几何清理——在HyperMesh中的应用.doc

几何清理 在HyperMesh中的应用一、使用几何清理的必要性HyperWorks的几何模型一般多从Pro/E、UG、CATIA等的三维CAD软件导入（目前我们公司主要是从UG导入）。在导入CAD模型进行有限元分析（FEA）时，要考虑有限元分析对几何模型的要求与CAD的不同。CAD模型需要精确的几何表达，通常会包含某些细微特征，如倒圆、小孔；而进行有限元分析时，如果要准确模拟这些特征，需要用到很多小单元，导致求解时间延长、分析精度下降。FEA需要简化几何模型，因此需要对模型部件的一些细节信息进行简化，以便网格划分和分析。因此，在CAD模型导入之后，网格划分之前需要进行必要的几何清理工作。通过除小孔，抑制相邻曲面之间的边界，改正模型在导入时出现的错误，去除不必要的细节，产生一个简化的部件模型，便于网格划分和分析，确保网格间的正确连接，获得满意的网格类型和质量，从而提高整个网格划分的速度和质量，提高计算精度。二、几何清理在CAE流程中的位置几何清理在CAE（计算机辅助工程）流程中的位置如下图1所示：计算报告建模设计绘制应力应变图分析结果并校核分析设置网格划分几何清理 图1 几何清理在CAE一般流程中的位置三、几何清理的主要内容在HyperMesh中进行几何清理主要有以下几方面内容：1、导入CAD模型并修复几何数据，即拓扑修复（Topology Repair）。2、抽取中面（Mid-Surfaces）。3、简化模型的几何细节（Defeaturing）。4、改善几何模型的拓扑关系，以获得高质量的网格，即拓扑改进（Topology Refinement）。以下分别详细介绍。1、 CAD模型的导入与修复1-1、导入几何模型导入几何模型是通过FilesImport子面板来实现的，如图2所示。通过Import子面板可以导入HyperMesh数据文件、外来CAD文件（Geom）、有限元（FE）文件以及焊点文件等。HperMesh支持的CAD 几何模型文件的常见类型包括：（1） UNIGRAPHICS 可导入*.prt文件（UG需要先安装转换器接口）。（2） CATIA 可导入CATIA V4的*.model文件，导入CATIA V5文件时需要CATIA V5 的许可（License）。（3） PRO/ENGINEER 可导入*.prt和*.asm文件。（4） IGES 可导入*.igs或*.iges文件。（5） STEP 可导入*.stp文件。 图2 FileImport 子面板1-2、几何模型的修复1-2-1、几何模型的拓扑显示点击工具栏中的Visualization按扭，出现如下图3 Visualization面板。Visualization面板上包括Topology、Connectors、Morphing三页。Topology页中的工具用与实现模型的拓扑显示，控制曲面和曲面边的显示模式，即控制曲面是线框显示还是着色显示，以及自由边、共享边、T形连接边、抑制边以及硬点可见还是不可见。 图3 Visualization面板1-2-2、拓扑修复HyperMesh会试图在导入模型时适当地清理表面。拓扑修复即拓扑关系修复，包括改正相邻曲面间的连接性错误，这些错误包括相邻面不连接、有重复面和缺失面等。其目的是恢复表面的数据信息，以很好地表述零件。在拓扑显示模式下，拓扑颜色可以帮助我们判断可能出现的缺陷。拓扑修复的主要步骤是，首先判断部件上的表面应该有怎么样的连接性，接着查看当前的拓扑关系显示，并研究这样显示的原因，然后快速、有效地运用HyperMesh中的工具，从“是怎么样的”到“应该是怎么样的”，以获得最合适的连接性。1-2-3、拓扑修复的工具拓扑修复将用到Autocleanup面板、Quick Edit面板和Surfaces面板等。1）Autocleanup面板 可通过下列两种方式进入Autocleanup面板（图4）：在Geometry下拉菜单中点击AutoCleanup。在Geom所在页面点击Autocleanup面板。Autocleanup面板可对导入的模型文件自动进行几何清理，并根据在面板中设定的参数进行网格化准备清理操作。 图4 Autocleanup面板2）Quick Edit面板 进入Quick Edit面板（图5）有两种方式：按F11键。在Geometry下拉菜单中点击Quick Edit。Quick Edit子面板的功能包括分割曲面与Washer、改变边的类型（共享边，自由边等）、创建或删除面、点、投影点。 图5 Quick Edit面板3）Surface面板 进入Surface面板 （图6）的两种方式：在Geometry下拉菜单中选中Surface，点击Create。Geom页面上点击Surface面板。使用Surface子面板可以有多种方式生成曲面。 图6 Surface面板1-2-4、拓扑修复的技巧1）了解模型的尺寸和比例，确定全局单元尺寸。2）根据已确定的全局单元尺寸设置集合清理公差：几何清理公差指定了间隙的最大尺寸。公差若大于全局单元尺寸的15%20%会引起明显的网格扭曲。在处理模型各个曲面区域时，可设置不同的公差值。3）使用拓扑显示来确定哪些要清理。4）使用Equivalence一次性合并尽可能多的自由边对，保证曲面不会变形过大。5）使用Toggle来一个一个合并删除的自由边对。若需要更多的控制，则使用Replace功能。6）用Surface面板中的功能来创建缺失面。2、创建中面2-1、关于抽取中面对于一些厚度较小的薄板零件，选中壳单元来进行有限元分析比较合适。即零件厚度用数值表示，而不用几何表示，对零件的中面进行网格单元划分。所谓抽取中面，就是在零件中间创建一层曲面，便于在上面直接划分网格。这种方法可用于产生代表几何实体的有限元壳单元，也可用于金属薄板冲压件、带加强筋的塑料零件以及其他厚度明显小于宽度和长度的零件。2-2、 创建中面和编辑中面的工具创建中面和编辑中面用到Midsurface面板（图7），可通过以下两种途径实现该功能：2-2-1、 Geometry下拉菜单中点击Midsurface2-2-2、 Geom页面上点击Midsurface面板。Midsurface面板中的create子面板用于创建实体零件的中面。其中，Solid选项是自动根据环绕体积的表面抽取中面。有时有缺失面也能做出中面来，但缺失面越多，结果越不可靠。Between Surfs选项是在选中的两个曲面中间得到一个中面。当创建一个中面后，就可以用MidsurfaceEdit子面板进行编辑修改。 图7 Midsurface面板2-3、 抽取中面的过程及方法抽取中面需要一个封闭体，可以先用第一节介绍的拓扑修复技巧得到一个高质量的封闭曲面体。对于一些复杂零件，需要简化曲面体以生成好的中面。用MidsurfaceCreatSolid子面板生成中面，然后对于需要更多控制的区域采用Between Surfs选项；而对于需要精确调整的中面MidsurfaceEdit功能，用中面编辑功能还可以观察中面并改正错误。3、几何模型的简化3-1、关于几何模型的简化简化几何模型（Defeature）是指为了使零件几何形状更简单而去掉一些细节。根据分析问题的需要，比如考虑零件在总装配中的重要程度、几何特征与分析问题的着重点的相关程度、几何特征尺寸与平均网格尺寸的对比等因素，模型的某些几何细节（如一些小孔或倒圆）可以忽略。删除对于分析没有必要的模型细节，有助于改善网格质量，分析也会进行得更有效率。3-2、在简化几何模型过程中用到的几个面板。3-2-1、Defeature面板 进入Defeature（图8）有两种方式：1）、在Geometry下拉菜单中点击Defeature。2）、从Geom页面进入Defeature子面板。使用Defeature面板可以查到和删除曲面内的小孔、曲面和曲面边缘的倒圆，以及重复面。 图8 Defeature面板3-2-2、Automesh面板 进入Automesh（图9）有两种方式：1）、按F12键。2）、在Mesh菜单中点击Automesh。Automesh面板能够在曲面或单元组上手动或自动地创建网格或重新创建已经存在的网格，也可以用其上的子面板设定网格划分的具体参数。 图9 Automesh面板3-2-3、Check Elemes 面板 进入Check Elemes 面板（图10）的两种方式：1）、按F10键。2）、在Mesh菜单中点击Check Elements。使用Check Elems 面板可以检查创建单元的基本质量 图10 Check Elemes 面板4、改善几何模型的拓扑结构4-1、拓扑改进的概念拓扑改进是指改善几何的拓扑关系，以获得高质量的网格。与上一节模型简化（Defeature）不同的是，拓扑改进基本上不改变零件的形状。CAD 模型有一些拓扑细节会影响网格的质量，比如曲面上有曲率变化的地方会产生边界，一块平滑的区域也可能被分为若干个曲面，在曲面边界上会自动布置节点等，这都可能会导致较小的单元长度、角度、Acpect Ratios等，引起单元质量较差。另外，CAD模型上若有轮廓形状较复杂的曲面，也将很难获得高质量的网格，可以通过增加边把曲面分切成较小、较简单的区域，以便于划分网格；或者增加节点，以便于控制网格。4-2、拓扑改进的工具拓扑改进将用到Automesh、Check Elament、Quick Edit、Surface Edit等面板。4-2-1、 Automesh面板（详细见上3-2-2）4-2-2、 Check Element面板（详细见上1-2-3）4-2-3、 Quick Edit面板 进入Quick Edit面板（图11）的方法：1） 、F11键。2） 、Geometry下拉菜单中点击Quick Edit。这个面板包含了许多快速编辑几何模型的工具。 图11 Quick Edit面板4-2-4、Surface Edit面板 进入Surface Edit面板（图12）的方法：1）、按Shift+F9。2）、Geometry下拉菜单中指向Edit，点击Surface。Surface E