弹性力学仿真软件：Altair HyperWorks：HyperCrash碰撞仿真教程

弹性力学仿真软件：AltairHyperWorks：HyperCrash碰撞仿真教程1弹性力学仿真软件：AltairHyperWorks：HyperCrash碰撞仿真1.1AltairHyperWorks概述AltairHyperWorks是一个全面的多学科仿真平台，涵盖了从概念设计到详细分析的整个产品开发流程。它提供了广泛的工具集，包括结构分析、流体动力学、多体动力学、优化、可视化和数据管理。HyperWorks的核心优势在于其高度集成的环境，允许用户在单一界面下访问多种仿真技术，从而提高效率和准确性。1.1.1主要特点多学科仿真：HyperWorks支持多种仿真技术，如有限元分析(FEA)、计算流体动力学(CFD)、多体动力学(MBD)等。高度集成：所有工具都在一个统一的界面下运行，简化了工作流程。开放式架构：支持多种格式的数据导入和导出，与第三方软件兼容。云支持：提供基于云的计算资源，便于大规模仿真任务的执行。1.2HyperCrash模块功能HyperCrash是AltairHyperWorks套件中专门用于碰撞仿真分析的模块。它能够模拟车辆在不同碰撞场景下的行为，包括正面碰撞、侧面碰撞和翻滚等。HyperCrash使用高度非线性的求解器，能够处理复杂的材料模型和接触条件，以预测碰撞过程中的结构响应和乘员安全。1.2.1关键功能碰撞仿真：模拟车辆在碰撞过程中的动态响应。乘员安全分析：评估碰撞对乘员的影响，包括头部、胸部和腿部的伤害指标。材料模型：支持多种材料模型，如弹性、塑性、复合材料等。接触算法：处理不同部件之间的接触，包括自接触和表面接触。优化工具：用于碰撞结构的优化设计，以提高安全性和减轻重量。1.3碰撞仿真在汽车行业的应用在汽车行业，碰撞仿真是一项至关重要的技术，用于确保车辆在碰撞事件中的安全性能。HyperCrash通过模拟各种碰撞场景，帮助工程师理解车辆结构在极端条件下的行为，从而进行设计改进。此外，它还用于评估安全气囊、安全带和其他被动安全系统的效能。1.3.1应用案例假设我们需要分析一款轿车在正面碰撞中的结构响应。以下是一个使用HyperCrash进行仿真分析的基本步骤：模型准备：使用HyperMesh创建车辆的有限元模型，包括车身、引擎、座椅和乘员模型。材料属性定义：为每个部件定义材料属性，如弹性模量、泊松比和屈服强度。边界条件设置：定义碰撞条件，如碰撞速度、碰撞对象和约束条件。求解设置：选择求解器参数，如时间步长和求解精度。运行仿真：在HyperCrash中运行仿真，分析碰撞过程中的动态响应。结果分析：使用HyperView或HyperGraph可视化和分析仿真结果，包括变形、应力分布和乘员伤害指标。1.3.2示例代码以下是一个简化的HyperMesh脚本示例，用于设置材料属性和边界条件：#设置材料属性

mat=hws.add_material("Steel")

mat.set_elastic(210e3,0.3)#弹性模量为210GPa，泊松比为0.3

#定义碰撞条件

bc=hws.add_boundary_condition("Fixed")

bc.set_nodes("BodyInWhite","All")#将车身所有节点固定

#设置碰撞速度

load=hws.add_load("Impact")

load.set_velocity(50)#碰撞速度为50km/h1.3.3结果分析在仿真完成后，可以使用以下命令在HyperView中加载结果并进行分析：#加载仿真结果

hv=HyperView()

hv.load_results("CarCrash.h3d")

#显示变形

hv.show_deformation()

#显示应力分布

hv.show_stress("VonMises")通过这些步骤，工程师可以详细分析车辆在碰撞过程中的行为，识别潜在的设计问题，并进行必要的改进，以提高车辆的安全性能。2弹性力学仿真软件：AltairHyperWorks：HyperCrash碰撞仿真教程2.1前处理基础2.1.1创建和导入模型在AltairHyperWorks中，使用HyperMesh进行模型的创建和导入是HyperCrash碰撞仿真前处理的第一步。HyperMesh提供了强大的网格生成工具和模型导入功能，支持多种CAD格式。2.1.1.1创建模型使用HyperMesh的CAD模块：HyperMesh集成了CAD工具，可以直接在软件中创建简单的几何模型。网格划分：选择合适的单元类型（如四面体、六面体等），设置网格尺寸，进行网格划分。2.1.1.2导入模型支持的文件格式：包括IGES、STEP、VDAFS、CATIA、NX等。导入步骤：在HyperMesh中选择File>Import>CAD。选择相应的CAD文件，点击Import。2.1.2定义材料属性材料属性的定义是碰撞仿真中至关重要的一步，它直接影响到仿真结果的准确性。2.1.2.1材料属性设置材料库：HyperMesh提供了丰富的材料库，包括金属、塑料、复合材料等。定义新材料：在Material模块中，选择New，输入材料名称，选择材料类型，设置材料参数（如密度、弹性模量、泊松比等）。2.1.2.2示例#在HyperMesh中定义材料属性的Python脚本示例

#假设使用HyperMesh的PythonAPI

#导入必要的模块

fromhypermeshimportmaterial

#定义材料

material_name="Steel"

material_type="Isotropic"

density=7850#kg/m^3

youngs_modulus=200e9#Pa

poissons_ratio=0.3

#创建材料

material.create(material_name,material_type,density,youngs_modulus,poissons_ratio)2.1.3设置接触条件接触条件的设置确保了碰撞仿真中不同部件之间的正确交互。2.1.3.1接触类型自动接触：HyperMesh可以自动识别接触面，适用于大多数情况。手动接触：在复杂模型中，可能需要手动定义接触对，确保接触的准确性。2.1.3.2示例#在HyperMesh中设置接触条件的Python脚本示例

#假设使用HyperMesh的PythonAPI

#导入必要的模块

fromhypermeshimportcontact

#定义接触对

contact_pair_name="Contact_Pair_1"

slave_surface_id=1001

master_surface_id=2001

#创建接触对

contact.create(contact_pair_name,slave_surface_id,master_surface_id)2.2总结通过以上步骤，我们可以在AltairHyperWorks的HyperCrash模块中完成碰撞仿真的前处理，包括模型的创建与导入、材料属性的定义以及接触条件的设置。这些基础操作是进行任何碰撞仿真分析的前提，确保了仿真的准确性和可靠性。注意：上述代码示例为虚构的Python脚本示例，用于说明如何在HyperMesh中通过脚本定义材料属性和接触条件。实际操作中，HyperMesh提供了图形用户界面进行这些设置，而Python脚本的使用则需要HyperMesh支持PythonAPI的环境。3碰撞仿真设置3.1选择碰撞仿真类型在AltairHyperWorks的HyperCrash模块中，选择正确的碰撞仿真类型是确保仿真准确性和效率的关键步骤。HyperCrash支持多种碰撞仿真类型，包括正面碰撞、侧面碰撞、翻滚碰撞、行人保护碰撞等。每种类型都有其特定的设置和要求，以模拟真实的碰撞场景。例如，进行正面碰撞仿真时，需要定义车辆的前部与障碍物或另一车辆的接触区域，以及碰撞速度。在HyperMesh中，可以通过定义接触对（ContactPairs）和施加速度载荷（VelocityLoads）来实现。-**接触对设置**：选择“Modeling”模块下的“Contact”选项，然后选择“Pairs”来定义接触对。例如，将车辆前部的网格与障碍物的网格定义为一对接触体。

-**速度载荷设置**：在“Loads”模块下，选择“Velocity”来施加速度载荷。例如，设置车辆的初始速度为50km/h。3.2定义载荷和边界条件载荷和边界条件的定义对于碰撞仿真至关重要，它们决定了仿真中模型的运动和变形。在HyperCrash中，载荷可以是速度、加速度、力或压力，而边界条件通常用于固定模型的某些部分，以模拟实际的约束。3.2.1载荷设置示例假设我们正在模拟一辆汽车以50km/h的速度撞击固定障碍物的场景，以下是如何在HyperMesh中设置速度载荷的步骤：进入“Loads”模块。选择“Velocity”。选择车辆模型的全部网格。设置速度值为50km/h，方向为碰撞方向。-**步骤1**：在HyperMesh中，点击“Loads”模块。

-**步骤2**：在下拉菜单中选择“Velocity”。

-**步骤3**：选择车辆模型的所有网格节点。

-**步骤4**：在弹出的对话框中，输入速度值为50km/h，并设置方向为X轴负方向。3.2.2边界条件设置示例在上述场景中，为了模拟障碍物的固定，我们需要在HyperMesh中设置边界条件：进入“Loads”模块。选择“Displacement”。选择障碍物模型的所有网格节点。设置所有方向的位移为0。-**步骤1**：在HyperMesh中，点击“Loads”模块。

-**步骤2**：在下拉菜单中选择“Displacement”。

-**步骤3**：选择障碍物模型的所有网格节点。

-**步骤4**：在弹出的对话框中，将X、Y、Z三个方向的位移值均设置为0。3.3设置求解器参数HyperCrash使用AltairRadioss作为其求解器，Radioss是一个高度优化的求解器，特别适合于非线性动力学和碰撞仿真。设置求解器参数包括定义时间步长、仿真时间、求解精度等，这些参数直接影响仿真的准确性和计算效率。3.3.1时间步长设置时间步长是碰撞仿真中一个关键的参数，它决定了仿真的时间分辨率。在Radioss中，时间步长通常由软件自动计算，但用户也可以手动设置。例如，为了获得更精细的仿真结果，可以设置较小的时间步长。-**设置方法**：在HyperMesh的“Solver”模块下，选择“Radioss”，然后在“TimeStep”选项中输入时间步长值。例如，设置时间步长为0.001秒。3.3.2仿真时间设置仿真时间定义了仿真的总持续时间。在碰撞仿真中，通常需要设置足够长的仿真时间以确保模型完全停止运动。-**设置方法**：在HyperMesh的“Solver”模块下，选择“Radioss”，然后在“SimulationTime”选项中输入仿真时间值。例如，设置仿真时间为1秒。3.3.3求解精度设置求解精度影响仿真的计算资源和结果的准确性。在Radioss中，可以通过设置求解器的精度参数来调整仿真精度。-**设置方法**：在HyperMesh的“Solver”模块下，选择“Radioss”，然后在“SolverPrecision”选项中选择精度等级。例如，选择“DoublePrecision”以获得更高的计算精度。通过以上步骤，可以完成碰撞仿真的基本设置，包括选择仿真类型、定义载荷和边界条件，以及设置求解器参数。这些设置需要根据具体的仿真需求和模型特性进行调整，以确保获得准确和可靠的仿真结果。4后处理与结果分析4.1查看仿真结果在AltairHyperWorks的HyperCrash模块中，查看仿真结果是碰撞仿真后处理的第一步。HyperCrash提供了丰富的可视化工具，帮助用户理解碰撞过程中的动态行为。以下是一些关键步骤和技巧：加载结果文件：首先，需要在HyperView中加载.h3d或.odb等格式的仿真结果文件。这可以通过菜单中的“File”>“Open”选项完成。动画播放：使用时间滑块或播放按钮，可以查看模型在碰撞过程中的动态变化。这有助于直观理解结构的变形模式。应力和应变分析：HyperView允许用户查看模型各部分的应力和应变分布。通过选择“Stress”或“Strain”选项，可以生成彩色图，其中颜色代表应力或应变的大小。路径点和截面分析：定义路径点或截面，可以详细分析特定区域的动态响应。例如，通过创建一个截面，可以查看该截面的应力-应变曲线。结果导出：HyperView支持将结果导出为多种格式，包括图像、视频和数据文件，便于进一步分析或报告制作。4.2结果后处理技巧4.2.1使用HyperView的高级功能自定义视图：通过调整相机角度和模型透明度，可以更清晰地观察内部结构的变形情况。结果叠加：可以同时显示多个结果，如应力和位移，以更全面地理解碰撞效应。创建报告：利用HyperView的报告功能，可以自动或手动生成详细的分析报告，包括图表和关键数据。4.2.2数据分析与提取提取时间历史数据：对于特定节点或区域，可以提取其时间历史数据，如位移、速度和加速度，用于进一步的时域分析。使用HyperGraph：HyperGraph是HyperWorks套件中的一个工具，用于处理和可视化时间历史数据。可以将从HyperView中提取的数据导入HyperGraph，进行更深入的数据分析。4.3碰撞性能评估方法碰撞仿真后，评估模型的碰撞性能是至关重要的。以下是一些常用的评估方法：侵入量分析：测量碰撞过程中乘员舱的侵入量，以评估乘员的安全性。这通常通过定义乘员舱的边界和测量其变形来完成。加速度脉冲：分析碰撞过程中乘员头部、胸部和腿部的加速度脉冲，以评估乘员的受伤风险。加速度脉冲的形状和峰值是关键指标。能量吸收：计算碰撞过程中结构的能量吸收，以评估其吸能性能。这可以通过分析模型的动能和变形能来实现。乘员保护评估：使用乘员保护指数（如HIC、CNCI等）来评估乘员保护系统的有效性。这些指数基于乘员头部和颈部的加速度和加速度率。乘员约束系统分析：检查安全带、气囊等约束系统在碰撞过程中的性能，确保它们能够正确地保护乘员。4.3.1示例：侵入量分析假设我们有一个简单的乘员舱模型，我们想要分析其在正面碰撞中的侵入量。#使用Python和HyperMeshAPI进行侵入量分析的示例代码

#首先，需要导入HyperMeshAPI模块

importhypermeshashm

#加载仿真结果文件

hm.open_file('path_to_h3d_file.h3d')

#定义乘员舱的边界

#假设乘员舱的前部由一组节点定义

front_nodes=[1001,1002,1003,...]

#定义乘员舱的后部

rear_nodes=[2001,2002,2003,...]

#计算碰撞过程中的侵入量

#这里我们使用HyperMesh的API来计算节点的位移

front_displacements=hm.get_node_displacements(front_nodes)

rear_displacements=hm.get_node_displacements(rear_nodes)

#侵入量为前部和后部位移的差值

intrusion=[front-rearforfront,rearinzip(front_displacements,rear_displacements)]

#打印侵入量结果

print("Intrusion:",intrusion)在这个示例中，我们首先加载了仿真结果文件，然后定义了乘员舱的前后边界。通过计算这些边界节点的位移，我们得到了碰撞过程中的侵入量。这只是一个简化的示例，实际应用中可能需要更复杂的分析和数据处理。通过这些步骤和技巧，可以有效地在AltairHyperWorks的HyperCrash模块中进行后处理和结果分析，从而深入理解碰撞仿真结果，评估模型的碰撞性能。5高级功能5.1多体动力学仿真在多体动力学仿真中，AltairHyperWorks的HyperCrash模块能够模拟复杂的车辆碰撞场景，其中涉及多个刚体和弹性体之间的相互作用。这种仿真技术特别适用于分析车辆在碰撞过程中的动态响应，包括车身结构的变形、乘员保护系统的效果以及车辆零部件的运动轨迹。5.1.1原理多体动力学仿真基于牛顿第二定律，即力等于质量乘以加速度（F=ma）。在碰撞仿真中，每个体（刚体或弹性体）都被视为一个独立的物体，其运动受到外力、内力以及与其他体接触力的影响。HyperCrash通过求解这些物体的运动方程，预测碰撞过程中的动态行为。5.1.2内容刚体和弹性体的定义：在HyperCrash中，刚体是指在碰撞过程中形状和大小保持不变的物体，而弹性体则可以发生变形。接触模型：定义不同体之间的接触属性，如摩擦系数、碰撞刚度等，以准确模拟碰撞过程中的力传递。约束和载荷：设置体之间的约束条件，如铰链、滑动等，以及施加的外部载荷，如冲击力、重力等。5.1.3示例在HyperCrash中设置多体动力学仿真的基本步骤如下：定义刚体和弹性体：使用HyperMesh的实体建模工具创建刚体和弹性体模型。设置接触：在HyperCrash中定义接触对，设置接触属性。施加载荷和约束：在HyperMesh中施加初始速度、重力等载荷，并设置铰链、滑动等约束。运行仿真：在HyperCrash中设置仿真参数，如时间步长、仿真时间等，然后运行仿真。#示例：在HyperMesh中创建刚体

#使用HyperMesh的实体建模工具，选择“Box”创建一个刚体

#设置尺寸为100mmx50mmx30mm，材料属性为钢

#在HyperCrash中定义该刚体为“RigidBody”

#示例：在HyperCrash中设置接触

#选择两个体，定义接触对

#设置接触属性，如摩擦系数为0.3，碰撞刚度为1e6N/m

#示例：在HyperMesh中施加载荷

#选择刚体，施加初始速度为10m/s

#设置重力加速度为9.81m/s^2

#示例：在HyperCrash中运行仿真

#设置仿真时间为0.1秒，时间步长为1e-5秒

#运行仿真，分析结果5.2非线性材料模型HyperCrash支持多种非线性材料模型，这些模型能够更准确地描述材料在极端载荷下的行为，如塑性变形、断裂等。这对于预测碰撞过程中的材料响应至关重要。5.2.1原理非线性材料模型考虑了材料的应力-应变关系随载荷变化而变化的特性。常见的非线性材料模型包括弹塑性模型、损伤模型和超弹性模型等。HyperCrash通过这些模型，能够模拟材料在碰撞过程中的真实变形和破坏行为。5.2.2内容弹塑性模型：描述材料在弹性阶段和塑性阶段的应力-应变关系。损伤模型：模拟材料在受到损伤时的性能退化，如裂纹扩展、材料软化等。超弹性模型：适用于模拟橡胶、生物组织等材料的非线性弹性行为。5.2.3示例在HyperCrash中设置弹塑性材料模型的步骤如下：选择材料：在HyperMesh中选择需要定义材料属性的实体。定义材料模型：在材料属性编辑器中选择弹塑性模型，如Johnson-Cook模型。输入材料参数：根据材料测试数据，输入模型所需的参数，如弹性模量、屈服强度、硬化指数等。验证模型：通过简单的拉伸或压缩测试，验证材料模型的准确性。#示例：在HyperMesh中定义Johnson-Cook材料模型

#选择实体，进入材料属性编辑器

#选择Johnson-Cook模型，输入参数

#弹性模量E=200GPa，屈服强度σy=235MPa

#硬化指数C=0.016，应变率敏感指数m=0.12

#温度敏感指数n=0.0，熔化温度Tm=1300K

#室温T0=293K

#示例：在HyperCrash中运行材料模型验证仿真

#创建一个简单的拉伸测试模型

#设置边界条件和载荷，运行仿真

#分析仿真结果，与实验数据对比，验证模型准确性5.3优化设计在碰撞仿真中的应用优化设计是HyperCrash中的一个高级功能，它允许用户通过调整设计参数，如材料厚度、形状等，来优化碰撞性能，如减少乘员伤害、提高车身结构的耐撞性。5.3.1原理优化设计基于数学优化算法，如梯度下降法、遗传算法等，通过迭代过程寻找最佳设计参数。在每次迭代中，HyperCrash都会运行碰撞仿真，评估当前设计的性能，并根据评估结果调整设计参数。5.3.2内容定义设计变量：在HyperMesh中选择可以调整的设计参数，如材料厚度、形状参数等。设置目标函数：定义优化的目标，如最小化乘员伤害指数、最大化车身结构的吸能能力等。运行优化仿真：在HyperCrash中设置优化参数，如迭代次数、优化算法等，然后运行优化仿真。5.3.3示例在HyperCrash中进行优化设计的基本步骤如下：定义设计变量：在HyperMesh中选择车身结构中的材料厚度作为设计变量。设置目标函数：在HyperCrash中定义目标函数为最小化乘员头部伤害指数（HIC）。运行优化仿真：设置优化算法为遗传算法，迭代次数为50次，运行优化仿真。#示例：在HyperMesh中定义设计变量

#选择车身结构中的材料厚度，设置为设计变量

#设定变量范围，如最小厚度为1mm，最大厚度为3mm

#示例：在HyperCrash中设置目标函数

#定义目标函数为最小化乘员头部伤害指数（HIC）

#设置HIC的权重，如1.0

#示例：在HyperCrash中运行优化仿真

#设置优化算法为遗传算法

#迭代次数为50次，种群大小为20

#运行优化仿真，分析优化结果6案例研究6.1汽车正面碰撞仿真案例在汽车工业中，正面碰撞测试是评估车辆安全性能的关键环节。使用AltairHyperWorks中的HyperCrash模块，我们可以模拟这种碰撞，以预测和优化车辆在事故中的表现。下面，我们将通过一个具体的案例来展示如何使用HyperCrash进行汽车正面碰撞仿真。6.1.1准备阶段模型建立：首先，需要在HyperMesh中建立车辆的有限元模型。这包括车身、发动机、悬挂系统、座椅、安全带和气囊等部件的详细模型。材料属性：为模型中的每个部件分配正确的材料属性，如弹性模量、泊松比、密度和屈服强度等。边界条件：定义车辆与障碍物的接触条件，以及车辆内部各部件之间的接触条件。加载条件：设置碰撞速度，通常为56km/h或64km/h，以符合NCAP测试标准。网格划分：确保模型的网格质量，以提高仿真结果的准确性。6.1.2仿真设置在HyperCrash中，我们需要设置以下参数：求解器选择：通常使用LS