几何清理——在HyperMesh中的应用

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1、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

2、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：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）。

3、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。 设计 建模 分析结果 并校核 绘制应力 应变图 计算报告 几何清理 网格划分 分析设置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

4、 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

5、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，

6、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 AutoClea

7、nup。 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

8、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

9、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

10、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 Midsurface 2-2-2、 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

11、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

12、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、Aut

13、omesh 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

14、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

15、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

16、 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 Edit 面板有许多的曲面编辑、剪切、创建的功能，还能将曲面沿他 们的法线方向进行偏移。图 12 Surface Edit 面板 在进行拓扑改进时，通常先对零件进行网格划分，查看零件上的网格质量， 用 Eelements Check 子面板找到网格单元质量不符合要求的地方；然后再选用 Edge 子面板等工具改进拓扑结构。一般没有固定的步骤，主要根据经验，如是 否需要一次性抑制所有的边再释放重要的边，如何有效确定硬点的去留，如何 编辑曲面等，因此应多练习，积累经验。