基于有限元分析的几何建模 一般来说，有限元分析的第一步是建立有限元模型然而，由于工程中涉及到的结构较 为复杂，通常需要利用 CAD 软件的三维几何建模功能先创建基于有限元分析的几何模型，然 后，基于几何模型再建立有限元网格模型HyperMesh 软件有两种方式创建几何模型：一种是 运用其几何建模功能直接创建几何模型，另一种方式是首先导入其他 CAD 软件创建的几何模 型，然后对其进行几何编辑与修复，获得便于创建有限元模型的几何模型值得注意的是：① 建立几何模型之前， 一定要明确有限元分析的性能指标， 因为不同分析目的的有限元模型是不 同的；②尽可能地利用 CAD 软件强大的建模功能，创建益于有限元建模的几何模型，这样可 大幅度提高建模效率 2.1 HyperMesh 几何建模功能 对于较为简单的几何模型可以通过 HyperMesh 提供的几何建模功能来完成几何建模复 杂的几何模型则需要在 CAD 建模软件中创建， 导入到 HyperMesh 中利用其几何建模及清理功 能进行几何模型的修复和完善 2.1.1 特殊单元的几何模型建模 有限元模型中的特殊单元通常指点单元及线单元，点单元包括点焊单元、质量单元、弹 簧单元、刚性单元等，线单元包括杆单元、梁单元等。
创建有限元特殊单元首先需要创建特殊 单元的几何模型，如点、线等几何元素，再在此几何模型基础上创建有限元特殊单元 HyperMesh 几何模型中的点包括节点、自由点及硬点，如图 2-1 所示 节点是最基本的有限元元素，通常情况下，节点显示为一个黄色的圆球每个节点有相 应的空间位置， 并可应用节点定义单元的形状和位置， 同时， 节点也可用于辅助创建几何对象 自由点是不与空间任何曲面关联的零维几何对象通常情况下，自由点显示为“X” ，其 颜色取决于所属的组件集合 自由点通常用于创建焊接单元和连接单元 由于自由点不与任何 曲面关联，自由点可直接清除 曲面边界的交点会形成硬点，另外模型简化如清除孔洞后圆心位置也会生成硬点通常2 基于有限元分析的几何建模 第 2 章 11 情况下，硬点显示为灰色的圆点硬点与曲面相关联，网格模型生成时在硬点处生成节点，组 成相应的单元网格， 因此硬点会影响网格生成的位置从而影响网格质量 在不影响曲面拓扑结 构的情况下，硬点可以被压缩 图 2-1 HyperMesh 二维几何模型特征 线是不与空间任何曲面或实体关联的一维几何对象其颜色取决于所属的组件集合。
线 由一个或多个线型组成， 每一个线型被称为一个线段 每个线段的终点与下一线段的起点相连， 多个线段最终组成一个线实体 通常情况下， HyperMesh 自动选择合适的数量和类型的线段来 表达几何在 HyperMesh 中线可通过三种方式创建：直线（straight） 、椭圆线（elliptical） 、非 均匀有理样条曲线（NURBS） HyperMesh 中提供多种创建特殊单元几何模型的方法，另外应用者也可以导入其他 CAD 软件创建的几何模型文件 本节主要介绍特殊单元几何模型的创建和编辑方法， 应用者可根据 待创建的几何特征及对模型细节的要求选择不同的几何创建及编辑方法 （1）点的创建与编辑 1）节点（Nodes）的创建 在 HyperMesh 中创建节点主要通过 Geom 主菜单页面下的 nodes 面板、 temp nodes 面板及 distance 面板来完成nodes 面板提供丰富的功能按钮支持通过多种方式创建新节点除了使 用菜单面板创建节点外，各面板选择对话框中的 Duplicate/on screen 功能也可用于创建节点 HyperMesh 中提供的节点创建方法详见附录 4。
2）自由点（Free Points）的创建 在 HyperMesh 中创建自由点主要通过 Geom 主菜单页面下的 points 面板、point edit 面板 及 distance 面板来完成points 面板提供四种功能按钮支持通过坐标、圆弧曲率中心、曲面或 曲线参数、交叉位置来创建自由点除了使用菜单面板创建节点外，各面板选择对话框中的 Duplicate 也可用于创建自由点HyperMesh 中提供的自由点创建方法详见附录 5 3）硬点（Fix Points）的创建 在 HyperMesh 中创建硬点主要通过 Geom 主菜单页面下的 quick edit 面板、 point edit 面板硬点 自由点T 型边（黄色）1 个曲面，2 个面压缩边（蓝色虚线）自由边（红色） 共享边（绿色）节点 基于 HyperMesh 的结构有限元建模技术 12 及 defeature 面板来完成 point edit/quick edit 面板中的 add 子面板及 project 子面板能够通过新 建或投影已有硬点的方式创建新硬点 defeature面板下的pinholes子面板除了能清理孔洞之外， 还能在清除的孔洞圆心创建硬点。
HyperMesh 中提供的硬点创建方法详见附录 6 4）节点的编辑 在 HyperMesh 中编辑节点主要通过 Geom 主菜单页面下的 node edit 面板、temp nodes 面 板以及 Tool 主菜单页面下的 find 面板、translate 面板、rotate 面板、scale 面板、reflect 面板、 project 面板、position 面板、permute 面板、renumber 面板来完成这些面板及其子面板提供 丰富的功能支持对节点的编辑，如移动、投影、镜像、旋转、缩放等HyperMesh 中提供的节 点编辑方法详见附录 7 5）自由点的编辑 在HyperMesh中编辑自由点主要通过Tool主菜单页面下的delete面板、 translate面板、 rotate 面板、scale 面板、reflect 面板、project 面板、position 面板、permute 面板、renumber 面板来 完成这些面板及其子面板提供丰富的功能支持对自由点的编辑， 如删除、 移动、 投影、 镜像、 旋转、缩放等HyperMesh 中提供的自由点编辑方法详见附录 8。
6）硬点的编辑 在 HyperMesh 中编辑硬点主要通过 Geom 主菜单页面下的 quick edit 面板、 point edit 面板 以及 Tool 主菜单页面下的 renumber 面板来完成这些面板提供对硬点的压缩、移动、释放、 编号等编辑功能HyperMesh 中提供的硬点编辑方法详见附录 9 （2）线的创建与编辑 1）线（Lines）的创建 在HyperMesh中创建线主要通过Geom主菜单页面下的lines面板的各个功能按钮来完成 这些功能按钮提供多种方式创建各种曲线，如标准曲线、圆弧曲线、圆锥曲线、倒角曲线等 HyperMesh 中提供的线的编辑方法详见附录 10 2）线的编辑 在 HyperMesh 中编辑线主要通过 Geom 主菜单页面下的 lines 面板、 line edit 面板以及 Tool 主菜单页面下的 delete 面板、translate 面板、rotate 面板、scale 面板、reflect 面板、project 面 板、position 面板、permute 面板、renumber 面板来完成line edit 面板提供多个子面板对曲线 进行合并、分割、平滑、延伸等编辑。
HyperMesh 中提供的线的编辑方法详见附录 11 2.1.2 二维单元的几何模型建模 有限元模型中的二维单元通常指板壳单元，包括三角形单元及四边形单元创建二维单 元首先需要创建二维单元的几何模型，主要为曲面，再基于曲面创建二维板壳单元曲面是用 于自动划分网格的二维几何实体 曲面的颜色取决于所属的组件集合器 曲面的周边用曲面边 定义曲面边根据其不同的拓扑关系分为四种类型：自由边、共享边、压缩边、T 型边，如图 2-1 所示 自由边（free）默认情况下显示为红色，自由边出现在模型的边缘及孔内壁两个相邻面 间出现的自由边表示两个面存在间隙 共享边（shared）默认情况下显示为绿色，共享边出现在相邻曲面共同拥有的边界上两 个曲面之间的边界是共享边，表示曲面间没有间隙或重叠共享边可以被压缩，压缩后划分网基于有限元分析的几何建模 第 2 章 13 格时将不会在该处生成固定节点 压缩边（suppressed）默认情况下显示为蓝色虚线，压缩边指两个曲面共同拥有的边界， 但与共享边不同，网格划分时不会在压缩边生成固定节点，压缩边在网格划分时将被忽略 T 型边（non-manifold）默认情况下显示为黄色，T 型边指由 3 个或 3 个以上的曲面共同 拥有的边。
T 型边通常出现在模型的 T 形交叉位置或多个面重复位置T 型边不可被压缩 HyperMesh 中提供多种创建二维单元几何模型的方法，另外应用者也可以导入其他 CAD 软件创建的二维几何模型文件或者根据其他 CAD 软件的三维几何模型文件抽取二维曲面对 于比较复杂的二维单元几何模型，尽量使用其他 CAD 软件完成几何模型建模，将其导入 HyperMesh 进行几何处理，以减少前处理耗费的时间本节主要介绍 HyperMesh 中二维单元 几何模型曲面的创建和编辑方法， 以及直接从三维模型中抽取中面创建二维单元几何模型的方 法由于几何模型的特征及细节要求不同，可选择不同的面创建及编辑方法 曲面根据其拓扑关系分为三种：边界面（绿色） 、完全分割面（黄色） 、未完全分割面（红 色） 每个曲面由一个或多个面组成，如图 2-2 所示 图 2-2 HyperMesh 三维几何模型特征 （1）面的创建与编辑 1）面（Surfaces）的创建 在 HyperMesh 中创建曲面主要通过 Geom 主菜单页面下的 surfaces 面板以及 2D 主菜单页 面下的 planes 面板、cones 面板、spheres 面板、torus 面板、drag 面板、spin 面板、line drag 面 板、ruled 面板、 spline 面板、 skin 面板来完成。
另外， 可通过 Geom 主菜单页面下的 midsurface 面板进行三维模型的中面抽取HyperMesh 中提供的面创建方法详见附录 12 2）面的编辑 在 HyperMesh 中编辑曲面主要通过 Geom 主菜单页面下的 quick edit 面板、surface edit 面 板、edge edit 面板、midsurface 面板、autocleanup 面板、dimensioning 面板以及 Tool 主菜单页 面下的 delete 面板、translate 面板、rotate 面板、scale 面板、reflect 面板、HyperMorph 面板、 position 面板、permute 面板、renumber 面板来完成Geom 主菜单页面下提供的面板主要对曲 面进行清理和修补，Tool 主菜单页面下提供的面板主要对曲面进行修改HyperMesh 中提供边界面（绿色） 完全分割面（黄色）未完全分割面（红色）实体基于 HyperMesh 的结构有限元建模技术 14 的面编辑方法详见附录 13 （2）实体对象中面抽取 有限元分析中钣金冲压、塑料肋板等厚度远小于长度和宽度的零件一般用板壳单元来模 拟。
但一般 CAD 设计模型为实体结构，HyperMesh 中的 midsurface 面板能够帮助应用者从复 杂的实体模型中抽取中面，很快地得到用于壳单元网格划分的 CAD 几何模型midsurface 面 板下包含七个子面板： auto midsurface 子面板、 replace。