HyperWorks Connectors 连接元功能介绍

连接元功能介绍

在划分部件的有限元网格后，需要创建连接单元或接触关系以连接零件实现载荷传递。Altair HyperWorks中将连接单元统一归类为Connectors（连接元）。创建统一入口在Connectors这个工具条下。

HyperWorks 中的 Connectors 工具条

常见的连接关系及其有限元表示形式

工程上常见的连接形式有焊点、螺栓、焊缝、胶粘等，若按其真实几何形状真实建模，则建模成本巨大，且操作不便。在有限元分析中，通常将这些连接关系简化，简化的形式虽繁杂多变，但其最终目的都是为了在满足分析目的的前提下保证载荷传递的准确性，同时尽可能简化连接。

几种常见连接的有限元连接形式

01、焊点

对于钣金件、薄壁件，工程中通常使用焊点进行部件之间的连接。焊点为几块钣金在焊枪处通电产生高温，使原钣金母材熔融生成。有限元分析中，通常将焊点按照不同分析目的（对局部应力的重视度）分类简化处理。

白车身局部焊点

刚性单元（rigid）

刚性单元用RBE2单元模拟部件之间的连接，点对点传递载荷。这种方法简单高效，通常用于研究模型整体状态，对局部载荷、应力的考核较差。

rigid

刚性单元+周围连接（rigidlnk）

RBE2单元力的传递点较单一，可以添加周围的点来分散传递载荷，该种形式称为rigidlnk，生成的刚性单元主节点在焊点中心，其余节点为从节点。

rigidlnk

cweld 焊点（cweld）

当我们需要连接的位置不在节点位置时，可以使用cweld焊点。它允许单元和单元直接直接在指定位置（而不必寻找附近的节点）创建cweld单元，实现载荷传递，通常用于航空建模。

焊点的连接形式	允许不直接连接节点

cweld 焊点

acm焊点（acm(general)）

acm全拼为Area Contact Method，意思是载荷通过接触面传递的焊点，因其网格适应性好且载荷传递较准确，常用于白车身钣金件之间的连接。

acm焊点的实质是在焊核处创建了一个六面体，在六面体的角点处伸出RBE3单元连接上下两个部件，实现载荷传递。

acm（general）焊点

acm（多六面体）

焊点（acm(general)+4hexa）

在acm焊点的选项中，还可以选择六面体的生成类型，当控制生成多个六面体时，就能更好地接近焊点的圆柱形状。HyperWorks 中可选择生成1、4、8、16、32个六面体。

焊点的连接形式	允许不直接连接节点

acm（general）焊点

hexa nugget

不同于acm焊点通过RBE3单元分散载荷至周围节点上，hexa nugget焊点通过对热影响区重画网格，更加准确地反映热影响区的应力情况。

hexa nugget焊点的焊核形式为六面体，六面体上下表面的节点和上下部件的网格面之间将自动创建接触（类型为绑定tie），用于传递载荷。

焊点的连接形式	自动生成点-面的tie接触

cweld 焊点

FEMFAT 焊点（FEMFAT）

FEMFAT焊点常用于钣金疲劳耐久性分析。HyperWorks 2021.1之后的版本中支持生成该焊点形式。

该焊点对连接部件的热影响区（HAZ）进行网格重画，以更好地获得网格的局部应力，此外其焊核使用一个Cbar单元，赋予截面和属性后用于模拟焊核的直径。因该方法需要网格重画，容易因周围网格的局限导致生成失败。

焊点的连接形式	自动重画网格

FEMFAT 焊点

自定义焊点类型（以rbe3-cbar-rbe3为例）

除了HyperWorks内置的焊点类型之外，我们还可以添加自定义的焊点类型。比如rbe3-cbar-rbe3的连接关系默认在HyperWorks是没有的，我们可以手动创建。

rbe3-cbar-rbe3焊点形式

我们编辑C:\Program Files\Altair\2021.2\hwdesktop\hm\bin\win64\feconfig.cfg文件，在其中添加一段（可以防止在rbe3-celas-rbe3的配置段之后，见下图）。

自定义焊点类型（rbe3-cbar-rbe3）

保存文件后，重启HyperWorks，打开Connectors-Controls，新建焊点control，在焊点类型中可以看到新增了该类型。

02、焊缝

当部件之间没有贴合的法兰面连接导致无法焊点连接，或者对强度要求较高时，通常会采用焊缝连接，参考下图。在有限元分析中，也会将焊缝进行简化处理。

焊缝连接

刚性单元焊缝

将两部件的边界直接通过刚性单元连接。

刚性单元焊缝

四边形单元焊缝

顾名思义，通过生成四边形单元，模拟焊缝的载荷传递。

四边形单元焊缝

五面体单元焊缝

使用五面体单元模拟焊缝，载荷传递更加真实可靠。五面体单元的节点伸出RBE3单元，连接周围部件。

五面体单元焊缝连接

rbe3-cbar-rbe3类型的焊缝

除了上述类型外，还可以使用 rbe3-cbar-rbe3 类型创建焊缝，该类型相对五面体单元焊缝来说，网格适应性更好；相对四边形及 rbe2 类型来说，载荷传递更加真实。该焊缝的创建过程可以将在下期进行介绍。

rbe3-cbar-rbe3 类型的焊缝效果

03、螺栓

Bolt (Spider) –

仅 RBE2 单元，不连接 washer 节点

适合简单建模，模拟螺栓紧固连接。

螺栓建模Bolt (Spider)

Clip

– 仅 RBE2 单元，并连接 washer 节点

RBE2单元同时连接washer层节点，更好传递载荷。

螺栓建模 Clip

Bolt (General)

– 有 RBE2 螺柱，不连接 washer 节点

为了更好地模拟螺栓结构，在螺母和螺帽位置创建了RBE2刚性连接，并通过中间一根RBE2单元模拟螺柱。该RBE2单元可用于施加预紧力。

螺栓建模 Bolt (General)

Bolt (Washer2)

– 有 RBE2 螺柱，连接 washer 节点

在Bolt (General)的基础上，头尾的RBE2单元增加连接一层washer节点。螺柱单元可用于施加预紧力。

螺栓建模 Bolt (Washer2)

Bolt (Cbar)

– 有 Cbar 螺柱，不连接 washer 节点

因RBE2单元过于刚性，为了模拟螺柱直径，将螺柱通过Cbar单元建模并赋予材料、横截面信息。螺柱单元可用于施加预紧力。

螺栓建模 Bolt (Cbar)

Bolt (Washer1) Cbar

– 有 Cbar 螺柱，连接 washer 节点

在Bolt (Cbar)的基础上，再抓取一层washer节点，用于更好地传递载荷。螺柱单元可用于施加预紧力。

螺栓建模 Bolt (Washer1) Cbar

04、粘胶

常见的胶粘连接信息有玻璃胶，车身上的结构胶及减震胶等。

玻璃胶

Adhesive粘胶

adhesive 粘胶创建六面体单元，并伸出 RBE3 单元，连接上下部件的节点。六面体单元的属性中，可以按照粘胶的类型（如玻璃胶、减震胶等）赋予不同的弹性模量。

Adhesive粘胶

05、不同学科推荐的建模方法

下表总结了不同学科下常见的连接关系建模方法。

Connectors工具条功能介绍

Connectors工具条下包含了创建连接关系所需的全部功能，如下图所示按区域排列：

Connectors工具条界面

01

区域1中，是所有连接关系的控制功能，包含：

a) Connectors：打开Connectors面板，用于管理模型中所有的Connectors；

b) Controls：打开Controls管理器，可针对相应连接关系，指定控制参数，如搜索容差等；

02

区域2中，用户可以通过点击图标，分别创建点焊、螺栓、缝焊、粘胶连接；

03

区域3主要用于Subsystem-Part形式管理的模型，以一种新的connector组织形式。这种组织形式将连接关系分为子系统边界的attachment和子系统之间的attachment connect，从而实现子系统之间的连接关系的解耦管理。比如，车身和座椅之间的螺栓连接表现为：

a）两个attachment：车身子系统上一个rigid spider和座椅子系统上的一个rigid spider；

b）一个attachment connect：两个rigid spider之间的螺柱；

上述attachment及attachment connect均以connctor形式存在，方便进行处理。且无论是子系统单独分析、或是装配分析时，均能保留良好的连接关系。

在 HyperWorks 中创建连接关系

1、在以 Assembly-Component 形式组织的模型中创建连接关系

生成 Connector Controls

通过点击Controls图标，进入Connector Control Manager，初始状态是空白的，用户可以在下图左侧列表区处，右键创建新的Control，下图右侧展示了acm焊点的控制参数。在Connector Control Manager窗口的左上方，有几个文件保存导入的按钮，可用于控制文件的保存及复用。

Connector Control Manager 窗口

在Connector Control Manager中，可以设置点焊Point、螺栓Fastener、封焊Line、胶粘Area等的控制，需要注意的是，针对不同的连接关系，右侧控制参数也会相应变化。

我们再介绍下Hexa Nugget焊点控制的选项，该焊点的有限元表现为下图的形式：

Hexa Nugget焊点的焊核直径、热影响区内外径说明

Hexa Nugget 焊点的控制参数如下图所示，其中的HAZ全称为Heat Affected Zone，意为热影响区。这里需要注意Hexa Nugget因其HAZ需要网格重画，故对原始网格的要求较高，用户使用过程中需要着重对HAZ的参数调整尝试，以便顺利生成这种形式的焊点，下图中是推荐的参数设置。

因焊点种类繁多，此处不再赘述，用户可以在此界面按键盘上F1键，访问帮助文档查看详细介绍。焊缝、螺栓、胶粘等的控制参数类似。

帮助文档中控制参数说明相应位置

创建焊点的 Connector

这里我们演示下acm焊点的创建。点击Point图标，将呼出一个创建焊点的功能条。

点击Point图标

在功能条上，通过指定Node位置，指定控制文件为前步骤创建的控制文件spot-acm，将右下角的Realize勾选后，点击✔图标，即可在生成connector的同时生成连接关系的有限元单元。

焊点创建功能条

该工具条还有许多控制选项，点击左侧的三横条图标，如下图所示，可设置最大焊点层数，一般设置最大三层焊。其余参数默认即可。

acm焊点即创建完成，如下图所示。

acm焊点

焊缝、胶粘、螺栓等连接关系的创建类似。

在Connector面板中管理、修改连接关系

此时，我们通过点击connectors图标，打开connector面板，点击Point栏，可以看到出现一个类型为acm的焊点信息。其状态颜色为绿色，代表已经实现为有限元单元(realized)。点击这一行，栏目下方会出现该焊点的属性信息，如control，tolerance容差等。

Connector面板中的焊点信息

此时，若我们 Unrealize 该焊点，则状态图标显示为黄色，意为焊点未实现。右侧工作区中，焊点的有限元单元也同时消失，只剩下一个黄色的connector图形表示，该图形的大小可通过File => Preference => Appearance => Connectors => Size更改。

Unrealize 焊点

此时在左下方的焊点属性信息中，修改control为hexa nugget焊点控制。修改后我们右键焊点，点击Realize，即可按照新的控制选项生成新的焊点。

修改 control 及 Realize 后的焊点形式

Connector 的吸出（Absorb）

工作中经常碰到模型交换的步骤，比如有限元分析工程师会接收到其他部门或者其他公司发送的有限元文件，文件缺失了焊点的connector信息，仅包含了有限元单元信息。这时候我们需要用到吸出(Absorb)的功能，从焊点的有限元单元中吸出connector信息，便于统一处理。

吸出connector的图标

（Point图标右下角小圆柱） 

创建螺栓、焊缝及粘胶的Connector
前面介绍了焊点的Connector创建，这一节我们介绍其余常见的螺栓、焊缝及粘胶的Connector创建，主要看软件操作

使用焊点control生成焊缝（rbe3-cbar-rbe3类型）

在前文中，我们定义rbe3-cbar-rbe3形式的焊点，该类型其实也可以用于焊缝的连接模拟。

在Control Manager中新建一个spot的control，将type选为rbe3-cbar-rbe3；再将adjust option改为adjust realization，意为有限元单元生成困难时，修改连接位置，而不重画网格，这样设置对网格适应性较好，成功率高。

创建rbe3-cbar-rbe3的control（焊点类型）

此时，我们通过Point工具可以生成焊缝，具体操作可见下方录屏视频：

 

2、在以 Subsystem-Part 组织的模型中创建连接关系

HyperWorks支持按照BOM表的形式导入模型，并将模型按照Subsystem-Part形式组织，以使CAD和CAE的开发流程保持连续性。

本节演示生成一个模拟两块板之间的螺栓连接。

生成Connector Controls

首先生成attachment的control，目前支持两种形式：Rigid Patch及Rigid Spider。Rigid Patch即通过四边形单元填充孔洞，Rigid Spider即通过刚性单元填充孔洞

RigidPatch 的control设置

RigidSpider 的control设置

而后创建attachment connect的controls，设置如下：

类型选择bolt (general)时，将生成RBE2单元代替螺柱。

attachment connect 生成rbe2单元的control

类型选择bolt (cbar)时，将生成cbar单元代表的螺柱。

attachment connect 生成cbar单元的control

创建子系统边界上 attachment

此时，我们点击Connector工具条上的Attachment图标，选择washer上的任意节点，软件将自动搜索整圈节点并创建attachment，而后，选择control类型为rigidspider，点击三角形图标即可生成attachment。

创建子系统边界上的attachment-1

同样的，在下面的板上重复操作，从而对两个subsystem的界面点均创建了RigidSpider。

两个subsystem的界面生成形式为RigidSpider的attachment

创建子系统之间的 attachment connect

点击connector工具条下的connect图标，选择两个之前创建的attachment，选择control为rbe2，再点击三角形图标，即可生成RBE2形式的螺柱单元。

创建attachment connect

生成的RBE2形式的螺柱单元

同时注意到，在connector browser中，也出现了2个Attachment及1个Fastener。这里将attachment connect归类到了Faster中。

 

新型连接关系（attachment-attachment connect）的评价

常规的connector将螺栓连接创建为1个connector，在Subsystem-Part的模型组织形式中，将螺栓连接分为3个connector（即2个attachment及1个attachment connect），可以方便地实现子系统之间的连接解耦。

比如可以通过更改attachment connect的类型，将RBE2螺杆改为cbar螺杆，又如将模型很方便地组装或者拆除。

这种连接关系为模型装配带来了便捷性，但也有连接关系种类较少的局限性。

总结

在这两期文章中，我们介绍了 HyperWorks 中创建连接关系的功能：

介绍了工程上常见的连接关系及其有限元表达形式：焊点、螺栓、焊缝及胶粘；

介绍了HyperWorks软件的Connectors工具条；

演示了使用Connectors工具创建连接关系的方法。