HyperMorph在某些模型构建过程中的应用

HyperMorph在某些模型构建过程中的应用
岳国辉 马立军
长城汽车股份有限公司技术研究院
HyperMorph在某些模型构建过程中的应用
HyperMorph Application in Constructing
Models
岳国辉马立军
(长城汽车股份有限公司技术研究院CAE部)
摘 要: HyperMorph是一种基于网格模型的形状优化(Morphing)工具。

可供选择的功能面板可归结为四类，每类方法各有所长。

本文通过介绍几种典型的应用实例，为以后进行类似工作提供了参考，同时也验证了HyperMorph的强大功能。

关键词:HyperMorph，形状优化，网格模型
Abstract: HyperMorph is a mesh morphing tool in HyperMesh that allows you to alter figure of finite element models. All morphing methods can be organized under four category, and each methods has specific advantage. A few typical application examples are introduced in the article. The purpose of this article is to provide some references for the future similar works, and also validate the powerful ability of HypeMorph.
Key words:HyperMorph, Morphing, finite element models
1 概述
HyperMorph是HyperMesh中用于直接改变模型网格的模块。

允许通过有效、合理、可视化的方式改变网格模型，在确保网格质量最优化的前提下实现以下功能：
(1) 通过改变零部件网格来改变该零部件几何形状；
(2) 参数化的改变零部件网格模型尺寸；
(3) 把现有模型网格投影到新的几何形面上；
(4) 为形状优化分析创建形状变量。

在应用HyperMorph的过程中，可以通过创建不同的约束、对称面、偏置参数等使Morphing过程更容易实现。

在HyperMorph中有独特的功能可以实现对称、平移、定位、操作过程回放、形变过程再应用等操作，例如在一个模型中发生过的形变可以保存下来然后应用到其它模型上，且被应用模型可以拥有不同的网格密度。

另外，HyperMorph有通过形状变量把力、压力、温度等从一个模型转换到另一个模型上的能力。

而且它可以很容易的通过运用sculpting工具在网格模型上添加结构加强筋等特征。

HyperMorph能基于预先设定好的网格质量标准通过调整节点位置自动优化Morphing
后的网格，而且在运用HyperMorph的过程中可以同时以高亮形式显示不能满足预先设定好的网格质量标准的单元，并且可以保存不合格的单元到剪贴板中供后续局部调整或重划分。

2 实例应用描述
HyperMorph中可供选择的四类功能面板包括：（1）Freehand；（2）Morph volumes；（3）Map to geometry；（4）morphing via domains and handles，下面选择了四类方法中比较典型的实例分别进行说明。

2.1 Freehand
图1 sculpting应用前模型状态图
图2 sculpting应用后模型状态图
本例将通过调整某假人及周边部件相互位置关系的实例模型来介绍在Freehand面板中比较常用的sculpting功能。

某假人模型如图1所示，由于假人是成品模型，在使用时可直接调用，而要把假人放入到不同的车型时，考虑到在实际情况中安全带是绷紧在人身上的、座椅垫及靠背是被压实的，所以最初状态时假人与周边的如安全带、座椅垫、座椅靠背等之间肯定会发生间隙
太大或穿透等问题。

实际调整假人过程中在不同的软件有许多不同的方法，如移动发生穿透的节点直到无穿透为止，或对假人进行自由落体仿真计算以使座椅垫及靠背被压实等。

而在HyperMesh新版本中比较实用而且效率很高的就是HyperMorph中Freehand面板内的sculpting功能。

进入面板后，通过选择sculpting工具、需要重新造型的模型网格、操作路径及方向、设置好偏置间隙及相关系数之后就可以很容易的达到预期目的，而且网格质量会自动相应调整，不至于出现负雅克比等畸形网格。

虽然局部位置由于复杂形状或网格质量等原因，还有一些穿透存在，但只要稍微调整一下节点位置就可以修正。

如图2所示是经过sculpting 功能重新造型后的安全带、座椅垫及与假人的相互位置关系图，比以前常规方法节省一半以上的工作时间。

2.2 Morph volumes
图3 volumes handles移动前模型图
图4 volumes handles移动后模型图
本例将通过为一简单轴对称模型添加加强筋及改变局部特征尺寸的实例模型来介绍Morph volumes面板中比较常用的功能。

如图3所示是一简单圆筒形轴对称网格模型，需要实现的要求包括：（1）把前端的平底面拉伸成为圆锥形加强筋；（2）在圆筒壁身上添加凹形加强筋；（3）把后端圆形端口缩小为原先的一半，要求网格之间渐进过渡。

操作方法如下：首先进入morph volumes面板，基于该轴对称网格模型创建一系列矩阵型volumes，目的是把整体模型分成若干小块便于之后进行handles移动。

然后再结合要求中的特征位置相应添加一些volumes。

最后进入morph 面板，通过在特定方向上对handles进行移动及拉伸以实现所要求的内容。

如图4所示是经过移动volumes handles之后达到预期要求的网格模型图，从图中可以看出volumes
handles可以控制网格模型整体运动从而保证相关网格的平滑过渡，不至于出现因单个节点移动而导致的沙漏型网格排布。

2.3 Map to geometry
图5 Map to geometry应用实例模型图
图6 Map to geometry应用实例模型图
本例通过投影某车行人保护用支撑梁及支架的实例模型介绍Map to geometry面板的常用功能。

在前期优化零部件形状的过程中，不可能每次都要求先做出几何数模然后再划分用于分析的网格，比较理想的程序是先在网格模型中对零部件形状进行优化，在分析得到较合理结果后再输出几何曲面作为创建几何数模的参考。

如图5、图6所示是某车行人保护用支撑梁及支架网格模型，结合刚度及空间布置要求等因素需要对原始支撑梁及支架进行变形。

图中蓝色特征线代表的是原始几何形状，经过优化设计后最终需要把支撑梁与支架投影到红色特征线所代表的目标几何形状上。

进入Map to geometry面板后，首先选择目标特征线，然后选取需要进行投影的模型网格节点，最后点击自动投影功能键完成操作。

通过观察图5、图6中投影后的网格模型可以发现，原模型网格完全贴合到了目标特征上，而且保留了原截面几何特性。

2.4 morphing via domains and handles
本例将通过对一弯管模型进行局部管壁厚度改变的实例模型来介绍domains及handles面板的常用功能。

如图7所示是一简单弯管网格模型，需要在弯管三分之一处对前端部分壁厚分别向两个
方向各扩大一倍，要求粗细弯管交接处平滑过渡。

操作如下：首先进入domains面板，基于该弯管网格模型创建三维domains，剥离二维domains。

然后按照要求在弯管三分之一处选取三排单元创建局部二维domains。

最后进入morph操作面板，使用改变径向距离的功能分别改变内外径大小从而达到要求。

如图8所示是经过对domains及handles进行相应操作之后达到预期要求的网格模型图，通过观察可以发现domains能够在保留原始网格模型形状的情况下改变弯管内外径，而且过渡位置节点会自动重新排布以实现网格的渐进过度。

图7 domains handles移动前模型图
图8 domains handles移动后模型图
3 总结
HyperMorph中可以运用的功能还有很多，而且应用领域也很广泛，只要对以上提到的四类Morphing方法有了初步了解，在实际运用过程中结合需要被优化网格模型的特征及优化要求，选择四类Morphing方法中相应的功能面板，再通过设置合适的控制参数就可以即方便又高效的达到预期目的。

4 参考文献
[1] HyperMesh Tutorials for HyperMorph
[2] 于开平,周传月,谭惠丰等. HyperMesh 从入门到精通. 北京:科学出版社,2005。