悬架整车性能Hypermesh有限元
分析仿真试验指导书
吉林大学汽车实验室
编写：李 静
2013年10月
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一、实验目的
(1) 掌握应用有限元仿真方法分析悬架零部件的方法。
(2) 了解有限元的基本思想，通过转向节强度分析实验，掌握有限元分析基本步骤。 (3) 熟悉HyperMesh软件的面板，掌握HyperMesh10.0菜单布局结构，学习使用各类
菜单操作。
二、实验用仪器设备及软件
HyperMesh10.0能完成Hypermesh建模及计算的笔记本电脑或台式机。 三、操作步骤
1． 打开hypermesh,在User Profiles 窗口选择Nastran选项
图1 选择求解器
2． 导入模型,如图2所示,三中方式任选其一: a. File >Open b. File >Import
c. 单击工具栏上的Import按钮
单击主菜单栏上方工具栏的
按钮,使模型以带表面和边框的形式显示(图3):
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图2 导入CAD模型
图3 改变显示方式
3． 删除实体
单击快捷键F2(删除),出现如图4所示面板,单击左上角的倒三角符号,在出现的面板
图4 删除面板
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中选择solids, 若当前面板没有solids选项,则单击左右换页键如图5所示:
图5 选择实体
接下来左键单击黄色的solids选框,出现如图6所示面板,选择all或者displayed,这时整个实体模型被选中,单击主面板右上角delete entity按钮,删除实体。
图6 选中全部实体
4． 几何清理
单击快捷键F11(快速几何编辑)，出现如图7所示快速编辑面板，使用相关功能对转向节进行快速清理编辑，如添加、删除点，合并边，压缩边等，编辑完成后点击return。
图7快速几何编辑面板
清除倒角
选择Geom页面菜单，在Geom面板上选择defeature，出现如图8所示面板，选择surf fillets，将min radius改为0.1，max radius改为3，单击find，出现如图9所示面板，
图8 defeature面板
单击surfs选框，确保其出于选中状态（高亮），然后再单击转向节上需要去除的倒角面，再点击remove如图10所示
图9 倒角清除面板
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消除前 消除后
图10 消除倒角
自动清理
在页面菜单栏,单击Geom,进入Geom面板,单击autocleanup,如图11所示
图10 选择autocleanup
在autocleanup面板(如图12),单击surfs选框,在他不出的面板中选择all,单击Topology cleanup parameters下方切换按钮,切换成use current parameters,单击edit parameters,出现parameters File Editor 面板,将Target element size设置为3(如图13),单击OK返回autocleanup面板
图12 autocleanup面板
图13 parameters File Editor
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单击Elements quality criteria下方切换按钮,切换成use current criteria,单击edit criteria(如图12),出现Criteria File Editor面板,将Target element size设置为3,Min Size设置为1, Max Size设置为6(如图14), 单击OK返回autocleanup面板,单击右上角autocleanup进行自动清理。
图14 Criteria File Editor面板
5． 2维网格划分
在标签区依次单击Mode>model view 在Component标签上右击，选择Create，在弹出的对话框中输入名称“2D_element”单击Create退出（如图15所示）。
图15 创建2维网格部件
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在页面菜单栏,单击2D,进入2D面板如图16所示，单击automesh 出现automesh面板
图16 2D面板
在弹出的automesh面板单击左上角的下拉按钮，选择surfs，单击surfs选框，在弹出的对话框中选择all，在下侧的网格划分方式选择QI optimize，element size 填3，mesh type 选mixed，将QI标准切换为use current crieria依次选择elems to current comp，first order最后点击mesh，自动划分网格，点return返回，如图17所示。
图17 自动划分网格
6． 3维网格建立
在标签区依次单击Mode>model view 在Component标签上右击，选择Create，在弹出的对话框中输入名称“3D_element”单击Create退出，参考图15。
在页面菜单栏,单击3D,进入3D面板如图18所示，单击tetramesh 出现tetramesh面板，网格划分方式选tetra mesh点击select trias/quads to tetra mesh下拉菜单选择mesh，单击mesh选框，在弹出的面板中选all，其他设置如图19所示，点击mesh，建立3D网格，点击return返回。
图18 3D面板
图19 tetramesh面板设置
7． 建立材料卡片
点击菜单栏Materials，在下拉菜单中选择Create；或者在工具栏点击材料图标进入材料面板如图20所示。本实例所用转向节的材料为球墨铸铁，牌号为QT500，弹性模量147GPa，屈服极限维320MPa，泊松比0.25，密度7200Kg/m3，在材料mat name一栏输入材料的名字“QT500”颜色任选，type选all或者ISOTROPIC，card image选择MAT1，如图21所示，点击create/edit，进入材料属性卡编辑面板，单击材料属性卡片的弹性模量E，输入1.5 e5，单击泊松比G，输入0.25，单击密度GHO，输入7.2e-9，点热突然返回，如图22所示
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图20 创建材料属性卡片
图21 创建材料
图22 输入材料参数
8． 创建属性
在点击菜单栏Properties，在下拉菜单中选择Create；或者在工具栏点击属性图标进入属性面板如图23所示。在prop name一栏输入PSOLID，color任意，type选3D，card image选PSOLID，material选上一步建立的QT500材料，点击create创建单元格属性（如图24所示），点击return返回
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图23单元格属性卡片
图24 创建单元格属性
9． 给单元格赋属性
在工具栏点击组件图标进入属性面板如图23所示。单击左侧的update选项，再单击comps选框在弹出的面板中选中3D_element组件，点return返回，此时整个3维网格处于选中状态，在属性切换框，将no property切换为property，单击property后面选框，选择上一步建立的PSOLID属性，此时下面card image = PSOLID，material = QT500，ard image = MAT1，点击update，给网格赋属性，点return返回,如图25所示。
图25 给3D单元格赋属性
10． 建立载荷集
在点击菜单栏Collectors，在下拉菜单中选择Create；在下级菜单中选择Load Collectors, 或者在工具栏点击Load Collectors图标进入Load Collectors面板,在左侧操作选项出选择create,在loadcol name输入load1,点击右上角create按钮,创建载荷集,点return返回主菜单,如图26所示。
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图26创建载荷集
11． 建立连接
前面我们讲到了用ADAMS提取载荷,这里我们用ADAMS提取的转向节受力点和受力分别为：①车轮中心处：受力点坐标（-0.002，-515.756，-24.88），所受力（1803，-3.63157，2127.82），所受力矩（-3999.51，8.05575，0.000000126243）；②与下摆臂球销连接处：受力点坐标（-2.431，-449.382，-87.256），所受力（-2831.，777.43，-307.473），所受力矩（0，0，0）；③与减振器支座连接处：受力点坐标（31.091，-375.，120.615），所受力（1011.5，-834.186，-1566.9），所受力矩（100711，144116，-11798.2）；④与转向拉杆连接处：受力点坐标（-63.639，-469.023，47.5），所受力（-7.171，77.4616，-11.1194），所受力矩（0，0，0）；
创建临时节点,这里创建的临时节点就是上面的各个受力点.
在页面菜单栏,单击Geom,进入Geom面板如图16所示，单击nodes 出现nodes面板如图27所示,在弹出的面板中选择以type in的方式创建临时节点,在X、Y、Z后的方框中分别输入各个受力点坐标，然后点击create node创建临时节点，如图28所示，四个受力点都创建完成以后点击return返回主菜单，创建完后的模型如图29所示。
图27 Geom面板
图28 创建临时节点
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图29 创建完临时节点后的模型
创建受力连接
在标签区依次单击Mode>model view 在Component标签上右击，选择Create，在弹出的对话框中输入名称“RBE2”单击Create退出，参考图15。
在页面菜单栏,单击1D,进入1D面板如图16所示，单击rigids 出现rigids面板如图30所示：
图30 1D面板
在工具栏点击XY俯视图按钮，切换模型视图。在rigids面板左侧选择create，
单击independent左边选框，在图形去选取刚刚建立的与转向拉杆连接处的临时节点（即现在图中最左侧的黄点），单击dependent右边的下拉按钮，选择nodes，单击nodes选框，按住shift键，在图形区框选与转向拉杆连接孔内壁所有节点，如图31,右边所有自由度全选中，点击右上角create，如图31所示，同理，按照这个方法将其他三个临时节点以其对应的孔连接起来，注意与减振器支座连接的节点应与两个孔相连，创建完连接后的模型如图32 所示：
图31 建立连接
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图32 创建完受力连接后的转向节模型
12． 添加载荷集
单击主菜单区上方工具栏
，进入LoadCollector面板，在面板左侧选择create，在
loadcol name左侧对话框输入load1，颜色任意，card image切换成no card image 点击右上角create按钮生成载荷集，如图33所示。
图33 添加载荷集
13． 添加载荷
添加力
在页面菜单栏,单击Analysis,进入Analysis面板如图34所示，单击forces按钮， 出现forces面板,在forces的面板左侧选择create，在中间的对象下拉菜单选择nodes作为加载对象，单击nodes选框，并选择与转向拉杆连接处的临时节点，
图34 Analysis面板
坐标系选择global system 下面的下拉菜单选择constant components，然后依次输入转向节与转向拉杆连接处的力的X、Y、Z三个方向分力，显示比例magnitude按自己需求输入即可，单击右上角create按钮，生成力，如图35所示。按照上面操作依次添加其他三个点的力，单击return返回Analysis面板。
图35 添加力
添加力矩
在Analysis面板，单击moment（forces下方，参考图34）按钮，如图36，单击nodes选框，并选择与转向拉杆连接处的临时节点，坐标系选择global system 下面的下拉菜单选择constant components，然后依次输入转向节与转向拉杆连接处的力矩的X、Y、Z三个方向分力矩，显示比例magnitude按自己需求输入即可，单击右上角create
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按钮，添加力矩，。按照上面操作依次添加其他三个点的力矩，单击return返回Analysis面板。添加完力和力矩的装箱姐有限元模型如图37所示
图36 添加力矩
图37 力和力矩
14． 添加工况
在页面菜单栏,单击Analysis,进入Analysis面板如图34所示，单击loadsteps按钮， 出现loadstep面板,在左侧的name对话框输入step1勾选下方LOAD选项，点击出现的方框，选择load1，右侧计算类别选择linear static，单击右上角create生成工况步，如图38所示，单击return返回。
图38 添加工况
15． 设置控制卡片
在页面菜单栏,单击Analysis,进入Analysis面板，如图39所示，单击conrol cards按钮，出现conrol cards面板,单击右下角GLOBAL_CASE_CONTROL（如图40）在弹出的面板中，拉左侧的进度条并勾选Output，在下级菜单中勾选Displacement，Stress，选择ALL，Strain，下级的DISPopts、STRESSopts、STRAINopts都选择ALL，如图41所示，单击return返回conrol cards面板（如图40），点击SOL按钮，在Analysis
图39 Analysis面板
图40 conrol cards面板
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图41 GLOBAL_CASE_CONTROL面板
下方的计算类型中选择Statics，如图42所示，单击return返回conrol cards面板。
图42 SOL面板
单击conrol cards面板中间PARAM按钮，拖动左下方的滚动条，并勾选
AUTOSPCINTER、INREL、POST，并单击INREL_V1下方的按钮，选择-2（惯性释放），如图43所示，单击return返回。
16． 导出bdf文件
为了减小bdf文件大小，需要删除无用的模型组件。右击标签区Component右边加号，展开组件，在KUNCKLE.PRT、2D_element上右键，删除这两个组件。 单击工具栏的Export按钮，或者在菜单栏选择File>Export进入Export面板，File type选择Nastran，Template选择Standard format，单击File后面的文件夹符号，选择保存位置，输入文件名为knuckle_demo.bdf，其他设置默认，单击Export导出bdf文件。
将上面生成的knuckle_demo.bdf文件提交给Nastran计算即可得到结果。
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四、实验报告
将上面生成的knuckle_demo.bdf文件提交给Nastran计算即可得到结果。在hyperView中将结果读出来，填写实验报告。
实验报告示例：下摆臂强度及变形分析
本报告对下摆臂进行了强度及变形分析。该部件包括一个零件：下摆臂。本报告利用
hypermesh对几何模型进行前处理，对零件抽取中面，并划分四边形网格，采用shell单元模拟焊缝，RBE2单元建立加载几何，在此基础上施加约束和载荷并设定8个载荷工况。加载点及载荷数据为：*********，最后利用nastran求解。
1.1 hypermesh前处理
下摆臂的材料属性如表1-1所示，hypermesh前处理过程如图1.1所示，图1.1a为做完几何清理及中面提取的数模，图1.1b为划分完有限元网格后的数模，图1.1c为处理完焊缝和RBE2加载几何连接的数模，图1.1d为添加完约束和载荷的数模。 a.几何清理及中面提取 b.有限元网格 c.连接处理 图1.1 Hypermesh前处理
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d.载荷及约束 表1-1下摆臂材料属性表
材料属性 名称 弹性模量 屈服极限 泊松比 密度 值 510L 206 355 0.27 6000 单位 \\ GPa MPa \\ Kg/m3 备注 1.2有限元求解及结果
Hypermesh前处理完成后，导出bdf文件，再用nastran求解，最后用hyperview 查看结果并进行后处理。
该下摆臂的材料为510L，属于塑性材料，则其满足应力[σ]= σs/ns，其中σs=355MPa，取安全系数ns=1.5，可以得到[σs]=236.7MPa。各工况的应力和位移变形图如下： a.应力云图 16
b．变形云图 图1.2 工况一下摆臂应力及变形云图
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