基于HyperMesh和ANSYSLS-DYNA软件铸造过程有限元分析---吴香菊

基于HyperMesh和ANSYS/LS-DYNA软件
锻造过程有限元分析
吴香菊王伟吴会萍蔡梅王照坤李根
沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司
海军驻沈阳地区航空军事代表室
沈阳发动机设计研究所
基于HyperMesh和ANSYS/LS-DYNA软件
锻造过程有限元分析
吴香菊1王伟2 吴会萍1 蔡梅1 王照坤1 李根3
1 沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司
2 海军驻沈阳地区航空军事代表室
3 沈阳发动机设计研究所
摘要：针对在工程中应用单一软件完成有限元分析的过程复杂、效率不高问题，文中综合应用HyperMesh和ANSYS/LS-DYNA软件完成网格划分、分析计算到结果处理整个过程。

实践表明，综合运用HyperMesh和ANSYS/LS-DYNA软件进行锻造过程有限元分析，有利于发挥二者的优点，提高有限元分析效率。

关键词：Hypermesh；ANSYS/LS-DYNA；锻造
1 概述
众所周知，CAE是先进制造技术的重要组成部分。

在工程应用中，各类专用有限元软件在几何建模、网格划分、分析计算及结果处理方面各有特色。

虽然很多情况下只需要某一软件就能完成整个有限元分析过程，但往往过程复杂。

HyperMesh是世界领先的针对有限元主流求解器的高性能前后处理软件。

它支持直接输入已有的三维CAD几何模型（UG，Pro/E，CATIA等），并且导入的效率和模型质量都很高，使得CAE分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算中去。

大型非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA是功能齐全的几何非线性、材料非线性和接触非线性程序，采用有限元动力显式算法。

因此本文综合应用HyperMesh 和ANSYS/LS-DYNA的优点完成锻造过程仿真分析。

2 有限元模型的建立
有限元软件的综合运用，目的在于充分发挥各软件的长处，避免其不足，从而使软件几何建模、网格划分、分析计算及其结果处理的整个过程高速高效、条理清楚、不易出错，且容易操作和修改。

文中先使用UG软件进行几何建模，然后利用HyerMesh进行有限元网格划分，最后采用ANSYS/LS-DYNA进行计算分析及结果处理，可以大大提高整个分析过程的效率，其
求解也能符合实际的需要。

对UG ，HyperMesh 和ANSYS/LS-DYNA 软件的综合应用的整个过程如图1所示。

图1 锻造过程有限元分析流程图
2.1 几何模型的创建及导入
在进行锻造过程有限元分析时，准备工作主要包
括：确定几何尺寸、装配关系、材料参数、边界条件
以及所需要分析的内容。

HyperMesh 的几何造型功能
比较弱，但是它提供了广泛的CAD 软件接口。

故可以
先使用其他专门的CAD 软件建立分析对象的几何模
型，然后再通过中间格式导入到HyperMesh 中进行
CAE 建模。

由于parasolid 是一种普遍接受的中间格
式，它主要用在不同的CAD 和CAE 系统之间交换几
何模型。

文中使用UG3.0三维实体建模软件建立几何
模型和装配关系后，输出parasolid 格式文件，并导入
到HyperMesh 中（如图2所示）。

2.2 设置材料参数及网格划分
设置正确合理的材料参数和单元属性是进行CAE 仿真分析的前提。

HyperMesh 本身不存在量纲，因此在设置材料参数时应该注意单位的协调一致，所有参数尽量都采用国际标准单位。

有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件列出平衡方程综合求解。

划分网图2 导入到HyperMesh 中的锻模和坯料几何模型
上模
下模 坯料
格是建立有限元模型的重要一环，理想的有限元网格应该是等边三角形、正方形、等边四面体和立方体等。

由于分析对象结构大多比较复杂，因此完全采用理想的单元对结构进行离散化是不可能的，但应该使实际单元形态尽可能接近理想单元。

此外在划分网格时还要考虑到网格数量、网格疏密、单元阶次和网格质量等因素对计算精度和计算规模的影响。

HyperMesh提供了多种交互式建立映射网格和自由网格的方法。

通过旋转、拉伸、扫描等命令生成映射网格，在划分网格过程中用户可以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度，单元长度变化趋势，网格划分算法等等。

本文应用HyperMesh划分的六面体网格如图3所示。

图3 锻造坯料和模具六面体网格图
网格质量检查是进行有限元分析的必要步骤，决定了有限元分析结果准确程度。

具体的网格质量衡量指标有细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、雅克比等[1]。

由于在ANSYS/LS-DYNA中很难检查大量网格质量，而HyperMesh恰恰可以很方便的检查网格质量（如图4所示）。

这充分体现了HyperMesh与ANSYS/LS-DYNA综合运用的优势。

图4 锻造模具的jacobian值分布云图
3 ANSYS/LS-DYNA 中有限元分析
运用HyperMesh 软件生成锻件和坯料六面体网格后，需设置用于ANSYS/LS-DYNA 求解的K 文件。

可以采用两种方法来实现。

第一种方法是，将HyperMesh 软件划分的六面体网格导入到ANSYS/LS-DYNA 软件环境中（如图4和5所示）。

在ANSYS/LS-DYNA 程序环境中生成PART 部件，并设置接触条件、约束条件及载荷，生成K 文件，最后在ANSYS/LS-DYNA 求解器中进行求解。

第二种方法是，在HyperMesh 软件的LS-DYNA 模板下设置并生成K 文件，最后直接调用ANSYS/LS-DYNA 求解器直接进行求解。

文中采用在ANSYS/LS-DYNA 中生成K 文件的方法。

对上模施加位移载荷，通过上模相对下模的运动使坯料成形。

图4 ANSYS/LS-DYNA 中
锻造有限元模型图 图5 ANSYS/LS-DYNA 中 锻造有限元模型剖面示意图
众所周知，在有限元方法中六面体网格的求解精度要好于四面体的求解精度；四面体对几何形状的表达能力要好于六面体网格。

文中综合应用了六面体网格和四面体网格的优点进行锻造过程有限元分析。

(a) (b)
（c） (d)
图6 锻造过程中不同时刻坯料网格变形图
图6为在锻造过程中坯料网格不同时刻变形图。

从图中可以看出，初始时刻坯料为六面体网格，在中间某一时刻六面体网格转化为四面体网格。

这是由于在锻造过程有限元分析中，采用了关键字*CONTROL_ADAPTIVE对六面体网格进行3D r-adaptive自适应网格划分，采用四面体单元完成自适应网格划分过程，采用最小二乘逼近方法完成新老网格之间的初始化，网格尺寸由关键字*CONTROL_REMESHING控制。

从图6中的网格变形情况来看，六面体与四面体的混合应用，可以有效的模拟锻造过程；既提高了求解精度，又可以较好的表达几何形状变化。

4 结论
有限元模型的建立是应用有限元方法的关键部分。

在HyperMesh中建立的有限元能够很好地导入到ANSYS/LS-DYNA求解器中进行求解计算，这种将有限元前处理和求解过程分别放在不同的有限元软件中进行处理的方法可以综合运用不同软件的优势特点，提高CAE分析的效率。

5 参考文献
[1]于开平，周传月，谭惠丰等，HyperMesh从入门到精通[M]，北京：科学出版社，2005
[2]熊珍兵，罗会信，基于HyperMesh的有限元前处理技术[J]，排灌机械，第24卷第3期。