HyperWorks 14.0 轮毂仿真全流程详细教程

HyperWorks 14.0 轮毂仿真全流程详细教程

一、前期准备

1.1 软件启动

• 双击桌面 HyperWorks 14.0 图标
• 在启动界面选择 HyperMesh
• User Profile选择：OptiStruct 或 Radioss（根据求解器选择）

1.2 设置工作目录

• 菜单栏：File → Set Work Directory
• 浏览到项目文件夹，点击 OK

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二、几何导入与处理（HyperMesh）

2.1 导入CAD模型

1. File → Import → Geometry
2. 文件类型选择（File Type）：
   • .iges / .igs
   • .step / .stp
   • .catia / .prt
3. 点击 浏览，选择轮毂CAD文件
4. Import选项设置：
   • Geometry cleanup tolerance: 0.1 mm
   • Stitch surfaces: 勾选
   • Fix geometry: 勾选
5. 点击 Import 按钮

2.2 几何检查

1. 工具栏点击 Geometry 面板
2. 点击 edges 按钮，检查：
   • Free edges（自由边）- 应该为零
   • Shared edges（共享边）- 正常
3. 如有问题，使用 Geom → Edit → Filler 修补破面

2.3 几何简化

1. Tool → Defeature
   • Small features: 勾选
   • Threshold size: 2.0 mm（小于此值的特征将被移除）
   • Remove small holes: 勾选
   • Hole diameter: 3.0 mm
2. 选择轮毂实体，点击 Apply

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三、网格划分

3.1 创建网格控制面

1. 点击 2D → automesh 面板
2. 切换到 create 子面板
3. Element size设置：3.0 mm（初始单元尺寸）
4. Element type：quad（四边形）或 tria（三角形）
5. 选择轮毂表面，点击 mesh 生成表面网格

3.2 表面网格质量检查

1. Tool → Check Elems 面板
2. 检查项目设置：
   • Aspect Ratio: < 5.0（长宽比）
   • Skew: < 60度（歪斜角）
   • Warpage: < 15度（翘曲）
   • Jacobian: > 0.7（雅可比）
   • Min Angle: > 30度
   • Max Angle: < 150度
3. 点击 Check 按钮
4. 不合格单元会高亮显示（红色/黄色）

3.3 网格质量优化

1. Tool → Optimize 面板
2. 选择不合格单元
3. Optimization type：smooth
4. Iterations：5（迭代次数）
5. 点击 Optimize 按钮

3.4 生成体网格（实体单元）

方法A：四面体网格（自动）

1. 3D → tetramesh 面板
2. Element type：CTETRA（OptiStruct）或 SOLID（Radioss）
3. Element size：3.0 mm
4. Order：first order（一阶）或 second order（二阶，精度更高）
5. 选择轮毂封闭表面，点击 mesh

方法B：六面体网格（手动，质量更高）

1. 3D → solid map 面板
2. 先创建源面和目标面
3. Element size：3.0 mm
4. Mesh type：hexa
5. 需要将几何分块后逐块划分

3.5 最终网格检查

• 总单元数：建议 50,000 - 200,000（根据精度要求）
• 节点数：记录备用
• 再次进行 Check Elems，确保所有单元合格

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四、材料属性定义

4.1 创建材料

1. 左侧树状菜单：Model → Material
2. 右键点击空白处：Create → Material
3. Name：Aluminum_Alloy_A356（铝合金）

4.2 设置材料参数

铝合金A356典型参数：

• Card Image: MAT1（OptiStruct）
• E（弹性模量）: 72000 MPa
• NU（泊松比）: 0.33
• RHO（密度）: 2.685e-9 tonne/mm³
• GE（结构阻尼）: 0.0（可选）

点击 Return 保存

4.3 创建属性

1. Model → Property
2. 右键：Create → Property
3. Name：Wheel_Property
4. Card Image：PSOLID（实体单元属性）
5. Material：选择 Aluminum_Alloy_A356
6. 点击 Return

4.4 分配属性到单元

1. Update 面板
2. Entity type：elements
3. Property：选择 Wheel_Property
4. 选择所有轮毂单元（快捷键：Ctrl+A，然后过滤）
5. 点击 Update

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五、载荷与边界条件

5.1 创建载荷工况（Load Collector）

1. Model → Load Collector
2. 创建以下工况：
   • Radial_Load（径向载荷）
   • Lateral_Load（侧向载荷）
   • Braking_Torque（制动扭矩）
   • SPC_Bolt（螺栓约束）

5.2 定义坐标系（可选）

1. Tool → System 面板
2. 创建圆柱坐标系：
   • Origin：轮毂中心 (0, 0, 0)
   • Z-axis：轴向
   • X-axis：径向

5.3 施加约束（轮毂螺栓孔区域）

1. Analysis → Constraints 面板
2. Load Collector：选择 SPC_Bolt
3. Create：选择螺栓孔内表面节点
4. DOF（自由度）：
   • DOF1 (X): 勾选
   • DOF2 (Y): 勾选
   • DOF3 (Z): 勾选
   • DOF4-6: 根据需要（旋转自由度）
5. 点击 create 按钮

5.4 施加径向载荷

1. Analysis → Forces 面板
2. Load Collector：Radial_Load
3. 选择轮毂外圆接地区域节点
4. 输入力值：
   • Magnitude: 5000 N（根据车重计算）
   • Vector: (0, 0, -1)（Z向下）
5. 点击 create

5.5 施加侧向载荷

1. Load Collector：Lateral_Load
2. 选择轮胎接触区域节点
3. 输入：
   • Magnitude: 2000 N（转弯工况）
   • Vector: (0, 1, 0)（Y方向）
4. 点击 create

5.6 施加扭矩（制动工况）

1. Analysis → Moments 面板
2. Load Collector：Braking_Torque
3. 选择制动盘安装面节点
4. 输入：
   • Magnitude: 1500 N·m
   • Vector: (1, 0, 0)（绕X轴）
5. 点击 create

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六、创建载荷步（Load Step）

6.1 静力分析设置

1. Analysis → Load Step 面板
2. Create → Linear Static
3. Name：Static_Analysis
4. 配置：
   • SPC: 选择 SPC_Bolt
   • LOAD: 选择需要的载荷组合（如 Radial_Load）
   • Analysis type: Linear Static

6.2 组合载荷工况（可选）

• 可创建多个Load Step分析不同工况：
  • Case1: 纯径向 + 约束
  • Case2: 径向 + 侧向 + 约束
  • Case3: 径向 + 制动扭矩 + 约束

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七、求解器设置与运行

7.1 导出求解文件

1. File → Export → Solver Deck
2. 文件名：wheel_analysis.fem
3. Export options：
   • Element formulation: 勾选
   • Material data: 勾选
   • Load data: 勾选
4. 点击 Export

7.2 运行求解器（OptiStruct）

方法A：通过HyperMesh

1. Analysis → OptiStruct 面板
2. Input file：浏览选择 wheel_analysis.fem
3. Run options：
   • analysis: 勾选
   • optimization: 不勾选
4. Export options：
   • -out: 勾选（输出到屏幕）
   • -nproc: 4（使用4核并行，根据电脑配置）
5. 点击 OptiStruct 运行

方法B：命令行运行

cd work_directory
optistruct wheel_analysis.fem -nt 4

7.3 监控求解过程

• 查看 .out 文件实时输出
• 关键信息：
  • Grid Point Weight（质量检查）
  • Iteration History（迭代过程）
  • Error/Warning messages（错误/警告）

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八、后处理分析（HyperView）

8.1 启动HyperView

1. 求解完成后，HyperMesh会自动启动HyperView
2. 或手动启动：Start → HyperView

8.2 加载结果文件

1. File → Open → Results
2. 选择 wheel_analysis.h3d 文件
3. 点击 Apply

8.3 应力分析

1. Result type: Element Stresses (2D & 3D)
2. 切换到 Contour 面板
3. 选择应力类型：
   • von Mises（米塞斯等效应力）
   • Max Principal（最大主应力）
   • Min Principal（最小主应力）

设置显示选项

• Averaging method：Simple
• Component：von Mises
• Derived results：Stress
• 点击 Apply

调整色标

• 右键点击色标 → Edit Legend
• Min value：0 MPa
• Max value：根据材料屈服强度设置（A356约220 MPa）
• Number of colors：9

8.4 位移分析

1. Result type：Displacement (v)
2. Component：Mag（位移幅值）
3. 点击 Apply
4. 记录最大位移值

8.5 应变分析

1. Result type：Element Strains (2D & 3D)
2. Component：von Mises
3. 点击 Apply

8.6 安全系数计算

1. Tool → Stress Margin
2. Material Limit：220 MPa（屈服强度）
3. 计算安全系数 = 屈服强度 / 最大应力
4. 标准：FOS ≥ 1.5（静载）或 ≥ 3.0（疲劳）

8.7 截面视图

1. View → Section Cut 面板
2. Method：Plane
3. 定义切面：
   • Base point：(0, 0, 0)
   • Normal：(1, 0, 0)（X方向切面）
4. 观察内部应力分布

8.8 动画生成

1. Animation 面板
2. Type：Modal（模态）或 Transient（瞬态）
3. Number of frames：20
4. 点击 Start 播放变形动画

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九、结果评估与优化

9.1 关键评价指标

评价项	标准值	实测值	判定
最大应力	< 150 MPa	填写	√/×
最大位移	< 2.0 mm	填写	√/×
安全系数	> 1.5	填写	√/×
最大应变	< 0.002	填写	√/×

9.2 结果验证

• 检查应力集中位置：通常在轮辐根部、螺栓孔周围
• 变形是否合理：应向下弯曲
• 约束反力：检查支反力是否平衡

9.3 优化建议

如果不满足要求：

1. 加厚危险区域（轮辐根部）
2. 增加加强筋
3. 优化轮辐数量和形状
4. 改用更高强度材料
5. 调整网格密度重新分析

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十、报告生成

10.1 捕获图像

1. HyperView中：File → Save → Image
2. Format：PNG 或 JPEG
3. Resolution：1920x1080（高清）
4. 保存关键视图：
   • 应力云图（等轴测视图）
   • 应力云图（正视图）
   • 位移云图
   • 局部应力放大图

10.2 导出数据

1. File → Export → Report
2. 选择输出内容：
   • Max/Min values
   • Element/Node details
3. Format：HTML 或 PDF

10.3 生成分析报告

报告应包含：

• 项目概述
• 模型信息（单元数、材料、载荷）
• 网格质量报告
• 应力/位移结果
• 安全评估
• 优化建议

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十一、常见问题与解决

11.1 网格问题

• 问题：大量扭曲单元
• 解决：降低单元尺寸，使用 auto cleanup

11.2 收敛问题

• 问题：求解器报告不收敛
• 解决：
  • 检查约束是否充分（避免刚体运动）
  • 检查单元质量
  • 使用 NLGEOM（大变形）选项

11.3 应力奇异

• 问题：约束点应力异常高
• 解决：
  • 使用 RBE3（柔性刚性单元）分配载荷
  • 增加约束区域面积
  • 评估时忽略奇异点

11.4 内存不足

• 问题：网格过密导致内存溢出
• 解决：
  • 减少单元数量
  • 使用 out-of-core 求解选项
  • 增大虚拟内存

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十二、高级分析（可选）

12.1 疲劳分析

1. 在HyperMesh中定义 S-N曲线
2. 设置循环载荷谱
3. 运行 Fatigue 分析
4. 评估寿命预测（循环次数）

12.2 模态分析

1. 创建 Modal Analysis Load Step
2. Number of modes：10（前10阶模态）
3. 求解后查看固有频率和振型
4. 避免共振频率设计

12.3 优化设计

1. 使用 OptiStruct 拓扑优化
2. 定义：
   • Design space（设计空间）
   • Objective（目标：最小化质量）
   • Constraints（约束：应力限制）
3. 运行优化迭代
4. 提取优化几何

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附录：快捷键参考

功能	快捷键
保存模型	Ctrl + S
撤销	Ctrl + Z
重做	Ctrl + Y
全选	Ctrl + A
适应视图	F
隐藏	H
显示全部	Shift + H
旋转视图	鼠标中键拖动
平移视图	Shift + 中键
缩放	滚轮

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完成整个流程预计时间：4-8小时（根据模型复杂度和经验）