基于HyperMesh的结构有限元建模技术

本书以基于HyperMesh软件进行结构有限元建模的基本步骤为主线，着重介绍HyperMesh软件进行有限元建模的方法，每章均包含了基本的概念、方法并配备相应的应用实例。

本书配备了大量具有代表性的应用实例，通过介绍软件的使用操作和有限元建模过程，使读者逐步掌握有限元建模的技巧和方法。

本书介绍了HyperMesh与主流CAE软件联合应用以解决静力学、屈曲、模

态、非线性接触、跌落碰撞、响应谱分析等工程问题的方法，使读者能够更全面地掌握软件技能及有限元分析方法。

前 言

有限元法是随着计算机技术的迅速发展而

发展起来的一种工程实用数值分析方法，现已成为航空、航天、机械、土木结构等领域的结构分析中必不可少的计算工具，同时也是分析连续力学问题的一种重要手段。结构有限元分析结果的精度取决于有限元分析模型

的质量，因此，联合利用CAD与CAE软件建立高置信度的有限元模型已成为结构分析人员必须具备的能力之一。

本书以工程实用为出发点，结合作者的软件使用经验及FEA处理问题的方法，讲解软件的使用操作及有限

元建模过程，帮助读者掌握有限元建模的技巧和方法。

本书共8章，第1章介绍HyperMesh的主要菜单界面以及基于HyperMesh进行结构有限元建模的基本流程；第2章主要介绍基于有限元分析的几何建模技术，包括

HyperMesh的几何建模功能以及对其他CAD软件模型的导入及清理；第3章阐述二维单元建模、三维四面体、六面体实体单元建模以及特殊单元建模技术；第4章重点介绍结构有限元模型的快速修改技术，包括二维单元网格

变形及三维单元网格变形技术；第5至第8章分别讲解如何应用HyperMesh与CAE分析软件ANSYS/LsDyna、Abaqus、Pamcrash、Nastran/RADIOSS进行静力、模态、屈曲、响应谱、接触非线性、跌落碰撞等分析的数据接口技

术，以及如何在进行各种分析时设置材料属性、单元特性、载荷约束、求解分析控制选项等。

本书主要编写工作由付亚兰及大连交通大学谢素明教授共同完成，郝博、郭峰、韩涛、秦睿贤、杨宇生、郑喜斌、邓晓宇

、毛会生、袁露等参与了部分实例编写工作。

本书在编写过程中得到了大连交通大学交通运输工程学院的大力支持，特别感谢兆文忠教授、陈秉智教授、万朝燕教授、李晓峰副教授给予的帮助和指导。同时衷心感谢

中国水利水电出版社的编辑为本书的出版所付出的辛勤工作。

本书可作为机械、工程力学、土木、能源、航空航天、车辆等专业的研究生的有限元建模指导用书，亦可供相关领域从事产品设计、仿真的工程技术人员

学习参考。

由于写作仓促和作者水平有限，书中缺点和错误在所难免，敬请读者批评指正。如有疑问，可发邮件至cae_mesh@sina.com，欢迎来信共同探讨。

作 者

2014年10月

前言

第1
章 基于HyperMesh的结构有限元建模 1
1.1 HyperMesh基础知识 1
1.2 创建集合器 5
1.3 创建或导入几何模型 5
1.4 有限元建模及模型质量检查 5
1.5 有限元求解器的
数据传递接口 8
1.6 本章小结 9
第2章 基于有限元分析的几何建模 10
2.1 HyperMesh几何建模功能 10
2.1.1 特殊单元的几何模型建模 10
2.1.2 二维单元的几何模型
建模 12
2.1.3 三维单元的几何模型建模 16
2.2 CAD模型导入及清理 17
2.2.1 CAD几何模型的导入 17
2.2.2 几何模型清理 17
2.3 建模实例 22
2.3.1 导入和修复
几何模型 23
2.3.2 抽取模型中面 26
2.3.3 简化几何模型 27
2.3.4 优化拓扑结构 28
2.4 本章小结 32
第3章 建立有限元模型 33
3.1 二维单元建模
33
3.1.1 三角形及四边形单元建模 33
3.1.2 二维单元质量检查 38
3.1.3 二维单元建模实例 40
3.2 三维单元建模 46
3.2.1 四面体单元建模 47
3.2.2 六面体单元建模
48
3.2.3 三维单元质量检查 54
3.2.4 四面体单元建模实例 54
3.2.5 六面体单元建模实例 62
3.3 特殊单元建模 78
3.3.1 特殊单元建模 79
3.3.2 特殊单元质量检查 81
3.3.3 特殊单元建模实例 82
3.4 本章小结 86
第4章 结构有限元模型的快速修改 87
4.1 单元变形基础知识 87
4.2 二维单元网格变形 90
4.3 三维单元网格变形
92
4.4 二维有限元网格变形实例一 94
4.4.1 创建域和控制柄 94
4.4.2 执行网格变形 98
4.5 二维有限元网格变形实例二 99
4.5.1 创建局部坐标系 100
4.5.2 创
建变形体 100
4.5.3 创建对称 101
4.5.4 分割变形体进行模型变形 101
4.5.5 更新变形体边界进行模型变形 103
4.6 三维有限元网格变形实例 105
4.6.1 创建域和控
制柄 105
4.6.2 分割外环域 106
4.6.3 增加圆管中部截面的外径 107
4.6.4 偏移扶手内径 108
4.7 本章小结 110
第5章 ANSYS/LsDyna数据接口技术及应用 111
5.1 静力分析实例 111
5.1.1 输入模型数据文件 112
5.1.2 定义载荷和约束 112
5.1.3 更新ANSYS单元类型 116
5.1.4 定义材料属性 117
5.1.5 定义单元属性 117
5.1.6 创建控制卡片 119
5.1.7 输出模型文件 119
5.2 模态分析实例 119
5.2.1 输入模型数据文件 120
5.2.2 定义材料属性 120
5.2.3 定义单元属性 121
5.2.4 定义约束 122
5.2.5 创建载荷步及控制卡片 123
5.2.6 输出模型文件 124
5.3 接触非线性分析实例 124
5.3.1 输入模型数据文件 125
5.3.2 定义ANSYS三维接触
125
5.3.3 创建模型约束及载荷 134
5.3.4 创建控制卡片 137
5.3.5 输出模型文件 138
5.4 跌落分析实例 138
5.4.1 输入模型数据文件 139
5.4.2 创建非线性
材料 139
5.4.3 定义体单元单元属性 142
5.4.4 定义初始速度*INITIAL VELOCITY
GENERATION卡片 143
5.4.5 建立螺丝刀与刚性平板之间的接触
*CONTACT_ SURFACE_TO_
SURFACE
143
5.4.6 定义*DEFORMABLE_TO_RIGID_
AUTOMATIC卡片 144
5.4.7 定义重力影响*LOAD_BODY_Y
卡片 145
5.4.8 定义平板边界条件*BOUNDARY_
SPC_SET卡片 145
5.4.9 建立求解时
间卡片* CONTROL_
TERMINATION 146
5.4.10 建立质量缩放卡片*CONTROL_
TIMESTEP 146
5.4.11 建立节点输出卡片*DATEBASE>
DATEBASE_OPTION 147
5.4.12 输出模型文件 148
5.5 本章小结 148
第6章 Abaqus数据接口技术及应用 149
6.1 静力分析实例 149
6.1.1 输入模型数据文件 150
6.1.2 检查和编辑模型内容 150
6.1.3 针对托架组
件创建和分配一个
*MATERIAL卡片 151
6.1.4 约束支架到托架上 152
6.1.5 定义边界条件 154
6.1.6 定义载荷步 155
6.1.7 定义载荷步输出请求并输出文件 156
6.2 接触非线性分析实例 157
6.2.1 输入模型数据文件 157
6.2.2 定义实体单元接触面 158
6.2.3 定义板壳单元接触面 160
6.2.4 通过Set定义接触面 161
6.2.5 定
义接触面接触参数 163
6.2.6 定义接触对 164
6.3 本章小结 165
第7章 Pamcrash数据接口技术及应用 166
7.1 碰撞分析实例一 166
7.1.1 输入模型文件数据
166
7.1.2 选择Pam-Crash 2G配置文件 167
7.1.3 创建控制卡片 167
7.1.4 赋予单元类型 169
7.1.5 定义材料属性及部件卡片 170
7.1.6 定义接触 171
7.1.7 定义刚性墙
172
7.1.8 创建边界条件 175
7.1.9 创建时间历程 176
7.1.10 创建函数 176
7.1.11 创建sensor卡片 177
7.1.12 输出模型文件 177
7.2 碰撞分析实例二 178
7.2.1 输入模型文件数据 178
7.2.2 创建控制卡片 179
7.2.3 设置单元类型 183
7.2.4 定义材料属性 184
7.2.5 定义接触关系 185
7.2.6 定义加速度
186
7.2.7 建立边界约束 187
7.2.8 输出模型文件 187
7.3 本章小结 187
第8章 Nastran/RADIOSS数据接口技术及应用 188
8.1 静强度分析实例 188
8.1.1 输入模型文
件数据 189
8.1.2 创建材料集合器和组件 189
8.1.3 网格划分 190
8.1.4 施加边界条件 190
8.1.5 创建Nastran子工况 192
8.1.6 写出Nastran输入文件 193
8.2 线性
屈曲分析实例 193
8.2.1 输入模型文件数据 194
8.2.2 创建载荷集合器 194
8.2.3 施加载荷边界条件 195
8.2.4 创建载荷步 196
8.2.5 提交计算 197
8.2.6 查看后处理
结果 198
8.3 响应谱分析实例 198
8.3.1 输入模型文件数据 199
8.3.2 创建EIGRL卡片 199
8.3.3 创建模型约束 199
8.3.4 使用TABLED1卡片定义输入的
响应谱
200
8.3.5 定义DTI、SPECSEL卡片 202
8.3.6 定义RSPEC卡片 202
8.3.7 定义结构模态阻尼 203
8.3.8 定义PARAM卡片 204
8.3.9 定义输出要求 204
8.3.10 定义响应
谱分析载荷步 204
8.3.11 提交计算 205
8.3.12 查看后处理结果 205
8.4 本章小结 206
附录 207
参考文献 223

1. 信息技术基础实训与习题指导（Windows7+Office2016） [主编 周金容 唐天国]
2. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
3. 计算机应用基础教程（Windows 10+Office 2019） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
4. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2016） [主编 王洪平 杨华]
5. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
6. 大学计算机基础教程（Windows 10+Office 2016） [主编 饶拱维 郭其标 房宜汕]
7. Altium Designer 20 电路设计案例教程 [主编 王静 谢蓉]
8. 计算机应用基础（Windows 10+Office 2016） [主编 阳晓霞 谭卫]
9. Python程序设计与应用 [主编 张广渊]
10. Office 2010办公自动化高级应用实例教程（第二版） [主编 谢海燕 吴红梅 陈永梅]
11. Office高级应用项目式教程 [主编 李观金 林龙健 王静]
12. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主 编 李建军]
13. 计算机应用技能教程——全国计算机等级考试一级MS Office 2010 [主编 石铁峰 王祖伟 宋家慧]
14. 计算机应用基础教程（第三版）（Windows 7+Office 2010） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
15. Office 2016办公自动化案例教程 [主编 林沣 钟明]
16. 办公软件高级应用 [主 编 阙清贤 黄诠]
17. 计算机应用基础教程（Windows 7+Office 2010） [主 编 潘 迪 代子静]
18. MSC Nastran动力分析指南（第二版） [李保国 黄晓铭 裴延军 李伟 ]
19. 计算机应用基础情景化教程（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 王宏斌 张尼奇 王锋]
20. 计算机一级MS Office全真模拟手册（第二版） [主编 张建军 李瑛 王锋]
21. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010） [主编 张晓琪 唐天国]
22. 计算机应用基础实训与习题指导（Windows 7+Office 2010） [主编 唐天国 曾庆勇]
23. Altium Designer 17电路设计案例教程 [主编 王静]
24. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
25. MSC Adams 多体动力学仿真基础与实例解析（第二版） [汤涤军 张跃 编著]
26. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
27. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用 [李占营 阚川 张承承 编著]
28. 计算机导论（基于Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 柳青]
29. 全国计算机等级考试一级MS Office教程及实训指导 [主编 张心越 刘玉芳 邢怡]
30. ANSYS Icepak进阶应用导航案例 [王永康　张义芳　编著]