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阿陽的 HyperMesh 使用指南，本文僅用於個人學習，除此之外，無其他任何用途。
因個人能力有限，本文難免有所疏漏/錯誤，不妥之處還請各位批評指正。
一、前沿
Hypermesh 軟件是美國 Altair 公司的產品，是世界領先的、功能強大的CAE應用軟件包，也是一個創新、開放的企業級CAE平臺，它集成了設計與分析所需的各種工具。
在 CAE 工程技術領域, Hypermesh 最著名的特點是它所具有的強大的有限元網格劃分前處理功能。一般來說，CAE 分析工程師 80% 的時間都花費在了有限元模型的建立，修改和網格劃分上，而真正的分析求解時間是消耗在計算機工組站上，所以採用一個功能強大，使用方便靈活，並能夠與衆多 CAD 系統和有限元求解器進行方便的數據交換的有限元前後處理工具，對於提高有限元分析工作的質量和效率具有十分重要的意義。HyperMesh是一個高性能的有限元前後處理器，它能讓 CAE 分析工程師在高度交互及可視化的環境下進行仿真分析工作。
Hypermesh 主要用於有限元模型的前後處理，通常，我們只利用 HyperMesh 完成幾何模型的處理，網格的劃分、單元類型及屬性指定、材料屬性創建及賦予，相關集合的創建等。因此，文本也只介紹這部分內容。分析步與場輸出設置、接觸定義、荷載與邊界條件的指定等通常在所選用的有限元分析軟件中完成，爲了方便後續建模，相關的集合可提前在 HyperMesh 中完成創建，如結點集、主從面集、荷載時間點、場輸出單元集等。
1.1 GUI
爲了方便，菜單頁和主菜單統稱爲 工具面板 。爲了方便本文將 GUI 界面作如下區分：
1.2. 快捷鍵
1.2.1 視圖快捷鍵
| 功能 | 快捷鍵 |
|---|---|
| 平移視圖 | Ctrl + 鼠標右鍵 |
| 旋轉視圖 | Ctrl + 鼠標左鍵 |
| 充滿窗口 | F鍵 |
| 局部放大視圖 | Z鍵 + 鼠標左鍵圈選 |
1.2.2 建模快捷鍵
| F2 | F3 | F4 | F5 | F6 | F7 | F8 | F9 | F10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 刪除 | 距離 | 隱藏顯示 | 檢查單元 |
1.2.3 顯示快捷鍵
d
1.3 幾何與網格
| Software | 幾何 / Geometry | 網格 / Mesh |
|---|---|---|
| Ansys | 幾何：Keypoints，Lines，Areas，Volumns 分別對應點、線、面、體 。 | 網格：node，edge，element 分別對應結點、邊、單元 。 |
| Abaqus | 幾何：Point，Wire，Face，Solid 分別對應點、線、面、體 。 | 網格：node，edge，mesh face，element 分別對應結點、邊、網格面、單元 。 |
| HyperMesh | - | - |
幾何點、幾何線、幾何面、幾何體。
結點、網格線/一維單元、網格面、實體單元。(一維梁單元、殼單元面，實體單元自由面、三維實體單元)
本文以結點和節點來區別某一點指的是有限元中的點還是幾何中的點，結點 (node) 爲有限元網格中的點，節點 (point) 爲幾何圖形上的點。
1.4 單位制
有限元軟件中未明確具體的單位制，但應保證各單位間協調統一，常用的單位制如下：
| 質量 | 長度 | 時間 | 力 | 壓強/應力 | 能量 | 密度 | 彈性模量 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| kg | m | s | N | Pa | J | kg/m3 | Pa |
| t | mm | s | N | MPa | N-mm | t/mm3 | MPa |
1.5 幾何常識
1. 兩點唯一確定一向量。
2. 三個不共線的點可唯一確定一個平面，法向量及一點亦可唯一確定一平面。
3. 面可以是平面也可以是空間曲面。
一些基本幾何概念的理解，有助於更好的實現面、體的切分/分割。
1.6 設置模板
設置分析模板，有助於提前適配不同的有限元分析軟件，可按如下方式設置分析模板：
二、模型的組織管理
Component：HyperMesh/Component or Abaqus/Part or Ansys/Component 。
2.1 創建 Component
2.2 將 Entity 指定到 Component
Entity 可以是幾何的點線面體，也可以是網格的節點和單元等。
在 Organize 中設置，dest component 爲目標組件，即將 Entities 移動/複製 到的組件名稱。
2.3 查找並刪除所有空 Component
快捷鍵 F2，打開 Delete 面板 >> 選擇器切換爲 comps >> 單擊 preview empty >> delete entity 。
2.4 設定當前 Component
三、座標系
3.1 新建
訪問方式： 工具面板 >> Analysis 頁面 >> system 面板。
- create by axis direction
通過指定某一座標軸方向和垂直於該軸的座標平面來創建局部座標系
Step 1. 進入 create by axis direction 子面板，設置將創建的局部座標系類型爲 rectangular 。
Step 2. 單擊黃色按鈕 origin 後，在屏幕中點選 o 點，以爲確定局部座標的原點。
Step 3. 單擊黃色按鈕 x-axis 後，在屏幕中點選 A 點，以確定局部 x 軸方向，即 oA 方向爲局部 x 軸正方向。
Step 4. 單擊黃色按鈕 xy plane 後，在屏幕中點選 B 點，以確定局部座標平面 xoy 平面,即 xoy 平面爲 點 0、A 和 B 所在的平面。
Step 5. 單擊綠色按鈕 create 按鈕，以完成局部座標系的創建。
- create by node reference
3.2 查看
訪問方式： Tag Area >> System Collectors。
3.3 修改
沒事瞎修改什麼座標系，有病麼。
四、幾何
先創建幾何再劃分網格爲自上而下的建模方式，多用於複雜有限元模型的創建。
4.1 幾何創建
4.1.1 創建點、線、面和體
訪問方式： 工具面板 >> Geom 頁面 。
4.1.2 創建向量
作用：用於指明方向。
- 方式一： 菜單欄 Geometry >> Create >> Vectors 。
- 方式二：工具面板 >> Analysis 頁面 >> Vectors 面板 。
向量管理器位置如下：
4.2 幾何清理
4.2.1 中面抽取
訪問方式： 工具面板 >> Geom 頁面 >> midsurface 面板 。
4.2.2 刪除圓角
4.2.3 刪除重合面
訪問方式： 工具面板 >> Geom 頁面 >> defeature 面板 >> duplicate 子面板 。
Step 1. 選擇 surfaces >> displayed。(全選屏幕中顯示的所有面)
Step 2. 將 cleanup tol 設置爲 0.01。 (根據模型可自定義數值)
Step 3. 單擊 find 按鈕，注意觀察狀態欄顯示信息。
Step 4. 單擊 delete 按鈕，移除所有的重合面。
4.3 幾何編輯
4.3.1 邊編輯
邊爲面的邊界，在 HyperMesh 中，自由邊顯示爲紅色。對於自由邊可採用如下方式處理：
• 使用 equivalence 工具一次縫合多個自由邊
• 使用 toggle 工具鑄個縫合自由邊
訪問方式： 工具面板 >> Geom 頁面 >> edge edit 面板 。
4.3.2 體切分
訪問方式： 工具面板 >> Geom 頁面 >> solid edit 面板 。
將一幾何體分割爲幾個部分 (trim)，各幾何體交接界面共節點處剝離 (detach)，隱藏有用部分幾何體，其餘無用部分全部刪除 (F2) 。(暫時這麼解釋，可能不對，具體什麼邏輯等有時間細研究)
-
trim 重疊部分共結點
-
detach 重疊部分獨立結點
操作步驟：
Step 1. 訪問 Geom 頁面 >> nodes 面板，創建用於確定分割平面 Plane 的結點，三點確定一個平面。
Step 2. 訪問 Geom 頁面 >> solid edit 面板 。
Step 3. 選擇 trim with plane/surf 子項，採用 with plane 方式分割體。
Step 4. 選擇將被切分的幾何體。
Step 5. 點選 N1、N2、N3 以及 B，以定義切分平面。
Step 6. 點擊綠色按鈕 trim，以實現體的切分。
Remarks ：
Plane 爲平面，是用戶爲了切割實體而以某種方式定義的虛擬平面，不會在程序界面中顯示，可以採用三點創建這一虛擬切分面，也可以採用點法式創建等。
Surf 可爲平面也可以爲曲面，是在程序截面上真實存在的幾何面，可以由用戶單獨創建而來，也可以爲已存在幾何體上的某一個面。
Step 1. ~ Step 6. 完成了體的分割，但此時各部分幾何體交界位置處仍然共節點，因此要執行 detach 操作，以實現同一空間位置上的來自不同體的節點的分離。
Step 7. 選擇 detach 子項，進行 detach 。(非必須)
Step 8. F5 隱藏要保留的幾何體，F2 刪除無用的幾何體，勾選 delete bounding surfs，即刪除體的同時，其附屬低級圖元面也一併刪除。
五、網格
直接由低級網格/圖元創建高級網格/圖元的建模方式爲自下而上的建模方式，如體網格是由面網格拉伸而成，該種建模方式多用於簡單有限元模型的創建。
5.1 網格創建
5.1.1 1D 單元
5.1.2 2D 網格
面網格可以分佈於體的表面用於生成 3D 網格，3D 網格的質量將取決於 2D 網格的質量。
HyperMesh 可以創建 3 結點三角形單元 (一階單元)、4 結點四邊形單元 (一階單元)、6 結點三角形單元 (二階單元) 和 8 結點四邊形單元 (二階單元)。
1. automesh 自動分網
訪問方式： 工具面板 >> 2D 頁面 >> automesh 面板 。
如上圖所示，數字表示該邊將被分爲 1 份，鼠標左鍵單擊數字 1，增加此邊切分數目，鼠標右鍵單擊數字 1，則減少此邊的切分數。
模型倒角處採用 R-trias 將獲得更好的分網效果，其餘位置儘量採用 trias 。
5.1.3 3D 網格
1. 面網格拉伸生成 3D 網格
1.1. 面網格沿面網格的法線方向拉伸成體網格
訪問方式： 工具面板 >> 3D 頁面 >> elem offset 面板 >> solid layers 子面板 。
1.2. 面網格沿幾何線拉伸成體網格
訪問方式： 工具面板 >> 3D 頁面 >> solid map 面板 >> line drag 子面板 。
2. 面網格旋轉生成 3D 網格
訪問方式： 工具面板 >> 3D 頁面 >> spin 面板 >> spin elems 子面板 。
3. 四面體網格的生成
體表面網格生成 3D 網格，體網格的質量取決於面網格的質量。
Step 1. 爲體表面劃分三角形網格。
按本文 5.1.2 2D 網格 > 1. automesh 自動分網 的方式爲體的面劃分三角形網格。
訪問方式： 工具面板 >> 2D 頁面 >> automesh 面板 >> size and bias 子項。
完成如上圖所示的設置後，單擊綠色的 mesh 按鈕，執行網格劃分。
該步完成的是初步分網，在距離較近的幾何特徵線附近處，劃分的網格可能有一定的畸形。
Step 2. 以劃分好的三角形單元爲對象，重新劃分網格，以儘量消除幾何特徵線的影響。
此步的目的是在第一步粗網格的基礎上進行精細化，儘可能消除畸形單元。
以幾何面爲對象劃分網格，在幾何線處會強制布種子，即單元無法跨過幾何線。
當幾何線間距離太小時，劃分出的網格往往會出現畸形。因此，需要再以網格爲對象，重新劃分網格。
全選 step 1 劃分好的單元，無需更改任何設置，直接單擊綠色的 mesh 按鈕，執行網格再劃分工作。
此步驟可消除絕大多數因幾何特徵影響而產生的畸形單元，畸形單元表現在長細比過大。
通常，長細比大於5認爲單元畸形，爲了保證計算精度，需重新劃分畸形單元的網格。
Step 3. 檢查單元質量，將長細比過大的單元篩查出來，以便進一步的網格細分。
訪問方式 一： 上工具欄 >> Checks 工具條 >> Checks Elements >> 2-d 子項。
訪問方式 二： 工具面板 >> Tool 頁面 >> check elems 面板 >> 2-d 子項。
訪問方式 三： 快捷鍵 F10 >> 2-d 子項。
單擊綠色按鈕 aspect，進行單元長細比檢查，檢查結果顯示在狀態提示欄最左側，注意觀察。
檢查完成後，若有不滿足要求的單元，則單擊綠色按鈕 save failed，保存未通過檢查即畸形的單元。
按 F5 鍵，進入 Mask 面板，將選擇模式切換爲 elems，單擊黃色 elems，選擇 retrive，以完成畸形單元的檢索。
然後，依次單擊綠色按鈕 mask、reverse，以實現畸形單元的屏幕顯示。
新建 component，將上述畸形單元保存在該新建 component 下。
Step 4. 距離較近的結點可直接合並，刪除此類畸形單元，將附近正常單元的結點合併。
訪問方式 一： 上工具欄 >> Checks 工具條 >> Faces。
訪問方式 二： 工具面板 >> Tool 頁面 >> faces 面板。
刪除畸形單元，該部分單元被刪除後，空缺單元採用鄰近正常單元結點合併的方式補充。
進入 Faces 面板，選擇模式切換爲 elems，選擇要補充單元附近的多有單元，根據需要調整選擇範圍。
設置合併容差 tolerance，單擊綠色按鈕 find faces 。
容差應當按需求設置不宜過大，無論如何也不應超過最小單元尺寸。
單擊綠色按鈕 preview equiv 查看要合併的結點。單擊綠色按鈕 equivalence 完成容差範圍內的結點合併。
Step 5. 上一步操作無法優化的部分單元或者空缺的單元，可採用手動 repalce 的方式來合併有關結點，以生成單元。
訪問方式： 工具面板 >> 1D 頁面 >> replace 面板。
結點合併完成後，其附近區域的網格可能相對不均勻，可選擇該區域的網格重新劃分網格。
訪問方式： 工具面板 >> 2D 頁面 >> automesh 面板 >> size and bias 子項。
Step 6. 檢查 2D 面網格是否存在非封閉邊界，若存在則需處理掉。
訪問方式 一： 上工具欄 >> Checks 工具條 >> Edges。
訪問方式 二： 工具面板 >> Tool 頁面 >> edges 面板。
切換選擇模式爲 elems，全選所有單元，設置容差，點擊綠色按鈕 find edges。
若存在非閉合邊界，則系統自動創建一名爲 ^edges 的 component，其內包含該模型網格中所有非封閉的邊界。
按照 step 4，加大合併容差，以合併鄰近結點，處理掉大部分非封閉邊界。
按照 step 5，手動合併結點，，處理掉剩餘小部分非封閉邊界。
再次進行非封閉邊界檢查，直至不存在非封閉邊界。
此時，狀態提示欄左側顯示：No edges were found. Select elemens may enclose a volume.
所有 2D 面單元必須能形成一個封閉體，否側無法完成 3D 四面體網格的劃分。
Step 7. 重複 step 3，再次檢查 2D 面網格的質量，主要檢查 aspect ratio，宜大於5。
訪問方式： 快捷鍵 F10 >> 2-d 子項。
點擊最左側一欄內的綠色按鈕 aspect，以進行單元長細比檢查。
若面單元全部滿足要求，則在狀態提示欄左側將顯示：0 of ××× (0%) failed. The maximum aspect ratio is ×××.
爲了保證隨後生成的體網格的質量，所有面單元應通過有效性檢查。
在劃分四面體網格前，爲了保險起見，也可以重複 step 2，對剛纔通過有效性檢查的單元，進行再次分網。
將所有面網格移動到同一個 component 下。
Step 8. 由 2D 面網格生成 3D 四面體網格。
訪問方式： 工具面板 >> 3D 頁面 >> tetramesh面板 >> Tetra mesh 子項。
劃分四面體網格前，先將要分網的 component 設置爲 current component。
然後，按照下圖方式，完成四面體網格的創建。
該分網方式是爲整個構件劃分網格，生成的 3D 四面體網格，將存放於 current component 中。
Step 9. 刪除體表面的 2D 網格，只保留生成的 3D 四面體網格。
單擊標籤區 Mask 選項，單擊 2D 一水平欄後的 1 ，以僅顯示所有 2D圖元。
按 F2 快捷鍵，選擇模式切換爲 elems，全選屏幕上顯示的 2D 單元，單擊綠色的 delete entity ，刪除全部的 2D 網格。
4. 六面體網格的生成
solid map
5.2 修改單元階次
訪問方式： 工具面板 >> 1D 頁面 >> order change 面板 。
工具面板 >> 2D 頁面 >> order change 面板 。
工具面板 >> 3D 頁面 >> order change 面板 。
在圖形顯示上，一、二階單元有細微差別，如下：
模型中種單元類型的查看，在如下位置處操作：
5.3 網格連續性檢查
合併容差內的鄰近節點，使單元連續。
訪問方式： 工具面板 >> Tool >> faces 。
5.4 網格質量檢查
六、幾何/網格移動
6.1 平移
訪問方式： 工具面板 >> Tool 頁面 >> translate 面板。
幾何及其對應的網格無法實現同時平移，需要單獨平移。
6.2 鏡像
訪問方式： 工具面板 >> Tool 頁面 >> reflect 面板。
以如下上法蘭網格爲例，將其關於法蘭面鏡像得到下法蘭網格。
操作步驟：
Step 1. 單擊小箭頭將黃色的按鈕切換爲 elems 並激活。
Step 2. 選中要鏡像的單元，然後設置鏡像選項，如：vector 和 B 。
Step 3. 左鍵單擊黃色的 elems 按鈕，選擇 duplicate 進行復制操作。
Step 4. 單擊 reflect 按鈕，完成鏡像操作。
鏡像完成後，全部單元如下圖所示：
6.3 旋轉
訪問方式： 工具面板 >> Tool >> rotate 。
以法蘭網格爲例，將其繞 y 軸旋轉 90 度。
七、屬性
7.1 材料屬性
根據 User Profiles 中選擇的軟件不同，材料面板中的選項可能會發生變化，本例中是 ANSYS 模式下的材料面板。
7.1.1 新建材料屬性
按如下方式新建材性：
7.1.2 修改材料屬性
- 方式一 ： 按如下方式可 查看/修改 已存在材性：
- 方式二 ： 按如下方式可 查看/修改 已存在材性：
7.1.3 爲組件賦材料屬性
-
方式 一 ：菜單欄 >> Tool >> Component Table 。
-
方式 二 ：Component Table 也可以按如下方式訪問：
7.2 梁屬性
7.2.1 梁截面屬性
7.2.2 梁的方向
7.4 板殼厚度
7.5 單元屬性
HyperMesh 中需要單獨創建單元屬性並賦給網格。
7.5.1 創建單元屬性
- 方式一： 菜單欄 >> Tools >> EtTypes Table 。
此種方式創建的 ANSYS 單元，無法直接設置單元的關鍵選項，例如令 solid185 單元的 keyoption(2) = 2 即設置增強應變，以防止剪切自鎖。設置單元關鍵選項，詳見單元屬性的修改。
- 方式二： 工具面板 >> 1D / 2D / 3D 頁面 >> ET Types 面板。
單元的有關信息按如下方式查看：
7.5.2 修改單元屬性
單元關鍵選項的設置/修改，按如下方式進行：
- 方式一： Tag Area >> Sensors 。
- 方式二： 工具面板 >> 1D / 2D / 3D 頁面 >> ET Types 面板。
7.5.3 爲組件賦單元屬性
若設置後字體顯示爲紅色，則說明該項設置存在問題，有可能是網格的階次與用戶指定的單元類型不匹配，如 SOLID187爲二階單元，應該指定給二階網格，若強行指定給一階網格，則字體顯示爲紅色，此時，需要更改網格階次或指定相匹配的單元類型。也有可能是組件裏 2D 單元與 3D 單元共存，無法將 SOLID187 指定給 2D 網格，此時，應將該 component 下的所 2D 網格刪除。
八、集合
8.1 新建
訪問方式： 工具面板 >> Analysis 頁面 >> entiey sets 面板。
創建的集合在如下位置處查看：
8.2 修改
九、顯示與查看
9.1 Checks 工具條
顯示 Checks 工具條：菜單欄 >> View >> Toolbars >> Checks 。
9.2 Mask Brower
顯示 Mask Brower：菜單欄 >> View >> 勾選 Mask Brower 。
9.3 節點座標
- 查看節點座標
十、 輸出
10.1 輸出有限元模型
10.1.1 輸出 ANSYS .cdb 文件
操作步驟：
Step 1. 菜單欄 >> File >> Export >> Solver Deck；
Step 2. 按如下方式設置：
10.1.2 輸出 ABAQUS .inp 文件
操作步驟：
Step 1. 菜單欄 >> File >> Export >> Model；
Step 2. 按如下方式設置：
10.2 輸出幾何模型
未完，待續…
未完，待續…
未完，待續…
未完，待續…
十一、尾聲
以上，便是利用 HyperMesh GUI 操作的簡單介紹。
因篇幅有限，某些非關鍵功能未做詳細介紹，如有疑問，歡迎郵件來詢。
僅以此文爲 HyperMesh 相關內容的學習做個一個備忘，同時也爲有需要的人提供多一點參考。
胸藏文墨懷若谷，腹有詩書氣自華，希望各位都能在知識的 pāo 子裏快樂徜徉。
因個人水平有限，文中難免有所疏漏，還請各位大神不吝批評指正。
最後，祝各位攻城獅們，珍愛生命，保護髮際線！
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爲我打call，不如爲我打款！
十二、參考文獻
[1] HyperMesh & HyperView 應用技巧與高級實例. 王鈺棟 金磊 洪清泉 等編著.