技术邻学院丨Hyperworks学员必看的分析应用合集

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丨HyperWorks分析应用合集丨

目 录 直 达

【一】HyperWorks在活塞分析计算中的应用【二】HyperWorks在船舶甲板支撑结构设计中的应用【三】HyperWorks在汽车行李箱优化中的应用【四】文档学习资料：①HyperWorks 基础培训②HyperWorks分析应用实例【五】视频学习资料①HyperMesh(共8讲)基础培训视频

②HyperWorks的CFD前处理解决方案

【一】HyperWorks在活塞分析计算中的应用

关键词：Altair HyperWorks,发动机,活塞,结构优化,疲劳寿命

1 引言

2 动力单元（PCU）的有限元分析

2.1 有限元分析模型的建立

2.2 活塞温度场分析

2.3 热固耦合分析

在活塞应力计算过程中，考虑了活塞销孔形线与外圆形线的影响，同时将温度计算结果与机械应力计算结果相耦合，为疲劳寿命分析打下基础。如图8所示为所计算的活塞在运行过程中所受的最大平均应力和应力幅值。

3 疲劳寿命分析

4 优化分析

Morph是HyperMesh中用于直接改变模型 格的模块。允许通过有效、合理、可视化的方式改变 格模型，在确保 格质量最优化的前提下实现以下功能：(1) 通过改变零部件 格来改变该零部件几何形状；(2) 参数化的改变零部件 格模型尺寸；(3) 把现有模型 格投影到新的几何形面上；(4) 为形状优化分析创建形状变量。基于Morph 格优化功能，对活塞结构进行优化，燃烧室顶面厚度增加了1 mm。如图10所示为Morph优化之前的 格模型，图11所示为优化之后的结构。

采用与优化活塞结构之前想同的边界条件，计算得出的最大平均应力与应力幅值如图12所示。

疲劳寿命分布如图13所示。最小寿命为4.6。满足MAHLE公司的相对疲劳寿命标准2.5。

5 结论

【二】HyperWorks在船舶甲板支撑结构设计中的应用

摘要：文章应用HyperWorks软件评估了液压折臂吊下甲板支撑构件的强度，并进一步应用OptiStruct模块对液压折臂吊下的船舶甲板支撑结构进行了尺寸优化设计。优化过程中将甲板支撑构件尺寸参数作为变量，将中国船级社规范中规定的许用应力指标作为约束，将支撑结构总质量最小作为优化目标，最终得到了满足规范要求的甲板支撑构件最优尺寸。

关键词：船舶结构，尺寸优化，HyperWorks

1 引言

2有限元计算模型

在三维笛卡尔坐标系中建立液压折臂吊支撑结构舱段三维有限元计算模型。船长方向为X轴，正方向由船尾指向船首；船宽方向为Y轴，正方向由右舷指向左舷；型深方向为Z轴，正方向由基线指向甲板。规范要求计算模型采用局部立体结构模型，以液压折臂吊有效作用平面矩形的形心为中心，向四周分别扩展至少一倍的该矩形相对应的长、宽距离，垂向应从液压折臂吊基座面扩展至甲板之下的第一个平台甲板或至少D/4处（D为型深）。且应保证有限元计算模型范围延伸至结构主要支撑构件上。计算中将甲板纵桁、强横梁、强肋骨等强构件的腹板、主甲板板、舷侧板用壳单元离散；将甲板纵桁、强横梁、强肋骨等强构件的面板用梁单元离散；将甲板纵骨、舷侧纵骨及舱壁扶强材用梁单元离散。模型中位移单位为mm，应力单位为MPa。

船体材料主要采用屈服极限235MPa的B级船用结构钢，弹性模量E=2.06×105 N/mm2，泊松比μ=0.3。基于HyperMesh建立的液压折臂吊支撑结构舱段三维有限元计算模型见图1。

3 初始尺寸强度校核

首先，针对液压折臂吊下甲板支撑结构初始尺寸进行强度校核。设计中将吊机布置在甲板强横梁和纵桁的交汇出，根据船体规范计算书算得的甲板强构件初始尺寸为：T型材腹板9mm，T型材面板为12×120的扁钢。

3.1 载荷条件

根据规范要求，计算中主要考虑吊机的最大倾覆力矩、安全工作载荷和吊机自重三个方面的载荷。

1）吊机最大倾覆力矩：

“规范”中给出，倾覆力矩系指起重设备在安全载荷下作业，起重设备与船体结构连接处所计算得出的最大弯矩，本计算中折臂吊最大动弯矩为308.2kN.m。

2）安全工作载荷：

安全工作载荷系指在任何规定的变幅长度范围内，起重机可起升的最大载荷。本吊机由设备商提供的安全工作载荷为4t。根据“规范”，对于近海作业的起重设备，附加于起重设备自重的150%安全工作载荷应进行校核，所以计算中安全工作载荷取6t。

3）液压折臂吊自重：

本船液压折臂吊自重为2.38t。

3.2 边界条件

模型两端剖面各节点施加简支边界条件，约束x、y、z方向线位移；模型下边界（包括主甲板以下1.8m处舷侧外板、肋骨以及支柱）施加简支边界条件，约束x、y、z方向线位移；中纵剖面主甲板施加简支边界条件，约束x、y、z方向线位移。

3.3 分析结果

应用HyperWorks软件RADIOSS求解器进行计算，图2给出了支撑结构初始尺寸下的应力云图。

根据规范，构件的许用应力见表1。通过应力云图可见，吊机下甲板强横梁的腹板剪应力最大值为95MPa，面板的正应力最大值为224MPa，均不满足规范规定的许用应力值，需对吊机支撑结构进行加强。

4 优化分析

通过计算发现吊机载荷作用下，高应力区域集中出现在吊机下甲板交叉的强横梁和纵桁上，因此仅将T型材腹板厚度、T型材面板宽度和面板厚度三个尺寸作为变量对支撑结构进行优化。考虑到工程实际，将各变量定义为离散型，如表2。

在定义变量之后，指定响应作为优化约束条件和目标函数。针对本次研究，目标函数设置为甲板支撑结构质量最小；约束条件为各应力分量不超过规范规定的许用值，表3给出了优化分析中约束的具体定义。

通过OptiStruct求解，最终优化结果为T型材腹板厚度12mm，T型材面板厚度为17mm,T型材面板宽度为140mm。此时，液压折臂吊下甲板支撑结构应力云图如图3。可见，优化尺寸后支撑结构的最大剪应力为72.7MPa，最大正应力为156.5Mpa均满足了规范规定的许用值。此时，结构正应力值已经十分接近许用应力值，说明通过优化分析，我们得到了满足规范要求的最合理结构尺寸，使材料得到充分的利用，节约了成本。

5 结论

【三】HyperWorks在汽车行李箱优化中的应用

概述

近年来，随着CAE仿真技术的逐渐成熟，其高效率、低成本的优势被国内外汽车厂商青睐，成为汽车设计的不可或缺的主要手段。HyperWorks软件以其高性能、开放式有限单元前后处理器、强大的 格划分能力及提供几乎所有主流商业CAD系统和CAE求解器接口等诸多优点成为CAE技术广泛应用的工具。

1 建立有限元模型

1.1 格划分

首先利用HyperMesh前处理功能建立行李箱总成各结构件的有限元模型，选用壳单元，基本 格单元尺寸为5mm。结构连接采用RBE2、RBE3、粘胶、焊接单元，并充分考虑结构的具体特征如圆角、翻边、工艺孔等，对结构的简化处理不影响结构的强度分析结果。完成后的行李箱有限元模型 格数量共有73475个，其中三角形壳单元3476个，占4.7%。单元质量符合企业给定标准。行李箱有限元模型见图1。

1.2材料属性

计算中所使用的材料参数如下：

1.3边界载荷

根据试验方法对行李箱盖进行约束和加载，具体方法如下：

约束条件：在行李箱盖铰链安装点处约束所有自由度，边界条件设置如图2。

载荷工况：在行李箱盖latch处施加力F=100N，方向为X向（车身前后方向），载荷设置如图3。

2 分析结果

通过OptiStruct求解计算出施力点的X方向位移值，体现出图2-3所示的R角的变化程度，反映行李箱盖的刚度特性。

分析结果得到该点的X向位移为4.94mm。为设定分析优化目标，特取一款类似的参考样车的行李箱盖做同样的工况分析，得出的位移值为4.4mm。因此，对该行李箱盖的结构强度优化目标，即在该载荷工况下，施力点的X向位移值≤4.4mm。

3 优化方案

根据经验，为提升行李箱盖的刚性，减少面板变形量，需加强行李箱盖内部R角折弯部位的刚度。因此，根据设计空间和成本考量，提出以下两种优化方案，并将分析结果与参考样车分析值进行对比，选取最佳方案。

方案一：在行李箱盖内板R角折弯部位添加凸筋。见图4。

方案二：将行李箱盖左右铰链加强板加长。见图 5。

以上两种优化方案分析结果如下：

以上分析结果（图6 和图7）可以看出，方案一的施力点位移变化量略有减小，但未达到目标要求；而方案二的施力点位移变化量下降13.36%，到达4.28mm，低于目标4.4mm，说明该方案能够有效提高行李箱盖的内板刚性。

4 实车验证

根据方案二的建议，将行李箱盖左右铰链加强板加长后进行强度耐久试验测试，发现问题点已改善，不存在难以扣锁的问题。试验结果表明，优化方案二满足设计指标要求，达到了结构优化改进的目标。

5 结论

对于刚开始接触Hyperworks的菜鸟，对以上内容还不能理解透彻，表担心！技术邻为你免费献上以下秘籍，只要你沉下心好好学习，相信你离上天下海的那一天也不遥远了！【四】

文档学习

文档：HyperWorks分析应用实例文档：HyperWorks 基础培训

【五】

视频学习

HyperMesh(共8讲)基础培训视频

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HyperWorks的CFD前处理解决方案

视频整理自Altair-China视频课程，为免费视频。整理出来旨在分享Hyperworks知识给广大同行。

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