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Hypermesh网格划分.pdf
封面
目录
前言及关于此书
第一篇
HW学生手册-1.1~1.4
1.1 本书的对象？
1T这本书主要目的是为有限元分析1T(FEA)1T的初学者及HyperWorks的初始用户提供基本的有限元信息。
1T了解一个新的CAE系统，如HyperWorks, 与学习其他技能如一门新的语言一样，刚开始会提出类似如下一些问题：
1T那么，你如何熟悉FEA，继而成为一名熟练的HyperWorks的用户？
1.3分析类型
线性静态分析
实际应力应变曲线
应力
应变
线性：
静态:
1)施加的力是静止不变的，即是相对于时间来说没有变化。
2)平衡条件∑forces (Fx , Fy , Fz)和∑Moments (Mx , My , Mz) = 0
非线性分析
非线性
非线性分析意味着:
非线性材料
在E范围内 (非金属) 超过E之后 (金属)
应力-应变曲线，以及材料硬化指数，必需作为输入的数据
蠕变-高温，即使是微弱的力，如果一直长时间作用（几月或几年）也会导致失效。应用在核电厂、热电厂、土木工程等。
几何非线性
动力学分析
动力学分析
自然频率 外部激励响应
线性屈曲分析
软件计算输出结果：负载的临界值。
热分析
传热模式
强迫对流
漫射
疲劳分析
高周疲劳
s-n曲线
低周疲劳
优化
优化
几何参数
形状优化
U实际应用：U适用于任何已经结束或正在设计的部件。
计算流体动力学（CFD）
流体静力(Hydrostatics)
流体动力学
碰撞分析
振动、噪声和平顺性（NVH）
NVH问题大致分为结构噪声和气动噪声。
1.4 有限元分析基本原理
解决所有工程问题的方法
处理解析或数值计算问题的步骤
步骤一：写出控制方程---问题定义，也就是用数学方程描述问题。
步骤二：数学（方法）求解控制方程。
最终结果是将第一步和第二步综合起来，当这两个步骤（解析法）都没有近似解时则结果为100%准确。
数值计算法在步骤一和步骤二中采用近似法，因此所有的数值计算法结果都是近似解。
数值计算方法简介
1）有限元法(FEM):
有限元法是最广泛的计算方法。
FEA和FEM是否相同？
有限元法(FEM)和有限元分析(FEA)二者意思相同。“FEA”多用于工程行业，而“FEM”多用于高校。
FEA/FEM和与其相似却不同概念的FMEA（失效模式与影响分析）之间很容易产生混淆。FEA/FEM通常只用于设计或研发部门，而FMEA在很多部门都可以使用。
这种强大的解析法能够高效地解决声学分析或NVH问题。如有限元法一样需要节点和单元，但顾名思义，它只参考域的外边界。所以当求解对象是一个体时，只考虑最外表面。如果属于一个区域，只参考最外围。这样，通过降低一个维数而更快速地解决问题。
大部分的计算流体动力学(CFD)软件都是基于有限体积法。有限体积法只参考单位体积（同有限元分析中的单元相似）。节点上的变量属性包括压力、速度、面积、质量等，是基于二维Navier-Stokes方程（质量、动量和能量守恒平衡方程）。
有限元法和有限差分法有很多相似之处。通常有限差分法是指求解微分方程的一种方法。它使用Taylor级数将微分方程转换为代数方程。在转换过程中忽略高阶项。与边界元分析或有限体积法结合来解决热学分析和计算流体动力学耦合问题。
离散化问题
两种解决办法
连续方法
什么是自由度？
Force
P
P’
何时我们才能说我们知道上述问题的解决方案？
B
A
为什么进行网格划分？什么是有限元法？
FEM
如何从少数的计算点插值结果？
有限元分析计算外部节点1，2，3，4的值，即a0, a1, a2, a3是已知的。
如果计算点（节点和元素）数量增加，精确度如何？
No. of Lines
有限元分析的优势
HW学生手册2.1
HW学生手册3.1~3.4
第1章_常见错误
第2章_单位一致性
第3章_HyperMesh中的几何
第4章_网格划分基础
第5章_1D网格划分
第6章_2D网格划分
第7章_3D网格划分
第8章_单元质量和检查
第9章_材料与属性信息
第10章_边界条件和载荷
未标题
第11章_线性静态分析
第12章_线性屈曲分析
第13章_非线性分析
第14章_后处理
有限元仿真实践原理
学生参考书
HyperWorks is a division of altairuniversity.com
有限元仿真实践原理 - 学生参考书目录
前言
关于本书
第一篇：有限元分析介绍
第 1 章：有限元分析介绍
1.1 本书的对象？
1.2 CAE 驱动设计流程
1.3 分析类型
1.4 有限元分析基本原理
第 2 章：进行有限元分析前的准备
2.1 进行有限元分析需要的基本信息
第 3 章：战略规划
3.1 规划求解策略
3.2 创建解决方案清单
3.3 边界条件与工况
3.4 线性假定
第二篇：建模
第 1 章：常见错误
1.1 组织类的错误
1.2 建模和可视化
第 2 章：单位一致性
第 3 章：HyperMesh 中的几何
3.1 HyperMesh 几何术语
3.2 HyperMesh 几何清理
3.3 几何创建与编辑
3.4 导入几何
3.5 教程和视频推荐
3.6 学生赛车项目——介绍和 CAD
第 4 章：网格划分基础
4.1 为什么要划分网格
4.2 单元类型
4.3 如何选择单元类型
4.4 能否使用一维、二维或三维单元解决同一问题
4.5 如何确定单元尺寸
4.6 怎样开始划分网格
4.7 网格划分技术
4.8 关键区域的网格划分
4.9 网格显示选项
4.10 理解单元力学性能
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第 6 章：2D 网格划分
6.1 2D 网格适用的场合
6.2 2D 单元的单元族
6.3 薄壳单元
6.4 关键区域 Bias 参数的影响
6.5 对称边界条件
6.6 壳网格划分的单元类型选项
6.7 几何关联网格
6.8 哪些网格应该避免
6.9 在 HyperMesh 中创建 2D 单元
6.10 2D 网格划分教程和交互视频
第 5 章：1D 网格划分
5.1 何时使用 1D 单元
5.2 刚度矩阵推导
5.3 刚度矩阵– 2 个 Rod 单元组合
5.4 Beam 单元
5.5 Beam/Bar 单元的特征
5.6 Rigid 单元
5.7 紧固件
5.8 在 HyperMesh 中划分 1D 单元
5.9 1D 网格划分教程与交互式视频
5.10 学生赛车项目－1D 网格划分
4.11 单元的选择
4.12 网格密度和结果收敛性
第 7 章：3D 网格划分
7.1 3D 单元的适用场合
7.2 实体单元的自由度
7.3 四面体网格划分技术
7.4 六面体网格划分
7.5 应该避免哪些网格问题
7.6 使用 HyperMesh 创建 3D 单元
7.7 有关 3D 网格划分的教程/交互视频等
第 8 章：单元质量和检查
8.1 不兼容和机构
8.2 通用的单元质量检测方法
8.3 2D 单元质量检查
8.4 其它针对 2D 网格的检查
8.5 四面体单元质量检查
8.6 四面体网格的其它检查项
8.7 六面体网格质量检查
8.8 六面体网格其它检查项
8.9 HyperMesh 中的网格检查工具
8.10 网格检查工具和交互教程
8.11 学生赛车项目-网格质量
第 9 章：材料与属性信息
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9.1 胡克定律与两个常数
9.2 广义胡克定律方程及其 36 个常量
9.3 材料分类
9.4 材料属性
9.5 材料与属性教程及交互视频
9.6 大学生赛车项目－材料定义
第 10 章：边界条件和载荷
10.1 边界条件
10.2 如何施加约束
10.3 对称
10.4 在 HyperMesh 里创建工况
10.5 讨论 RADIOSS 中的 AUTOSPC
10.6 教程和交互视频
10.7 学生赛车项目-边界条件
第 11 章：线性静态分析
11.1 线性静态分析
11.2 HyperMesh 设定线性静态分析
11.3 线性静态分析教程和交互式视频
11.4 项目：旋转圆盘分析
11.5 学生赛车项目：线性静态分析
第 12 章：线性屈曲分析
12.1 引言
12.2 屈曲
12.3 弹性屈曲
12.4 RADIOSS 线性稳定性分析
12.5 线性屈曲分析教程和视频
第 13 章：非线性分析
13.1 简介
13.2 线性和非线性 FEA 对比
13.3 非线性的类型
13.4 非线性分析中的应力-应变关系度量
13.5 非线性有限元分析的基本步骤
13.6 非线性静力分析的一般流程
13.7 RADIOSS 中进行非线性分析
13.8 非线性分析教程和视频
第 14 章：后处理
14.1 如何判断和检查结果的准确性
14.2 如何判断和理解结果
14.3 在 HyperView 中进行后处理
14.4 后处理特殊技巧
14.5 理解结果和设计变更
14.6 CAE 报告
14.7 后处理的教程和视频
14.8 大学生赛车项目：后处理
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3
前言
仿真技术从上世纪 70 年代在航空航天及汽车行业得到普及应用以来已走过了漫长的道路，我们仍然可以看
到一些沿用的术语，如：“卡片”或“打孔”等今天的用户可能从来没有见过或使用过的。工程师们通常是保守的和
不善于快速变化的，这对于维护他们设计的产品的安全性方面是有益的。但我们是处在不断变化、加快技术革
新的时代，如今仿真已用于各行业的产品设计与制造，从牙刷到火箭发动机。对仿真工程师需求达到了前所未
有的高度，计算技术快速发展，今天的移动设备的功能十分强大，能存储的信息比仿真早期的超级计算机还要
多，人们已多次预测计算技术仍在以幂指数级发展。唯一不变的是这些仿真计算背后的基本物理学理论。因此，
在这样多需求、高能力的时代，我们将走向哪里？
对于仿真模型，简化模型的假设越来越少而要考虑得的模型细节越来越多，同时要求在合理的时间里得到
计算答案。当模型更为复杂如要求满足各种条件的装配模型，分析结果、输入输出等信息存储需求量不断增加。
如何满足当今的仿真需求，Altair 正在致力于为工程师创造未来之路，即革新和变革。我们不断努力地使我们的
传统仿真工具更加现代化、更加易用、更加高效地处理大模型，为未来的工程师提供更加便利的新的工作方式。
未来面临的挑战是如何合理地进行化繁为简。相对于现在仿真流程更加系统化并更具指导意义，解决同一
问题的两个工程师应该建立可重复再现的流程，能够得到相似的结果；通过随机分析可以实现更逼真再现现实
的变化，这将成为产品标准仿真过程的一部分；在团队和团队间可以共享数据和流程。最后，应用先进的技术，
我们可以看到从远程计算的结果返回或我们称之为云计算包括高速的 3 维图像技术。Altair 正在全方位地为全球
客户提供上述的各种最好的技术和经验 。
从本书的内容，你可以看到我们致力于的各个层面，但现实是有很多你要学习的知识，仿真无穷尽。祝你
好运，我们希望对你的现在及将来的职业生涯都有所帮助。
James E. Brancheau
CTO, Altair Engineering
4
关于本书
多年来 Altair 公司已发展成为一个成熟的拥有 RADIOSS （线性和非线性隐式和显式有限元分析），
OptiStruct 和 solidThinking Inspire（结构优化），MotionSolve（多体动力学仿真），并 AcuSolve 解算器（耦
合流体动力学 CFD）的著名公司
我们始终以“伸出我们的手”到高校-在过去主要针对模型（前处理）和可视化（处理后），今天， Altair 公
司的 CAE 的产品更“完整”，对大学更具吸引力。事实上，许多学院已将 HyperWorks 列入他们的教育计划，以
培养学生的仿真驱动设计的能力，包括建模，结构优化，分析（即线性和非线性静态和动态），复合材料，
CFD ，可视化，流程自动化和仿真数据管理。为了广大师生广泛使用 HyperWorks，Altair 发布了 HyperWorks
学生版。
“这是令人振奋的消息， HyperWorks 学生版的发布” 西北大学（Northwestern University）工
程设计专业的Wei Chen 博士，Wilson-Cook 教授说： “这真正体现出Altair 的承诺，以提高学生
的课堂以外的学习经验，使他们能够加强他们的工程知识和课堂教学。”
尽管 Altair 已提供在大学校园里的技术培训、现场研讨会、大量的培训用模
型、电子学习视频、论坛、学术用户会议、学生工作坊等，我们认识到，一个专
用的 CAE 书，包括一些最佳实践及使用小贴士是十分必要的。这一刻，我们决
定公布这本 CAE 专业知识的书，借此来回答学生提出的典型问题。
在写书过程中，我们读到了 Nitin S. Gokhale 和他的团队著作的
“Practical Finite Element Analysis (from Finite To Infinite)”，“有限元分析
实践（来自 Finite To Infinite）”
这是一本非常棒的书，聚焦了我们所关心的问题，Nitin S. Gokhale 和他的团
队同意我们将他们的书与 Altair 的培训教程融合一本新书，书名为：有限元仿真
实践原理 （学生参考书）
这种协同工作的第一个版本可能不太不完善。但是，我们认为 “现在提供实实
在在的小东西，比只是许诺未来再提供完整的解决方案好得多”
由于这本书是一本电子图书，我们将一步一步不断增加其它的仿真学科，如优化、碰撞模拟、热分析、
NVH、CFD、多体系统动力学等。
期待您的加入
根据你个人的处事哲学理论，我们很乐意你能将自己的总结（文章或章节）写入这本书中。毫无疑问，你
的贡献将会得到相应地认可 - 就像我们目前为止已经收到的大家做出的贡献。
敬请期待，享受这本书的第一版，并让我们知道它是否帮助你开始使用 CAE。
祝好！
代表“HyperWorks 高校团队与 Finite To Infinite 的合作”
Matthias Goelke
在此，衷心感谢以下各位对此书的贡献：
Rajneesh Shinde, Nelson Dias, Srirangam R. Srirangarajan (Altair India)
Elizabeth White, Sean Putman, David Schmueser, John Brink, Jim Brancheau, Ralph Krawczyk, Chad
Zamler, Jeff Brennan (Altair USA) Hossein Shakourzadeh (Altair France)
Baljesh Mehmi, Gareth Lee, Nicola Turner (Altair UK)
Jan Grasmannsdorf, Thomas Lehmann, Sascha Beuermann, Debdatta Sen, Kristian Holm, Patrick
Zerbe, Marian Bulla, Juergen Kranzeder, Bernhard Wiedemann (Altair Germany) Markus Kriesch and Andre Wehr
(Universitaet der Bundeswehr Muenchen / Germany )
5
I 有限元分析介绍
这 一 章 的 一 部 分 材 料 来 自 " Practical Finite Element Analysis" 一 书 ， 另 外 部 分 是
由 Matthias Goelke和Jan Grasmannsdorf增加的。
1.1 本书的对象？
问题：
这本书主要目的是为有限元分析 (FEA)的初学者及HyperWorks的初始用户提供基本的有限元信息。
了解一个新的CAE系统，如HyperWorks, 与学习其他技能如一门新的语言一样，刚开始会提出类似如下一些
从那里开始?
什么规则最重要?
从那里学?
什么时候学?
那么，你如何熟悉FEA，继而成为一名熟练的HyperWorks的用户？
虽说活到老学到老，但我们都会面临一个重要的挑战：无论何时何地，我们总是缺少时间。因为我们接受
的教育要永不停顿地加大生活和工作的步伐。
因此，学新的技术当然是越快越易学越好。否则我们永远不会走出第一步。
为了支持你付出的努力，让你更多地了解有限元法和HyperWorks技术，除了这本书以外，我们还提供：
一组扩展的电子学习材料，包括免费网络研讨会和视频（比如：HyperWorks Starter Kit Video Series）
一套完整的教程和使用手册（比如：HyperMesh Basic, OptiStruct Basic, HyperWorks Starter Manual
- 一种对初学者最佳实践指南，等等）
在贵校或 Altair 的技术讲座
最佳实践的技巧和窍门
学术用户会议
学术博客（我们的 HyperWorks 知识库解决学生、老师和研究人员的特别的问题）
技术支持论坛
高校新闻速递
联系人（如果你遇到困难）
我们有信心这些“基础设施”将帮助你加快掌握有限元及HyperWorks技术。
1.2 CAE 驱动设计流程
这几年“CAE驱动设计流程”在大多数行业具有显著的吸引力，例如在航空航天、汽车、生物医药、消费品、
国防、能源、电子、重工业及船舶工业。CAE被广泛接受的主要原因是因为仿真已被证明可以帮助：
新的创意设计
质量更优的产品，即提升材料使用率（更少材料＝更轻设计）
更快的设计，即通过 减少试错缩短开发周期、减少样机数量
换言之，仿真节省了时间，降低了成本，本质上增强公司的竞争力及其市场地位。
6
做分析的时候,我们总是想达到最佳的设计，但是我们在进行最优设计时采用的方法和工具总是会产生相异
性。在很多地方设计过程还是一个对原始设计进行反复的测试－纠错。这不是一个完善的设计流程，对于设计的
更改要取决于工程师的经验。由于这些挑战和问题，不能确保得到最佳的设计。
为了克服这些困难，数值优化技术被用于探索／确定最佳的设计。
采用 Altair 的设计理念，将概念优化设计置于设计流程的前期，在概念设计阶段就能形成好的初始设计方案。
从优化好的概念设计开始CAE流程寻找最优设计 似乎是矛盾的，怎么可能呢？
从上图的详细的优化流程可见一斑，整个流程是：
1. 定义最大值／设计空间，如果需要, 可定义非设计空间
2. 划分有限元网格（设计区域和非设计区域）
3. 给定材料属性
4. 定义载荷与约束
5. 指定优化目标，比如指定最小的重量/体积，确保移位不超过特定的值
这种概念优化过程会回答一些重要的问题，比如从哪里去除材料和在哪里铺设加强筋等 。接着还可以采用
Altair其他的优化设计方法进行进一步的设计，比如如何 改变局部几何以减少最大应力，或者加强筋应该多厚。
通过这样的设计流程会消除不必要的重新设计循环，不仅缩短了设计周期，而且也得到更有竞争力的产品。
1.3 分析类型
CAE(Computer Aided Engineering)的全称为计算机辅助工程，一般包含以下的分析类型：
1) 线性静态分析
2) 非线性分析
3) 动力学分析
4) 屈曲分析
5) 热分析
6) 疲劳分析
7) 优化
8) 流体分析
9) 碰撞分析
10)
NVH 分析
线性静态分析
线性：
软件遵循这条路径来进行
线性静态计算
实际应力应变曲线
应力
应变
线性意味着直线。在线性分析中，有限元求解器将沿着直线来求解模型从开始到变形的状态。以材料线性行
为为例，σ =ε E 是一条通过原点的直线(y = m x)。“E”，是弹性模量，是这条曲线的斜率，并且为常数。实际上，
材料通过屈服点后，材料将遵循非线性曲线，但是求解器仍然使用直线。当材料达到应力极限后，此时部件将损
坏，裂成两半，但是求解器仍然基于直线来进行计算，不会出现失效的地方，仅仅在将损坏的位置以红色来显示。
通过将最大应力与屈服强度或强度极限对比，分析可以得出部件安全或失效的结论。
7
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