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HyperWorks 14.0 轮毂仿真全流程详细教程

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:OptiStructRadioss(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

  1. File → Import → Geometry
  2. 文件类型选择(File Type):
    • .iges / .igs
    • .step / .stp
    • .catia / .prt
  3. 点击 浏览,选择轮毂CAD文件
  4. Import选项设置:
    • Geometry cleanup tolerance: 0.1 mm
    • Stitch surfaces: 勾选
    • Fix geometry: 勾选
  5. 点击 Import 按钮

2.2 几何检查

  1. 工具栏点击 Geometry 面板
  2. 点击 edges 按钮,检查:
    • Free edges(自由边)- 应该为零
    • Shared edges(共享边)- 正常
  3. 如有问题,使用 Geom → Edit → Filler 修补破面

2.3 几何简化

  1. 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
  2. 选择轮毂实体,点击 Apply

三、网格划分

3.1 创建网格控制面

  1. 点击 2Dautomesh 面板
  2. 切换到 create 子面板
  3. Element size设置:3.0 mm(初始单元尺寸)
  4. Element type:quad(四边形)或 tria(三角形)
  5. 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

  1. Tool → Check Elems 面板
  2. 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
  3. 点击 Check 按钮
  4. 不合格单元会高亮显示(红色/黄色)

3.3 网格质量优化

  1. Tool → Optimize 面板
  2. 选择不合格单元
  3. Optimization type:smooth
  4. Iterations:5(迭代次数)
  5. 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)

  1. 3Dtetramesh 面板
  2. Element type:CTETRA(OptiStruct)或 SOLID(Radioss)
  3. Element size:3.0 mm
  4. Order:first order(一阶)或 second order(二阶,精度更高)
  5. 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)

  1. 3Dsolid map 面板
  2. 先创建源面和目标面
  3. Element size:3.0 mm
  4. Mesh type:hexa
  5. 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

  1. 左侧树状菜单:Model → Material
  2. 右键点击空白处:Create → Material
  3. 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

  1. Model → Property
  2. 右键:Create → Property
  3. Name:Wheel_Property
  4. Card Image:PSOLID(实体单元属性)
  5. Material:选择 Aluminum_Alloy_A356
  6. 点击 Return

4.4 分配属性到单元

  1. Update 面板
  2. Entity type:elements
  3. Property:选择 Wheel_Property
  4. 选择所有轮毂单元(快捷键:Ctrl+A,然后过滤)
  5. 点击 Update

五、载荷与边界条件

5.1 创建载荷工况(Load Collector)

  1. Model → Load Collector
  2. 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)

  1. Tool → System 面板
  2. 创建圆柱坐标系:
    • Origin:轮毂中心 (0, 0, 0)
    • Z-axis:轴向
    • X-axis:径向

5.3 施加约束(轮毂螺栓孔区域)

  1. Analysis → Constraints 面板
  2. Load Collector:选择 SPC_Bolt
  3. Create:选择螺栓孔内表面节点
  4. 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)
  5. 点击 create 按钮

5.4 施加径向载荷

  1. Analysis → Forces 面板
  2. Load Collector:Radial_Load
  3. 选择轮毂外圆接地区域节点
  4. 输入力值:
    • Magnitude: 5000 N(根据车重计算)
    • Vector: (0, 0, -1)(Z向下)
  5. 点击 create

5.5 施加侧向载荷

  1. Load Collector:Lateral_Load
  2. 选择轮胎接触区域节点
  3. 输入:
    • Magnitude: 2000 N(转弯工况)
    • Vector: (0, 1, 0)(Y方向)
  4. 点击 create

5.6 施加扭矩(制动工况)

  1. Analysis → Moments 面板
  2. Load Collector:Braking_Torque
  3. 选择制动盘安装面节点
  4. 输入:
    • Magnitude: 1500 N·m
    • Vector: (1, 0, 0)(绕X轴)
  5. 点击 create

六、创建载荷步(Load Step)

6.1 静力分析设置

  1. Analysis → Load Step 面板
  2. Create → Linear Static
  3. Name:Static_Analysis
  4. 配置:
    • SPC: 选择 SPC_Bolt
    • LOAD: 选择需要的载荷组合(如 Radial_Load
    • Analysis type: Linear Static

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

  1. File → Export → Solver Deck
  2. 文件名:wheel_analysis.fem
  3. Export options:
    • Element formulation: 勾选
    • Material data: 勾选
    • Load data: 勾选
  4. 点击 Export

7.2 运行求解器(OptiStruct)

方法A:通过HyperMesh

  1. Analysis → OptiStruct 面板
  2. Input file:浏览选择 wheel_analysis.fem
  3. Run options:
    • analysis: 勾选
    • optimization: 不勾选
  4. Export options:
    • -out: 勾选(输出到屏幕)
    • -nproc: 4(使用4核并行,根据电脑配置)
  5. 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

  1. 求解完成后,HyperMesh会自动启动HyperView
  2. 或手动启动:Start → HyperView

8.2 加载结果文件

  1. File → Open → Results
  2. 选择 wheel_analysis.h3d 文件
  3. 点击 Apply

8.3 应力分析

  1. Result type: Element Stresses (2D & 3D)
  2. 切换到 Contour 面板
  3. 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

  1. Result type:Displacement (v)
  2. Component:Mag(位移幅值)
  3. 点击 Apply
  4. 记录最大位移值

8.5 应变分析

  1. Result type:Element Strains (2D & 3D)
  2. Component:von Mises
  3. 点击 Apply

8.6 安全系数计算

  1. Tool → Stress Margin
  2. Material Limit:220 MPa(屈服强度)
  3. 计算安全系数 = 屈服强度 / 最大应力
  4. 标准:FOS ≥ 1.5(静载)或 ≥ 3.0(疲劳)

8.7 截面视图

  1. View → Section Cut 面板
  2. Method:Plane
  3. 定义切面:
    • Base point:(0, 0, 0)
    • Normal:(1, 0, 0)(X方向切面)
  4. 观察内部应力分布

8.8 动画生成

  1. Animation 面板
  2. Type:Modal(模态)或 Transient(瞬态)
  3. Number of frames:20
  4. 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:

  1. 加厚危险区域(轮辐根部)
  2. 增加加强筋
  3. 优化轮辐数量和形状
  4. 改用更高强度材料
  5. 调整网格密度重新分析

十、报告生成

10.1 捕获图像

  1. HyperView中:File → Save → Image
  2. Format:PNGJPEG
  3. Resolution:1920x1080(高清)
  4. 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

  1. File → Export → Report
  2. 选择输出内容:
    • Max/Min values
    • Element/Node details
  3. Format:HTMLPDF

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

  1. 在HyperMesh中定义 S-N曲线
  2. 设置循环载荷谱
  3. 运行 Fatigue 分析
  4. 评估寿命预测(循环次数)

12.2 模态分析

  1. 创建 Modal Analysis Load Step
  2. Number of modes:10(前10阶模态)
  3. 求解后查看固有频率和振型
  4. 避免共振频率设计

12.3 优化设计

  1. 使用 OptiStruct 拓扑优化
  2. 定义:
    • Design space(设计空间)
    • Objective(目标:最小化质量)
    • Constraints(约束:应力限制)
  3. 运行优化迭代
  4. 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)

http://www.hskmm.com/?act=detail&tid=22510

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