施加约束(轮毂螺栓孔区域)
- Analysis → Constraints 面板
- Load Collector:选择
SPC_Bolt
- Create:选择螺栓孔内表面节点
- DOF(自由度):
- DOF1 (X): 勾选
- DOF2 (Y): 勾选
- DOF3 (Z): 勾选
- DOF4-6: 根据需要(旋转自由度)
- 点击 create 按钮
5.4 施加径向载荷
- Analysis → Forces 面板
- Load Collector:
Radial_Load
- 选择轮毂外圆接地区域节点
- 输入力值:
- Magnitude:
5000 N
(根据车重计算) - Vector:
(0, 0, -1)
(Z向下)
- Magnitude:
- 点击 create
5.5 施加侧向载荷
- Load Collector:
Lateral_Load
- 选择轮胎接触区域节点
- 输入:
- Magnitude:
2000 N
(转弯工况) - Vector:
(0, 1, 0)
(Y方向)
- Magnitude:
- 点击 create
5.6 施加扭矩(制动工况)
- Analysis → Moments 面板
- Load Collector:
Braking_Torque
- 选择制动盘安装面节点
- 输入:
- Magnitude:
1500 N·m
- Vector:
(1, 0, 0)
(绕X轴)
- Magnitude:
- 点击 create
六、创建载荷步(Load Step)
6.1 静力分析设置
- Analysis → Load Step 面板
- Create → Linear Static
- Name:
Static_Analysis
- 配置:
- SPC: 选择
SPC_Bolt
- LOAD: 选择需要的载荷组合(如
Radial_Load
) - Analysis type:
Linear Static
- SPC: 选择
6.2 组合载荷工况(可选)
- 可创建多个Load Step分析不同工况:
- Case1: 纯径向 + 约束
- Case2: 径向 + 侧向 + 约束
- Case3: 径向 + 制动扭矩 + 约束
七、求解器设置与运行
7.1 导出求解文件
- File → Export → Solver Deck
- 文件名:
wheel_analysis.fem
- Export options:
- Element formulation:
勾选
- Material data:
勾选
- Load data:
勾选
- Element formulation:
- 点击 Export
7.2 运行求解器(OptiStruct)
方法A:通过HyperMesh
- Analysis → OptiStruct 面板
- Input file:浏览选择
wheel_analysis.fem
- Run options:
- analysis:
勾选
- optimization:
不勾选
- analysis:
- Export options:
- -out:
勾选
(输出到屏幕) - -nproc:
4
(使用4核并行,根据电脑配置)
- -out:
- 点击 OptiStruct 运行
方法B:命令行运行
cd work_directory
optistruct wheel_analysis.fem -nt 4
7.3 监控求解过程
- 查看
.out
文件实时输出 - 关键信息:
- Grid Point Weight(质量检查)
- Iteration History(迭代过程)
- Error/Warning messages(错误/警告)
八、后处理分析(HyperView)
8.1 启动HyperView
- 求解完成后,HyperMesh会自动启动HyperView
- 或手动启动:Start → HyperView
8.2 加载结果文件
- File → Open → Results
- 选择
wheel_analysis.h3d
文件 - 点击 Apply
8.3 应力分析
- Result type:
Element Stresses (2D & 3D)
- 切换到 Contour 面板
- 选择应力类型:
- von Mises(米塞斯等效应力)
- Max Principal(最大主应力)
- Min Principal(最小主应力)
设置显示选项
- Averaging method:Simple
- Component:von Mises
- Derived results:Stress
- 点击 Apply
调整色标
- 右键点击色标 → Edit Legend
- Min value:
0 MPa
- Max value:
根据材料屈服强度设置
(A356约220 MPa) - Number of colors:
9
8.4 位移分析
- Result type:
Displacement (v)
- Component:Mag(位移幅值)
- 点击 Apply
- 记录最大位移值
8.5 应变分析
- Result type:
Element Strains (2D & 3D)
- Component:von Mises
- 点击 Apply
8.6 安全系数计算
- Tool → Stress Margin
- Material Limit:
220 MPa
(屈服强度) - 计算安全系数 = 屈服强度 / 最大应力
- 标准:FOS ≥ 1.5(静载)或 ≥ 3.0(疲劳)
8.7 截面视图
- View → Section Cut 面板
- Method:Plane
- 定义切面:
- Base point:
(0, 0, 0)
- Normal:
(1, 0, 0)
(X方向切面)
- Base point:
- 观察内部应力分布
8.8 动画生成
- Animation 面板
- Type:Modal(模态)或 Transient(瞬态)
- Number of frames:
20
- 点击 Start 播放变形动画
九、结果评估与优化
9.1 关键评价指标
评价项 | 标准值 | 实测值 | 判定 |
---|---|---|---|
最大应力 | < 150 MPa | 填写 | √/× |
最大位移 | < 2.0 mm | 填写 | √/× |
安全系数 | > 1.5 | 填写 | √/× |
最大应变 | < 0.002 | 填写 | √/× |
9.2 结果验证
- 检查应力集中位置:通常在轮辐根部、螺栓孔周围
- 变形是否合理:应向下弯曲
- 约束反力:检查支反力是否平衡
9.3 优化建议
如果不满足要求:
- 加厚危险区域(轮辐根部)
- 增加加强筋
- 优化轮辐数量和形状
- 改用更高强度材料
- 调整网格密度重新分析
十、报告生成
10.1 捕获图像
- HyperView中:File → Save → Image
- Format:PNG 或 JPEG
- Resolution:
1920x1080
(高清) - 保存关键视图:
- 应力云图(等轴测视图)
- 应力云图(正视图)
- 位移云图
- 局部应力放大图
10.2 导出数据
- File → Export → Report
- 选择输出内容:
- Max/Min values
- Element/Node details
- Format:HTML 或 PDF
10.3 生成分析报告
报告应包含:
- 项目概述
- 模型信息(单元数、材料、载荷)
- 网格质量报告
- 应力/位移结果
- 安全评估
- 优化建议
十一、常见问题与解决
11.1 网格问题
- 问题:大量扭曲单元
- 解决:降低单元尺寸,使用 auto cleanup
11.2 收敛问题
- 问题:求解器报告不收敛
- 解决:
- 检查约束是否充分(避免刚体运动)
- 检查单元质量
- 使用 NLGEOM(大变形)选项
11.3 应力奇异
- 问题:约束点应力异常高
- 解决:
- 使用 RBE3(柔性刚性单元)分配载荷
- 增加约束区域面积
- 评估时忽略奇异点
11.4 内存不足
- 问题:网格过密导致内存溢出
- 解决:
- 减少单元数量
- 使用 out-of-core 求解选项
- 增大虚拟内存
十二、高级分析(可选)
12.1 疲劳分析
- 在HyperMesh中定义 S-N曲线
- 设置循环载荷谱
- 运行 Fatigue 分析
- 评估寿命预测(循环次数)
12.2 模态分析
- 创建 Modal Analysis Load Step
- Number of modes:
10
(前10阶模态) - 求解后查看固有频率和振型
- 避免共振频率设计
12.3 优化设计
- 使用 OptiStruct 拓扑优化
- 定义:
- Design space(设计空间)
- Objective(目标:最小化质量)
- Constraints(约束:应力限制)
- 运行优化迭代
- 提取优化几何
附录:快捷键参考
功能 | 快捷键 |
---|---|
保存模型 | Ctrl + S |
撤销 | Ctrl + Z |
重做 | Ctrl + Y |
全选 | Ctrl + A |
适应视图 | F |
隐藏 | H |
显示全部 | Shift + H |
旋转视图 | 鼠标中键拖动 |
平移视图 | Shift + 中键 |
缩放 | 滚轮 |
完成整个流程预计时间:4-8小时(根据模型复杂度和经验)