使用HyperMesh软件进行前处理优化技巧

第一步:启动HyperMesh软件。

(1)启动HyperMesh软件。

(2)在下拉菜单下单击“Preference”项。

(3)单击“User Profiles”项。

(4)设置模板类型为“LsDyna”,如图5.18所示。

图5.18　User Profiles界面

(5)单击“OK”按钮进入Hypermesh_LS-Dyna界面。

第二步:导入人体K文件和空气域几何模型。

导入的人体可以是K文件,也可以是HM模型和几何模型,现以导入K文件为例。若导入的是几何模型,则应对其进行有限元网格划分。

(1)在快捷菜单中单击Import按钮。

(2)选择Import Solver Deck按钮,“File type”设置为“LsDyna[Keyword]”,在“File”中选择要导入的人体有限元模型(即5.2.4节建立的Human FEM),“Import”设置为“All”,“Display”设置为“Custom”,如图5.19所示,最后单击“Import”按钮导入人体有限元模型。在功能菜单显示出20个Components,如图5.20所示,包括肌肉(Muscle)、肾脏(Kidney)、胰脏(Pancreas)、肝脏(Liver)、心脏(Heart)、肺脏(Lung)、脾脏(Spleen)、胃(Stomach)、横膈膜(Diaphragm)、胸骨(Sternum)、肋骨(Ribs)、肋软骨(Costal cartridge)、脊柱(Vertebral column)、椎间盘(Intervertebral disc)、锁骨(Clavicle)、心脏内血液(Blood)、肩胛骨(Scapula)、表皮(Skin-Epidermis)、真皮(Skin-Demis)、皮下组织(Skin-Hypodermis)。在图形区可以显示出人体躯干模型,如图5.21所示。

图5.19　人体模型导入界面

图5.20　人体躯干模型Com ponents显示界面

图5.21　人体躯干模型图像显示界面

(3)选择Import Geometry按钮,“File type”设置为“Auto Detect”,单击Select files按钮选择要导入的空气几何模型AIR,“Scale factor”设置为“1.0”,“Cleanup tol”设置为“Automatic”,最后单击“Import”按钮导入空气几何模型,如图5.22所示。

图5.22　空气和人体躯干模型图像显示界面

第三步:空气网格划分。

(1)新建一个Components,命名为“AIR1”,作为空气域;而将空气几何模型所在的Components命名为“AIR2”,作为冲击波生成域。

(2)在Components中选中“AIR1”,右击选择“Make Current”。

(3)在页面菜单中选择“3D”。

(4)单击面板菜单中的“solid map”进入六面体网格划分界面。

(5)选择“one volume”,界面左下方切换为“elems to current comp”(将网格置于AIR1中)。

(6)“elem size”设置为“1.000”(网格尺寸为1 cm)。

(7)volume tomesh切换到solid。

(8)选中图像区的空气几何模型。

(9)单击“mesh”按钮开始划分网格。

(10)单击“return”按钮返回。

(11)在页面菜单中选择“Tool”。

(12)单击面板菜单中的“organize”。

(13)选中“collector”,并切换到elems,“dest component”设置为“AIR2”,如图5.23所示。

图5.23　空气网格复制/移动界面

(14)选中沿Y轴正方向的第一层网格。

(15)单击“move”按钮将网格移动到AIR2中作为冲击波生成域。

(16)单击“return”按钮返回主界面。

第四步:定义单元类型。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*SECTION”选项。

(2)建立1个*SECTION_SOLID卡片(作为人体有限元模型单元属性)、1个*SECTION_SHELL卡片(作为皮肤的单元属性)和2个*SECTION_SOLID_ALE卡片(分别作为空气域和冲击波生成域的单元属性),分别命名为SOLID、SHELL-SKIN、ALE1、ALE2。

(3)进入功能菜单中的Model界面。

(4)在“Properties”下拉菜单中右击“SOLID”,将“ELFORM”设置为“1”(Lagrange算法)。

(5)在“Properties”下拉菜单中右击“ALE1”,将“ELFORM”设置为“11”(ALE算法)。

(6)在“Properties”下拉菜单中右击“ALE2”,将“ELFORM”设置为“11”(ALE算法),并将“AET”设置为“5”(接受由关键字*LOAD_BLAST_ENHANCED定义的爆炸载荷)。

(7)在“Properties”下拉菜单中右击“SHELL-SKIN”,将“ELFORM”设置为“2”(Belytschko-Tsay算法),“NIP”设置为“1”(积分点个数,即皮肤层数,包括表皮层、真皮层和皮下组织层),勾选“Int_Rule_ID”,在“IRID”下选择*INTEGRATION_SHELL卡片(定义皮肤层),“T1”设置为“0.41”(皮肤层厚度为0.41 cm,其中,表皮层厚度为0.1 mm,真皮层和皮下组织厚度均为2 mm),“NLOC”设置为“-1”(SHELL单元为底面),如图5.24所示。

图5.24　皮肤单元属性定义界面

第五步:定义皮肤的积分方式。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*INTEGATION”选项。

(2)建立1个*INTEGATION_SHELL卡片,命名为“IS-SKIN”。

(3)在“Properties”下拉菜单中单击“IS-SKIN”,进入参数设置界面。

(4)“LSD_NIP”设置为“3”(积分点个数),“ESOP”设置为“0”(积分点等间距选项,0表示自定义积分点坐标,1表示积分点等间距),并定义积分点坐标(S)、加权系数(WF)以及各层材料模型(PID),如图5.25和图5.26所示。

图5.25　皮肤积分方式定义界面

图5.26　皮肤层厚度及材料模型定义界面

第六步:定义材料属性。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*MAT”选项,选择材料模型。

(2)建立8个*MAT_VISCOELASTIC卡片(作为肌肉和内脏器官的材料属性)、1个*MAT_ELASTIC_FLUID卡片(作为血液材料属性)、11个*MAT_ELASTIC卡片(作为皮肤和骨骼的材料属性)和一个*MAT_NULL卡片(作为空气域和冲击波生成域的材料属性),将其命名为Components中各自所对应的名称。

(3)分别单击“Materials”下拉菜单中的各个卡片,进入材料参数设置界面。

(4)*MAT_VISCOELASTIC材料模型中需要定义材料密度(Rho)、体积模量(BULK)、短时剪切模量(G0)、长时剪切模型(GI)和衰减系数(BETA),如图5.27所示。

图5.27　黏弹性模型材料参数定义界面

(5)*MAT_ELASTIC_FLUID材料模型中需要定义材料密度(Rho)、杨氏模量(E)、泊松比(Nu)和体积模型(K),如图5.28所示。

图5.28　线弹性流体模型材料参数定义界面

(6)*MAT_ELASTIC材料模型中需要定义材料密度(Rho)、杨氏模量(E)和泊松比(Nu),如图5.29所示。

图5.29　线弹性模型材料参数定义界面

(7)*MAT_NULL材料模型中只需要定义材料密度(Rho),如图5.30所示。

图5.30　空气材料参数定义界面

(8)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*EOS”选项,选择状态方程。

(9)建立1个*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL卡片(作为空气域和冲击波生成域的材料属性),将其命名为“AIR”。

(10)在“Properties”下拉菜单中单击“AIR”,进入参数设置界面。

(11)*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程中需要定义状态方程常数(c0、c1、c2、c3、c4、c5、c6)、初始内能(E0)和初始体积(V0),如图5.31所示。

图5.31　空气状态方程参数定义界面

第七步:单元属性和材料属性的赋值。

(1)分别单击“Components”下拉菜单中的各个卡片,进入单元属性和材料属性选择界面。

(2)在“Property”中选择单元属性,“Materials”中选择材料模型,“EOSID”中选择状态方程,如图5.32所示。

图5.32　单元属性和材料属性赋值界面

第八步:定义单元算法*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*ALE”选项。

(2)建立2个*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP卡片,分别命名为AMM1和AMM2;

(3)单击“Sets”下拉菜单中的“AMM1”,在“Entity IDs”中选择“AIR1”。

(4)单击“Sets”下拉菜单中的“AMM2”,在“Entity IDs”中选择“AIR2”。(www.xing528.com)

第九步:建立Part集。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*SET”选项。

(2)建立4个*SET_PART_LIST卡片,分别命名为“FLUID”(流体集,包括空气域和冲击波生成域)、“SOLID”(固体集,包括整个人体模型)、“Human”(除皮肤外的人体模型)和“SKIN”(皮肤模型)。

(3)单击“Sets”下拉菜单中的“FLUID”,在“Entity IDs”中选择“AIR1”和“AIR2”。

(4)单击“Sets”下拉菜单中的“SOLID”,在“Entity IDs”中选择所有人体模型的Components。

(5)单击“Sets”下拉菜单中的“Human”,在“Entity IDs”中选择除皮肤外的人体模型的Components。

(6)单击“Sets”下拉菜单中的“SKIN”,在“Entity IDs”中选择皮肤模型的Components。

第十步:设置接触条件。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*CONTACT”选项。

(2)建立1个*CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE(单面侵蚀接触)和1个*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE(面面固连接触)卡片,分别命名为“ERODING”和“TIED”。

(3)进入功能菜单中的Model界面。

(4)单击“Groups”下拉菜单中的“ERODING”。

(5)单击“SSID”选择Sets集Human,并进行参数设置,如图5.33所示。

图5.33　单面侵蚀接触参数定义界面

(6)单击“Groups”下拉菜单中的“TIED”。

(7)单击“SSID”选择Sets集SKIN,单击“MSID”选择Sets集HUMAN并进行参数设置,如图5.34所示。

图5.34　面面固连接触参数定义界面

第十一步:定义流固耦合。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*CONSTRAINED”选项。

(2)建立*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID卡片,命名为“CLIS”。

(3)进入功能菜单中的Model界面。

(4)单击“Groups”下拉菜单中的“CLIS”。

(5)单击“MSID”选择Sets集FLUID,单击“SSID”选择Sets集SOLID,并进行参数设置,如图5.35所示。

图5.35　流固耦合参数定义界面

第十二步:定义Segment卡片。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*SET”选项。

(2)建立2个*SET_SEGMENT卡片,分别命名为“CS1”(用于放置爆炸载荷面)和“CS2”(用于放置非反射边界面)。

(3)进入功能菜单中的Model界面。

(4)单击“Contact Surfaces”下拉菜单中的“CS1”。

(5)在弹出的对话框中单击“Elements”。

(6)单击左上方按钮,切换为add solid faces。

(7)选择冲击波生成域的外边界面,如图5.36所示。

图5.36　爆炸载荷面的选取

(8)单击“Return”按钮返回主界面。

(9)单击“Contact Surfaces”下拉菜单中的“CS2”,按照上述步骤(5)、(6)选择空气域的外边界面,如图5.37所示。

图5.37　非反射边界面的选取

(10)单击“Return”按钮返回主界面。

第十三步:对应边界条件。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*BOUNDARY”选项。

(2)建立1个*BOUNDARY_NON_REFLECTING卡片,命名为“BNR”。

(3)进入功能菜单中的Model界面。

(4)单击“Load Collectors”下拉菜单中的“BNR”。

(5)在弹出的对话框中将“Set Segment Type”设置为“Set Segment”。

(6)单击“SSID”选择“CS2”,如图5.38所示。

图5.38　非反射边界定义界面

第十四步:设置求解时间和时间步长。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*CONTROL”选项。

(2)建立*CONTROL_TERMINATION卡片和*CONTROL_TIMESTEP卡片。

(3)在*CONTROL_TERMINATION卡片的“ENDTIM”选项中设置求解时间为2 660μs,如图5.39所示。

图5.39　求解时间设置界面

(4)在*CONTROL_TIMESTEP卡片的“TSSFAC”选项中设置时间步长为0.9,如图5.40所示。

图5.40　时间步长设置界面

第十五步:设置ALE算法控制。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*CONTROL”选项。

(2)建立*CONTROL_ALE卡片。

(3)在*CONTROL_ALE卡片中进行参数设置,其中,参数“PREF”必须设置为1e-6 Mbar(100 kPa)。

第十六步:设置SOLID和SHELL单元的计算控制。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*CONTROL”选项。

(2)建立*CONTROL_SOLID和*CONTROL_SHELL卡片。

(3)*CONTROL_SOLID卡片用于控制SOLID单元,参数设置为缺省值。

(4)*CONTROL_SHELL卡片用于控制SHELL单元,参数设置为缺省值,其中“THEORY”必须设置为“2”,表示SHELL为Belytschko-Tsay单元。

第十七步:设置输出类型和时间间隔。

(1)进入下拉菜单中的“Tools”→“Create Cards”→“*DATABASE”选项。

(2)建立*DATABASE_BINARY_BLSTFOR、*DATABASE_BINARY_D3 PLOT和*DATABASE_BINARY_D3THDT卡片。

(3)*DATABASE_BINARY_BLSTFOR卡片用于输出爆炸压力,数据输出时间间隔“DT”定义为2μs。

(4)*DATABASE_BINARY_D3PLOT卡片用于输出d3plot文件,数据输出时间间隔“DT”定义为2μs。

(5)*DATABASE_BINARY_D3THDT卡片用于输出单元和节点的数据,数据输出时间间隔“DT”定义为2μs。

第十八步:输出计算K文件。

(1)在用户界面顶栏单击“Export”。

(2)选择“Import Solver Desk”,将“File type”设置为“LsDyna”,“Template”设置为“Keyword971_R8.0”,单击Files选择导出路径并命名导出K文件“BLAST”,“Export”设置为“All”,最后单击“Export”按钮导出K文件,如图5.41所示。

图5.41　K文件导出界面

第十九步:在K文件中定义爆炸载荷及加载方式。

由于HyperMesh中没有定义爆炸载荷及加载方式的关键字,故只能在K文件中添加。

(1)添加*LOAD_BLAST_ENHANCED关键字用于定义爆炸载荷,如图5.42所示。

图5.42　爆炸载荷参数的定义

图中,“bid”为爆源编号;“m”为等效TNT当量;“xbo”“ybo”“zbo”为TNT装药中心点的x、y、z坐标;“tbo”为起爆时间;“unit”为单位制,4(centimeters,grams,microseconds,Megabars),不同数字代表不同的协调单位;“blast”为爆炸类型,2(球形装药在空气中的爆炸,与地面的相互作用后没有对初始冲击波产生放大效应),不同数字代表不同的爆炸类型。

(2)添加*LOAD_BLAST_SEGMENT_SET关键字用于定义爆炸载荷的加载,如图5.43所示。

图5.43　爆炸载荷加载的定义

图中,“bid”为*LOAD_BLAST_ENHANCED关键字的编号;“ssid”为*SET_SEGMENT(CS1)关键字的编号;“alepid”为*ALE_MULTIMATERIAL_GROUP(AMM2)关键字的编号。