运用HyperMesh软件对拉杆进行有限元分析
问题的描述
拉杆结构如图1-1所示，其中各个参数为：D1=5mm、D2=15mm，长度L0=50mm、L1=60mm、L2=110mm，圆角半径R=mm，拉力P=4500N。求载荷下的应力和变形。
图1-1 拉杆结构图
有限元分析单元
单元采用三维实体单元。边界条件为在拉杆的纵向对称中心平面上施加轴向对称约束。模型创建过程
CAD模型的创建
拉杆的CAD模型使用ProE软件进行创建，如图1-2所示，将其输出为IGES格式文件即可。
图1-2 拉杆三维模型
CAE模型的创建
CAE模型的创建工程为：
将三维CAD创建的模型保存为文件。
（1）启动HyperWorks中的hypermesh：选择optistuct模版，进入hypermesh 程序窗口。主界面如图1-3所示。
（2）程序运行后，在下拉菜单“File”的下拉菜单中选择“Import”，在标签区选择导入类型为“Import Goemetry”，同时在标签区点击“select files”对应的图形按钮，选择“”文件，点击“import”按钮，将几何模型导入进来，导入及导入后的界面如图1-4所示。
图1-3 hypermesh程序主页面
图1-4 导入的几何模型
（4）几何模型的编辑。根据模型的特点，在划分网格时可取1/8，然后进行镜像操作，画出全部网格。因此，首先对其进行几何切分。
1）曲面形体实体化。点击页面菜单“Geom”，在对应面板处点击“Solid”按钮，选择“surfs”，点击“all”则所有表面被选择，点击“creat”，然后点击“return”，如图1-5~图1-7所示。
图1-5 Geom页面菜单及其对应的面板
图1-6 solids按钮命令对应的弹出子面板
图1-7 实体化操作界面
2）临时节点的创建。点击页面菜单“Geom”，在对应面板中点击“nodes”按钮，在弹出的子面板中选择“on line”，选择如图1-8所示的五根线，点击“creat”，然后return，这样就创建了临时节点。
3）节点编号显示。点击页面菜单“tool”，在对应的面板中点击“number”，在弹出的子面板中勾选“display”，点击“nodes”，在弹出的列表中选择“all”，点击“on”按钮，将节点编号显示出来，然后return，“Tool”页面菜单对应的面板如图1-9所示，显示节点编号的界面如图1-10所示。
图1-8 临时节点创建操作界面
图1-9 “Tool”页面菜单及其对应的面板
图1-10 节点编号显示操作界面
图1-11实体第一次切割操作界面
4）几何模型切割。点击页面菜单“Goem”，在其对应的面板中点击“solid edit”按钮，在弹出的子面板中选择“trim with plane/surf”选项，点击“with plane”下的“solids”，在弹出的选项里选择“all”，点击下面的“N1”，然后依次选择如图1-10所示13,14,15,2号节点，点击“trim”完成实体第一次切割，分成如图1-11所示的左右两个部分。
继续在上述界面操作，选择“trim with plane/surf”选项，点击“with plane”下的“solids”，在弹出的选项里选择“all”，点击下面的“N1”，然后依次选择7、8、13、15
号节点，点击“trim”完成第二次切割。该操作主要完成利用模型的前后对称面对实体进行第二次分割，分为四个部分如图1-12所示。
图1-12 实体第二次切割操作界面
继续在上图所示界面中操作，选择“trim with plane/surf”选项，点击“with plane”下的“solids”，在弹出的选项里选择“all”，点击下面的“N1”，然后依次选择14、11、8、14号节点，点击“trim”，完成实体第三次切割，该操作主要完成利用模型的上下对称面对实体进行第三次分割，经过第二次和第三次分割后的模型为如图1-13所示的8个部分。
图1-13 实体第三次切割操作界面
继续在图1-13所示界面中选择“trim with plane/surf”选项，点击“with plane”下的“solids”，在弹出的选项里选择“all”，点击下面的“N1”，然后选择7、8、9、5号节点，点击“trim”，完成实体第四次切割；单击“return”按钮，退出“solid edit”命令。该操作主要完成对下部模型弧形段实体沿垂直轴线方向在弧形段中点处进行切割，分割成如图1-14所示的12个组成部分。
图1-14 实体第四次切割操作界面
5）临时节点的清除。点击页面菜单“Goem”，在其对应的面板中点击“temp nodes”按钮，在弹出的子面板中点击“clear all”按钮，点击“return”，清除所有的临时节点。
6）多于实体的隐藏。将多余的部分隐藏，按下快捷键F5，进入“Mask”面板，选择“mask”选项，点击向下三角，选择“solids”，在图形区选择多余的部分，点击“mask”按钮，点击“return”按钮，将实体多余部分隐藏，只保留图1-15所示模型的的1/8。
图1-15 实体隐藏操作界面
（5）材料属性及单元属性的创建。选择下拉菜单“materials”，选择“create”，在弹出的材料定义对话面板中单击“mat name=”，并输入“steel”，设置下面的颜色，选择红色。点击“card image=”，选择“MAT1”，点击“create/edit”按钮，进入材料属性定义面板，输入材料参数，如图1-16和图1-17所示。
图1-16 材料创建操作界面
选择下拉菜单“Properties”，选择“create”，在弹出的对话面板中单击“prop name=”并输入“1”，设置下面的“color”按钮，选择蓝色。点击“card image=”选择“PSOLID”，点击“material=”，选择“steel”，输入图1-18所示的参数，然后点击“create”，完成单元属性的定义。
图1-17 材料属性定义操作界面
（6）划分网格。为了得到质量较好的有限元分析模型，采用对几何模型进行分段划分网格，拉杆中间界面为正六边形部分为一段，六边形和圆截面过度部分为一段，圆角部分可以分为两段，最后拉杆的最外部分为一段。
1）二维临时组的创建。点击工具栏中的“components”工具按钮，选择“create”，在面板中单击“compname=”，并输入“2D-1”点击“color”按钮，选择黄色。点击“property=”按钮，选择“1”，点击“create”按钮，然后return，如图1-19所示。
2）临时节点的创建。点击页面菜单“Geom”，在其对应的面板中点击“nodes”按钮，在弹出的子面板中选择“on line”，选择如图1-20所示的线段，“number of nodes=”输入“3”，点击“create”按钮，然后点击“return”按钮。
图1-18 单元属性创建操作界面
图1-19 临时2D-1组创建操作界面
图1-20 临时节点创建操作界面
3）节点编号显示。点击页面菜单“Tool”，在其对应的面板中点击“numbers”按钮，在弹出的子面板中勾选“display”，点击“nodes”，在弹出的列表中选择“all”，点击“on”按钮，点击“return”，将节点编号显示出来，如图1-21所示。
图1-21 临时节点显示编号操作界面
4）细轴的再切割。点击页面菜单“Goem”，在其对应的面板中点击“solid edit”按钮，在弹出的子面板中选择“trim with plane/surf”选项，点击“with plane”下的“solids”，在弹出的选项里选择“displayed”，点击下面的“N1”，然后依次选择如图1-22所示19、21、24、19号节点，点击“trim”按钮，完成圆弧处局部切割。重复上述操作，依次选择16、18、27、16号节点，点击“trim”按钮，完成过渡处的局部切割，点击“return”。
图1-22 细轴局部切割操作界面
5）细轴二维辅助单元的创建。点击状态栏中“set current component”，在弹出的子面板中选择刚刚创建的“2D-1”组，将其设为当前组。
点击页面菜单“2D”，在其对应的面板中点击“automesh”按钮，在弹出的子面板中设置“elemsize=”，如图1-23所示，在图形区选择细杆的一端面，点击“mesh”按钮，进入如图1-24所示界面，调整上面所有边的数字，使网格较为规则。点击“return”，再次点击
“return”按钮，完成后的网格如图1-25所示。
图1-23 细轴端部二维网格划分操作界面
6）二维辅助单元的投影复制。点击页面菜单“Tool”，在其对应的面板中点击“project”按钮，在弹出的子面板中再选择“to plane”选项，点击向下三角，选择“elems”，选择刚画的“2D”网格，再点击“elems”按钮，在弹出的菜单中选择“duplicate”以及“original component”；点击“to plane”下面的N1，依次选择如图1-26所示的16、18、27、16号节点，点击“along vector”下的N1，依次选择27号节点和与之对应的端部网格的最下角节点，点击“project”按钮，然后点击“return”按钮，这样就将细轴端部的网格投影到16、18、27号节点所在的平面上，投影后的结果如图1-27所示。
图1-24 二维mesh设置子操作界面
图1-25 生成的细轴端部二维辅助网格
7）3D组的创建。点击工具栏中的“components”工具按钮，选择“create”，在面板中单击“compname=”，并输入“3D-1”点击“color”按钮，选择蓝色。点击“property=”按钮，选择“1”，点击“create”按钮，然后return，如图1-28所示。
8）细轴三维网格的划分。点击页面菜单“3D”，在其对应的面板中点击“line drag”按钮，在弹出的子面板中再选择“drag elems”，点击“elems”，选择细轴左端部的二维网格，“line list”选择细轴下部的边界线，如图1-29所示，“on drag”输入框内输入20，点击“drag”，然后点击“return”按钮，创建后的网格如图1-30所示。
图1-26 二维网格投影操作界面
图1-27 投影后的二维网格
图1-28 3D组创建操作界面
9）过渡部分网格的划分。点击页面菜单“3D”，在其对应的面板中点击“solid map”按钮，在弹出的子面板中再选择“general”选项，“source geom”选择“surf”选择由16、18、27号节点所在的平面，“dest geom”选择“surf”，选择由19、21、24号节点所在的扇形面，“along geom”选择“lines”依次选择连接连个面的四条线，如图1-31所示，点击“elems to drag”，点击“elems”在图形区选择投影在16、18、27号节点所在平面上的所有2D单元，设置“elem size=”，然后点击“mesh”，然后点击“return”，这样就完成了过渡部分的3D网格，如图1-32所示。
图1-29 line drag操作界面
图1-30 line drag生成的实体单元
10）圆角部分的网格划分。为刚才创建的3D网格的末端平面创建一个临时的2D网格，用来辅助生成后面的实体单元。点击页面菜单“Tools”在其对应的面板中点击“faces”按钮，在弹出的子面板中点击“elements”，选择上一步创建的最右端一层实体单元，如图1-33所示，点击“find faces”按钮，生成临时的2D网格，点击“return”按钮。
点击页面菜单“3D”，在其对应的面板中点击“solid map”按钮，在弹出的子面板中再选择“general”选项，“source geom”选择“surf”选择由19、21、24号节点所在的平面，“dest geom”选择“surf”，选择圆弧的扇形面，“along geom”选择“lines”依次选择连接连个面的三条线如图1-31所示，点击“elems to drag”，点击“elems”在图形区选择“faces”上任意一个单元，设置“elem size=”，然后点击“mesh”，然后点击“return”，这样就完成了过渡部分的3D网格，如图1-34所示。
图1-31 solid map操作界面
图1-32 solid map 生成的过渡段实体单元
11）圆角后半部分和端部的中心部分单元的创建。为刚才创建的3D网格的末端平面创建一个临时的2D网格，用来辅助生成后面的实体单元。点击页面菜单“Tools”在其对应的面板中点击“faces”按钮，在弹出的子面板中点击“elements”，选择上一步创建的最右端一层实体单元，如图1-35所示，点击“find faces”按钮，生成临时的2D网格，点击“return”按钮。点击页面菜单“3D”，在其对应的面板中点击“line drag”按钮，在弹出的子面板中再选择“drag elems”，点击“elems”，选择“faces”上的任意单元，点击“elems”，在弹出的选项里选择“by face”，点击“line list”按钮，然后在图形区选择拉杆中心轴最右面的一段，“on drag”输入框内输入20，点击“drag”，然后点击“return”按钮，创建后的网格如图1-36所示。
图1-33 创建表面单元操作界面
图1-34 圆角部分的网格划分
12）端部外围单元的创建。点击页面菜单“Geom”，在其对应的面板中点击“surface edit”按钮，在弹出的子面板中选择“trim with nodes”，“two nodes”，分别选择刚刚生成3D 单元的右上部最外端沿轴两个节点，点击“return”，这样就将端部几何形体的上截面分成两个部分，分割后的几何形体如图1-37所示。
点击状态栏中“set current component”，在弹出的子面板中选择“2D-1”组，将其设为当前组。点击页面菜单“2D”，在其对应的面板中点击“automesh”按钮，在弹出的子面板中将网格划分对象设定为“surface”，在图形区选中杆右端上角区域“element size”中输入“”，“mesh type”选择是四边形单元，点击“mesh”按钮，然后点击“return”，完成2D单元的创建，生成单元如图1-38所示。
图1-35创建表面单元操作界面
1-36 line drag 生成的端部中间单元
图1-37 端部经分割后的几何形体
图1-38 automesh生成的网格
点击状态栏中“set current component”，在弹出的子面板中选择“2D-1”组，将其设为当前组。
点击页面菜单“3D”在其对应的面板中点击“spin”按钮，在弹出的子面板中选择“spin elements”，再点击“elem”按钮，选择刚才画的2D网格，在下面的旋转方向选择“Z-axis”，点击“B”在图形区选择轴线上任意一个节点作为回转基点，“angle”输入“90”，“on spin”输入“10”，其他参数不变，具体设置参见图1-39，点击“spin+”，绘制所需3D网格，点击“return”完成命令，生成的单元如图1-40所示。
图1-39 spin命令参数设置
图1-40 spin命令生成的3D单元
图1-41 organize命令操作界面
13）单元移动。点击页面菜单“Tool”，在其对应的面板中点击“organize”按钮，再点击“elems”按钮，从弹出的选项中选择“by collector”，从弹出的列表中选择“solidmap”组，点击“dest component=”，选择3D-1组，点击“move”按钮，点击“return”，完成将模型中所有单元移动至“3D-1”组中，如图1-42所示。
图1-42 organize命令操作界面
14）辅助单元及component的删除。点击页面菜单“Tool”，在其页面对应的面板中点击“delete”按钮，在弹出的子面板中单击向下的三角形图标，从弹出的列表中选择“comps”，然后点击“comps”，从弹出的列表中选择“solidmap”、“2D-1”、和“^facess”三个组，点击“select”，返回上一级界面，点击“delete entity”按钮，点击“return”按钮，删除所有的临时组，删除临时组后的模型如图1-43所示。
图1-43 删除辅助单元后的模型
15）模型的镜像。点击页面菜单“Tool”在其对应的面板中点击“reflect”按钮，在弹出的子面板中点击向下的三角形图标，从弹出的列表中选择“elems”，然后点击“elems”，从弹出的列表中选择“all”，再次点击“elems”按钮，从弹出的列表中选择“duplicate”，从弹出的列表中选择“original comp”；点击“N1”，从图形区内选择如图1-44所示模型的