技術鄰學院丨Hyperworks學員必看的分析應用合集

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技術鄰學院丨Hyperworks學員必看的分析應用合集的圖1

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丨HyperWorks分析應用合集丨

目錄直達

【一】HyperWorks在活塞分析計算中的應用

【二】HyperWorks在船舶甲板支撐結構設計中的應用

【三】HyperWorks在汽車行李箱優化中的應用

【四】文檔學習資料：①HyperWorks 基礎培訓

②HyperWorks分析應用實例

【五】視頻學習資料①HyperMesh(共8講)基礎培訓視頻

②HyperWorks的CFD前處理解決方案

【一】

HyperWorks在活塞分析計算中的應用

摘要：活塞作為發動機動力單元的主要組成部分，在動力傳輸中處于關鍵核心位置。其結構強度，理論相對疲勞壽命直接影響發動機整體的壽命，對其進行有限元分析與結構優化有著十分重要的現實意義。在以往的有限元分析中，大多只對單個活塞進行有限元分析，而并沒有考慮整個動力單元之間的相互影響，本文運用Altair HyperWorks的強大前處理軟件HyperMesh建立了活塞，活塞銷，連桿整體模型，并對其進行了熱固耦合分析以及疲勞壽命分析，采用 HyperView對分析結果進行可視化處理。在此基礎上，運用Morph對結構進行了合理的優化，取得了良好的結果。

關鍵詞：Altair HyperWorks,發動機,活塞,結構優化,疲勞壽命

1 引言

發動機動力單元主要包括缸套，活塞，活塞環，活塞銷，連桿等零件，如圖1所示?；钊鳛閯恿卧年P鍵零部件，工作環境惡劣，受載復雜，其失效將會導致整個發動機系統的失效。因此，本文以內燃機活塞作為研究對象，對其進行結構強度分析具有十分重要的現實意義。在活塞溫度計算過程中，充分利用試驗分析數據，計算出了活塞的準確溫度分布。在此基礎上，將活塞所受的熱應力與機械應力相結合，得到了準確的活塞應力分布。在疲勞分析的基礎上，運用Altair HyperWorks的Morph工具進行了結構優化。在分析計算過程中，HyperWorks作為一款先進的計算機輔助分析軟件，在設計研發中發揮了重要的作用。

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本文擬采用圖 2 所示的有限元分析流程。

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2 動力單元（PCU）的有限元分析

2.1 有限元分析模型的建立

為了得到高質量的網格，有必要對模型進行一些幾何清理。本文以HyperMesh作為有限元分析前處理軟件，對導入的模型進行幾何處理。如圖3所示為導入時的模型，進行幾何清理之后的幾何模型如圖4所示。

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幾何清理之后，需要對模型進行網格劃分。有限元網格的劃分一方面要考慮對各模型幾何形狀的準確描述，另一方面也要考慮變形梯度的準確描述。劃分網格時必須考慮以下原則：網格數量，網格密度，良好的單元形狀，良好的剖分過渡性，網格剖分的自適應性。基于以上原則，本文建立了活塞-活塞銷-連桿系統有限元分析模型，采用精度比較高的四面體十節點單元，建立的網格模型如圖5所示：

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2.2 活塞溫度場分析

分析活塞的實際運行情況以及現在發動機的試驗手段，想要得到熱分析的第一類熱邊界條件或者是第二類熱邊界條件，即使是在已知活塞的邊界溫度或熱流也幾乎不可能的，所以本文采用第三類熱邊界條件分析活塞的溫度場，定義了活塞表面與高溫燃氣和冷卻介質之間的對流換熱系數、高溫燃氣以及冷卻介質的平均溫度。經加載計算，得到活塞的溫度場分布，如圖6所示，活塞的最高溫度為272°C。

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2.3 熱固耦合分析

活塞在做功行程中，不僅在其頂部受到高溫燃氣的壓力，還受到汽缸壁對活塞的側推力、連桿的作用力、慣性力以及與活塞銷之間的摩擦作用，工作狀況非常惡劣?；钊惺艿娜細鈮毫εc慣性力是周期性變化的，因此，活塞的不同部位受到交變的拉伸、壓縮或者彎曲載荷。并且由于活塞各部分的溫度及其不均勻，活塞內部產生一定的熱應力，所以要求活塞的質量小，熱膨脹系數小，導熱性小，和耐磨性小。本文中的活塞采用MAHLE公司性能良好的M142鋁合金材料。對活塞結構進行有限元分析時，充分考慮了活塞復雜受力情況，如圖7所示。

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在活塞應力計算過程中，考慮了活塞銷孔形線與外圓形線的影響，同時將溫度計算結果與機械應力計算結果相耦合，為疲勞壽命分析打下基礎。如圖8所示為所計算的活塞在運行過程中所受的最大平均應力和應力幅值。

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3 疲勞壽命分析

本文采用工程中廣泛應用的疲勞分析理論Miner 線性累積損傷理論對活塞結構進行疲勞壽命評估，計算的疲勞壽命如圖9所示?；钊淖钚∠鄬勖鼮?.6。低于MAHLE公司的相對疲勞壽命標準2.5。

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4 優化分析

Morph是HyperMesh中用于直接改變模型網格的模塊。允許通過有效、合理、可視化的方式改變網格模型，在確保網格質量最優化的前提下實現以下功能：(1) 通過改變零部件網格來改變該零部件幾何形狀；(2) 參數化的改變零部件網格模型尺寸；(3) 把現有模型網格投影到新的幾何形面上；(4) 為形狀優化分析創建形狀變量?；贛orph網格優化功能，對活塞結構進行優化，燃燒室頂面厚度增加了1 mm。如圖10所示為Morph優化之前的網格模型，圖11所示為優化之后的結構。

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采用與優化活塞結構之前想同的邊界條件，計算得出的最大平均應力與應力幅值如圖12所示。

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疲勞壽命分布如圖13所示。最小壽命為4.6。滿足MAHLE公司的相對疲勞壽命標準2.5。

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5 結論

本文成功應用HyperWorks相關軟件對發動機動力單元進行有限元分析，在此基礎上應用HyperWorks強大的優化工具Morph對活塞進行結構優化，取得了理想的優化結果。HyperWorks作為一款先進的計算機輔助分析軟件，在設計研發中是一個非常有效的工具

【二】

HyperWorks在船舶甲板支撐結構設計中的應用

摘要：文章應用HyperWorks軟件評估了液壓折臂吊下甲板支撐構件的強度，并進一步應用OptiStruct模塊對液壓折臂吊下的船舶甲板支撐結構進行了尺寸優化設計。優化過程中將甲板支撐構件尺寸參數作為變量，將中國船級社規范中規定的許用應力指標作為約束，將支撐結構總質量最小作為優化目標，最終得到了滿足規范要求的甲板支撐構件最優尺寸。

關鍵詞：船舶結構，尺寸優化，HyperWorks

1 引言

近年來，民船大型化，功能多樣化已成為一種趨勢。在船舶設計過程中，船體局部結構有限元強度計算任務較以往有所增加。設計部門需對船級社規范指定的結構，進行有限元強度計算，確保該結構應力符合規范要求，并編制好計算報告書送船級社審核。

在規范指定進行有限元強度校核的構件中，甲板設備支撐結構占了很大比重。其中，典型的甲板設備主要有錨機、起重機、吊桿、起重柱、系纜樁、導纜器和應急拖帶裝置等。按規范要求液壓折臂吊屬起重機吊桿一類，需進行支撐結構強度校核。本文以液壓折臂吊為例，說明HyperWorks在船舶結構強度計算中的具體應用。

通常，在進行強度校核計算前，甲板支撐結構的構件尺寸已初步確定。構件尺寸的初始值是根據整條船的結構規范計算書得來的，這些尺寸主要是基于船舶種類、主尺度、骨架形式等全船性的參數根據規范計算出來的，沒有考慮其上布置甲板設備帶來的載荷。在以往的計算中，通常先校核構件初始尺寸的強度，如不滿足規范滿求，則逐步增大構件尺寸，直至滿足規范要求。本文使用HyperWorks軟件的優化功能，完成船舶甲板結構支撐構件的尺寸優化設計。該方法相對以往方法更加方便，在很大程度上提高了工作效率，通過將質量最小作為優化目標，得到的構件尺寸也更加合理。

2有限元計算模型

在三維笛卡爾坐標系中建立液壓折臂吊支撐結構艙段三維有限元計算模型。船長方向為X軸，正方向由船尾指向船首；船寬方向為Y軸，正方向由右舷指向左舷；型深方向為Z軸，正方向由基線指向甲板。規范要求計算模型采用局部立體結構模型，以液壓折臂吊有效作用平面矩形的形心為中心，向四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應的長、寬距離，垂向應從液壓折臂吊基座面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4處（D為型深）。且應保證有限元計算模型范圍延伸至結構主要支撐構件上。計算中將甲板縱桁、強橫梁、強肋骨等強構件的腹板、主甲板板、舷側板用殼單元離散；將甲板縱桁、強橫梁、強肋骨等強構件的面板用梁單元離散；將甲板縱骨、舷側縱骨及艙壁扶強材用梁單元離散。模型中位移單位為mm，應力單位為MPa。

船體材料主要采用屈服極限235MPa的B級船用結構鋼，彈性模量E=2.06×105 N/mm2，泊松比μ=0.3?；?/span>HyperMesh建立的液壓折臂吊支撐結構艙段三維有限元計算模型見圖1。

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3 初始尺寸強度校核

首先，針對液壓折臂吊下甲板支撐結構初始尺寸進行強度校核。設計中將吊機布置在甲板強橫梁和縱桁的交匯出，根據船體規范計算書算得的甲板強構件初始尺寸為：T型材腹板9mm，T型材面板為12x120的扁鋼。

3.1 載荷條件

根據規范要求，計算中主要考慮吊機的最大傾覆力矩、安全工作載荷和吊機自重三個方面的載荷。

1）吊機最大傾覆力矩：

“規范”中給出，傾覆力矩系指起重設備在安全載荷下作業，起重設備與船體結構連接處所計算得出的最大彎矩，本計算中折臂吊最大動彎矩為308.2kN.m。

2）安全工作載荷：

安全工作載荷系指在任何規定的變幅長度范圍內，起重機可起升的最大載荷。本吊機由設備商提供的安全工作載荷為4t。根據“規范”，對于近海作業的起重設備，附加于起重設備自重的150%安全工作載荷應進行校核，所以計算中安全工作載荷取6t。

3）液壓折臂吊自重：

本船液壓折臂吊自重為2.38t。

3.2 邊界條件

模型兩端剖面各節點施加簡支邊界條件，約束x、y、z方向線位移；模型下邊界（包括主甲板以下1.8m處舷側外板、肋骨以及支柱）施加簡支邊界條件，約束x、y、z方向線位移；中縱剖面主甲板施加簡支邊界條件，約束x、y、z方向線位移。

3.3 分析結果

應用HyperWorks軟件RADIOSS求解器進行計算，圖2給出了支撐結構初始尺寸下的應力云圖。

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根據規范，構件的許用應力見表1。通過應力云圖可見，吊機下甲板強橫梁的腹板剪應力最大值為95MPa，面板的正應力最大值為224MPa，均不滿足規范規定的許用應力值，需對吊機支撐結構進行加強。

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4 優化分析

通過計算發現吊機載荷作用下，高應力區域集中出現在吊機下甲板交叉的強橫梁和縱桁上，因此僅將T型材腹板厚度、T型材面板寬度和面板厚度三個尺寸作為變量對支撐結構進行優化。考慮到工程實際，將各變量定義為離散型，如表2。

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在定義變量之后，指定響應作為優化約束條件和目標函數。針對本次研究，目標函數設置為甲板支撐結構質量最小；約束條件為各應力分量不超過規范規定的許用值，表3給出了優化分析中約束的具體定義。

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通過OptiStruct求解，最終優化結果為T型材腹板厚度12mm，T型材面板厚度為17mm,T型材面板寬度為140mm。此時，液壓折臂吊下甲板支撐結構應力云圖如圖3?？梢?，優化尺寸后支撐結構的最大剪應力為72.7MPa，最大正應力為156.5Mpa均滿足了規范規定的許用值。此時，結構正應力值已經十分接近許用應力值，說明通過優化分析，我們得到了滿足規范要求的最合理結構尺寸，使材料得到充分的利用，節約了成本。

技術鄰學院丨Hyperworks學員必看的分析應用合集的圖18

5 結論

本文以液壓折臂吊下甲板支撐結構為優化對象，采用HyperWorks軟件進行強度評估并完成了優化分析，獲得了滿足船舶規范要求的結構最優尺寸。相對以往方法，該方法更加科學方便，獲得的結構尺寸也更加合理。除了船體結構強度方面，在船體振動、沖擊響應等方向，還可以將該方法進行進一步推廣應用，這也是本文作者下一步的研究內容。

【三】

HyperWorks在汽車行李箱優化中的應用

摘要：本文針對某款車型的行李箱在強度耐久試驗中存在因剛性不足而導致面板變形，行李箱蓋難以扣鎖之問題，利用HyperWorks建立行李箱的有限元模型，通過OptiStruct求解器對結構強度進行分析，并提出結構整改建議，對比參考樣車后采用最佳優化方案，最終實車通過強度耐久試驗，滿足設計要求。

概述

近年來，隨著CAE仿真技術的逐漸成熟，其高效率、低成本的優勢被國內外汽車廠商青睞，成為汽車設計的不可或缺的主要手段。HyperWorks軟件以其高性能、開放式有限單元前后處理器、強大的網格劃分能力及提供幾乎所有主流商業CAD系統和CAE求解器接口等諸多優點成為CAE技術廣泛應用的工具。

本文針對某轎車行李箱在強度耐久試驗中出現因行李箱剛性不足造成面板變形，導致行李箱蓋鎖扣發生偏移，難以關閉行李箱蓋的問題展開結構強度分析工作。利用HyperWorks建立行李箱的有限元模型，通過OptiStruct求解器對結構強度進行分析，并提出結構整改建議，對比參考樣車后采用最佳優化方案，最終實車通過強度耐久試驗，滿足設計要求。

1 建立有限元模型

1.1網格劃分

首先利用HyperMesh前處理功能建立行李箱總成各結構件的有限元模型，選用殼單元，基本網格單元尺寸為5mm。結構連接采用RBE2、RBE3、粘膠、焊接單元，并充分考慮結構的具體特征如圓角、翻邊、工藝孔等，對結構的簡化處理不影響結構的強度分析結果。完成后的行李箱有限元模型網格數量共有73475個，其中三角形殼單元3476個，占4.7%。單元質量符合企業給定標準。行李箱有限元模型見圖1。