基于PROE，HyperMesh，ANSYS的有
限元分析
作者: 张瑞 ,琚建民
1. 介绍：
目前，ANSYS软件在有限元分析方面被广泛的应用，但是他的预加工功能是如此的复杂以至于我们必须耗费大量的精力和时间，特别是分析复杂模型的时候。 根据这种状况，我们将用PROE，HyperMash，和ANSYS商业软件进行建模，创建网格，计算和分析。各种有限元分析软件的综合运用可以发挥他们各自的优势，使有限元分析更加有效率。
2. 关于PROE，HyperMash，和ANSYS的介绍
a.ProE是美国PTC公司开发的3D的CAD/CAM/CAE软件。他的几何建模功能是最杰出的。我们建立复杂的模型更多的会去运用PROE而非ANSYS和HyperMash。然而他的划分网格，计算，分析和后续处理是十分差劲的
b.HyperMash 是美国Atair公司开发的产品。它的主要优势在以下几个方面：划分网格变得更容易和迅速；我们更容易可以控制和指定原理特征，操作时非常的方便。因此可以使原理特征和网格工程分析要求更容易吻合；HyperMash有常规CAD和CAE软件界面。HyperMash的建模功能没有PROE那么强，它的计算分析功能也并没有ANSYS那样好。因为它有很少的材质和元素种类，并且设定解决方法是非常不便的。
c.ANSYS是最有影响力的一有限元分析软件在世界上,因为它的强大计算和分析能力。但它的预处理功能相对薄弱。首先,在ANSYS中建模时低PROE一等的,因此对复杂建模是很困难的。 此外, 运用ANSYS进行网格划分和修改元素和HyperMesh相比并不容易。所以很难确保元素特性使计算成功。用它进行预处理将会浪费更多时间,严重的影响工作效率。
3. ProE; HyperMesh; ANSYS在有限元分析上的综合应用 a.工作过程
我们的目的是要通过综合利用软件来发挥每个软件各自的优点。根据三个软件的特点,我们可以通过PROE建模,通过HyperMesh划分网格,通过ANSYS求解。通过这个方法,整个有限元分析过程会更加有效准确。整个分析过程见图1
b.常见问题及解答：1)简化建模：通常通过PROE的建模过程是用立体建模的方法然后提取表面，大量的错误和修改工作将会在划分网格式出现。因此，我们可以用表面建模[1],忽略几个细节（例如小孔和倒角）和附件。2)模型的分类管理：有许多几乎不受约束的表面互相遮掩。许多表面不同样式的混合在一起时我们管理起来十分不便。因此，有着相同特征的表面一定要被定义成相同的组成，名字和颜色，然后我们可以通过组
成的功能来管理这些表面。3)有限元建立网格：通过HyperMesh自动划分网格一般来说不仅能满足工作要求,而且令操作更加效率和便利。因此,对于巨大而复杂的项目,我们建议的一个原则:自动划分网格是主要的方法、手工划分网格是次要的方法。我们可以把整个模型划分为几个部分和用不同的密度一个接一个的划分网格。虽然通过这种方法划分网格和自己艰苦的划分网格相比可能生产更多的单元, 节省时间,操作简单的优点是很好的。除此之外,你可以修改边缘表面，一个新的表面边界将会产生，它将是后面划分网格的单元。4)检查单元：检测有限元是非常重要工作,因为有限元质量直接影响的计算精度。如果有限元几何体的尺寸是不够合适的，利用ANSYS软件进行的计算也许就不能继续,。在划分网格的模型从PROE导入到HyperMesh之后,问题出现了:有一些只是共同表面边缘的有限元边将会不协调。我们必须在网格划前解决这个问题,(正确和错误有限元见图2)。此外,HyperMesh包括了许多检查有限元的特征。如果有太多不合格的元素，那么我们应该重新划分网格。如果仅仅是有个别不好的有限元,我们应该手动操作来调整。总之,我们必须调整有限元直到仅仅有极少的坏有限元，来保证在ANSYS中成功的计算。 4. 通过PROE,HyperMesh和ANSYS进行综合分析
本文以汽车油槽的有限元分析为例。阐述了通过PROE,HyperMesh和ANSYS进行全面分析的详细过程。 A.通过PROE建模：我们选用PROE曲面造型来建模钢焊接板建造的汽车油箱。小洞和倒角被忽略,但大洞还需要考虑(见Fig.3.几个表面被隐藏了),文件可以被保存为默认的格式(如.prt,* * .asm) B.导入HyperMash
在HyperMash8.0中，我们在文
件菜单中找到导入然后单击几何体，单击PROE然后选择用PROE创建的文件。导入到HyperMash中的模型是和PROE中的模型相同没有失真的。 C.管理和分类模型表面：然后我们选择有相同的属性的表面来组织和使用组织面板,复制或移动相应的目的地。他们被指定为不同的名称和颜色。
D.边界编辑：我们可以用等效sub-panel来标记复合close-set表面被视作他们是互相连接的,因此它们邻近的边自由成为共享的边缘。在表面编辑面板上,使用sub-panel几何曲面修剪可以更有效的编辑交叉的表面。
E.有限元划分网格：汽车油箱的挂钩式进行分析最重要的部件，因此它的有限元密度要比其他的大。为了使有限元有大变小，我们应该通过快速编辑面板分割挂钩附近的表面。从挂钩表面到其他表面，有限元的密度逐步的减小。我们通过选择不同有限元尺寸用“Automesh”面板来网格所有的表面
F.。检查有限元：工具页上,我们选择检查”elems”面板来,验证的所有有限元的几何质量。此外,我们使用“一维,“二维”和“三维”次面板的功能测试连接的
一群有限元的连通性同时要检查复制的有限元。我们也可以通过以下方法调整坏的有限元:选中一个有限元的边，共享这条边的两个有限元的连通性已经改变(在HyperMash中划分网格后模型见图4)。
G.定义有限元的属性和约束：我们使用实用工具菜单下列选项: ET type, Real set, Section and Material来定义有限元的属性,真正的集合之内,部分和材料来定义元素的属性。所有的有限元被定义为SHELL63。在分析界面,我们进入约束面板然后定义约束。
H.输出一个ANSYS文件：在HyperMesh中,该文件可以直接另存为”* .hm”。但这种格式的模型不能导入到ANSYS中。我们应该从文件拉菜单选择导出,然后点击有限元模型,然后保存文件为“* .cdb。 I.通过ANSYS定义载荷和求解
在ANSYS 10.0,从“文件”下拉菜单中,我们选取“读引进“菜单,选择“* .cdb“格式的文件。然后数据库就被导入到ANSYS中。 导入到ANSYS的模型同样应该 和HyperMesh中相同没有失真。我们值得注意的是导入到ANSYS中的模型没有几何实体信息,而只有有限元信息。因此如果你想在ANSYS,中建一个新表面,你只能用有限元信息(如节点)。
在油箱上的载荷是非常复杂的,载荷应用不是用HyperMesh而是用ANSYS。 求解油箱应力图见图5。
5.总结：有限元方法——PROE建模,HyperMesh划分网格,ANSYS求解和是可行
的，可以发挥他们相应的优势。顺便说一句,分析过程变的更方便、快捷、准确。尤其是复杂的模型比较适合方法。本文提出了一套实用的工作流程,问题和解决方案,这对实际工程也有参考价值。作者在其它工程用这种方法和工作流程获得良好的效果。 特别感谢：作者特别感谢大连交通大学的张涛在工作可能性上对作者的帮助和支持！
参考文献：
[1] 陈忠昌,谢发琴, 和 吴向青, “Realization of ProE curved face modeling and the MeshCAST grid division”, Foundry Technology, vol. 28, pp. 1353–1355, 2007年十月.
[2] 蒋学武 吴新月, 和 朱实践, “Comprehensive application of UG, HyperMesh and MSCMarc in finite element analysis”, Computer Aided Angineering, vol. 16, pp. 11–14, 2007年六月.