LU Tian-yu, KONG Xiao

0 引言

在一般CAE分析過(guò)程中，前處理過(guò)程一直是占用時(shí)間最多的環(huán)節(jié)，一般均大于70%，而且大多數(shù)情況是手動(dòng)操作、重復(fù)操作。因此，如果能夠通過(guò)二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出一套CAE分析標(biāo)準(zhǔn)流程，必然能夠提升CAE工程師的工作效率，大大縮短工作時(shí)間。另外，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的流程自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠固定分析流程與規(guī)范，使得計(jì)算結(jié)果得到較高的一致性，適合在企業(yè)里推廣。

HyperWorks 是一個(gè)高度開(kāi)放性的 CAE平臺(tái)，用戶根據(jù)自己的需求可以有多種途徑編制自動(dòng)化程序。 HyperWorks CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)依托于多種工具，包括Process Manager、Process Studio、Tcl/Tk語(yǔ)言、HTML語(yǔ)言以及HyperWorks所提供的功能函數(shù)等[1]。

本文將介紹用于主模型底座分析及優(yōu)化而編制的流程自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助于HyperWorks的二次開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)調(diào)用編譯的TCL程序，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)主模型底座分析以及優(yōu)化。

1 TCL語(yǔ)言介紹

TCL語(yǔ)言是一種很通用的腳本語(yǔ)言，它幾乎在所有的平臺(tái)上都可以解釋運(yùn)行，功能強(qiáng)大。主要用于發(fā)布命令給一些交互程序如文本編輯器、調(diào)試器和shell。它有一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)法和很強(qiáng)可擴(kuò)充性，可以創(chuàng)建新的過(guò)程以增強(qiáng)其內(nèi)建命令的能力。

另外，TCL可以被嵌入應(yīng)用程序，TCL的庫(kù)包含了一個(gè)分析器、用于執(zhí)行內(nèi)建命令的例程和可以使你擴(kuò)充（定義新的過(guò)程）的庫(kù)函數(shù)。應(yīng)用程序可以產(chǎn)生TCL命令并執(zhí)行，命令可以由用戶產(chǎn)生，也可以從用戶接口的一個(gè)輸入中讀?。ò粹o或菜單等）[2]。

由于其功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易學(xué)，故TCL經(jīng)常被用于快速原型開(kāi)發(fā)、腳本編程、GUI和測(cè)試等方面。

2 檢具底座CAE分析流程概述

圖1為某檢具底座有限元分析模型，本文中針對(duì)該檢具底座進(jìn)行的CAE分析主要為線性靜態(tài)分析和模態(tài)分析，線性靜態(tài)分析的目的是研究檢具底座在承受上部檢具重量時(shí)底座所發(fā)生的變形，模態(tài)分析的目的是為了得到底座的固有頻率，為了防止在運(yùn)輸過(guò)程中由于發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，底座的固有頻率須高于通常交通工具運(yùn)輸?shù)幕l20Hz[3]。

圖1 底座有限元模型

在進(jìn)行了CAE分析之后，考慮到檢具底座在原有方案中存在的比較笨重的缺陷，采用HyperWorks軟件的尺寸優(yōu)化功能對(duì)底座某些壁厚參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的目的。

3 CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

針對(duì)上文所說(shuō)的CAE分析過(guò)程，本文中的CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了若干個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。下面將介紹本文中的流程自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方式。

3.1 HyperWorks CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文中的CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)主要分為兩大部分：前處理模塊以及尺寸優(yōu)化模塊。

其中，前處理模塊的作用是對(duì)從CAD軟件中導(dǎo)入的幾何文件進(jìn)行處理，主要包括幾何清理、網(wǎng)格劃分，邊界條件設(shè)定等，其目的是建立有限元分析模型，從而進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能分析。對(duì)于本文中所述的檢具底座CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，靜態(tài)性能分析目的是模擬底座在承受其上部分檢具重量情況下發(fā)生的變形；動(dòng)態(tài)性能分析是計(jì)算底座固有頻率，防止結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸過(guò)程中由于發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。

尺寸優(yōu)化模塊的作用是對(duì)底座進(jìn)行尺寸優(yōu)化，在控制最大位移的前提下，進(jìn)行輕量化工作，最終使其重量達(dá)到最小。

CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)的界面如圖2所示，本系統(tǒng)以流程樹(shù)的形式在HyperWorks界面中顯示，針對(duì)流程樹(shù)中的每一個(gè)步驟，都會(huì)有相應(yīng)的面板與其對(duì)應(yīng)。下面將會(huì)介紹流程樹(shù)功能模塊的設(shè)計(jì)方法。

圖2 CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)界面

3.2 功能模塊的設(shè)計(jì)

3.2.1 前處理模塊的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行底座有限元分析的實(shí)際應(yīng)用中，前處理是CAE分析中占用時(shí)間最長(zhǎng)的步驟，前處理工作完成的質(zhì)量對(duì)結(jié)果有著很重要的影響。因此，如果能夠快速準(zhǔn)確地完成前處理工作將大大提高工作效率和工作質(zhì)量。一個(gè)完整的前處理流程包括對(duì)底座模型進(jìn)行幾何清理、建立材料和組件集、網(wǎng)格劃分。其流程圖如圖3所示。

圖3 前處理流程圖

在實(shí)際工作中，操作人員只需要用到HyperMesh眾多功能的某幾項(xiàng)功能，在尋找這些功能面板時(shí)，需要尋找多次，進(jìn)行多次點(diǎn)擊才能定位這些功能面板。這樣就大大增加了工作時(shí)間，效率低下。再者，考慮到實(shí)際操作過(guò)程中可能存在操作不規(guī)范的現(xiàn)象，容易造成重復(fù)操作或者誤操作。因此，前處理模塊的設(shè)計(jì)目的就在于解決這些問(wèn)題。

模塊功能的實(shí)現(xiàn)，主要采用兩種形式：自定義功能面板和調(diào)用HyperMesh原有功能面板。

1）自定義功能面板

以創(chuàng)建材料屬性功能為例。在HyperMesh中，正常的創(chuàng)建材料屬性的步驟為：選擇“Materials”下拉菜單，點(diǎn)擊“creat”，然后彈出材料面板，接著在面板的“name”欄輸入材料名稱(chēng)，選擇材料類(lèi)型為“ISOTROPIC”，選擇材料卡片為“MAT1”，然后點(diǎn)擊“creat/edit”，最后在彈出菜單中輸入材料的彈性模量、泊松比和密度。這樣一個(gè)過(guò)程是比較繁瑣的。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)快捷材料創(chuàng)建面板，如圖4所示。

圖4 材料創(chuàng)建面板

此材料創(chuàng)建面板主要有三個(gè)功能，首先是創(chuàng)建自定義材料屬性和名稱(chēng)，即用戶只在文本框中需輸入材料名稱(chēng)和材料屬性，點(diǎn)擊“creat material”，就能自動(dòng)完成材料創(chuàng)建工作；其次就是一鍵式材料創(chuàng)建，針對(duì)企業(yè)中檢具底座的材料，設(shè)計(jì)了兩個(gè)一鍵式創(chuàng)建按鈕，只需點(diǎn)擊此按鈕，就能快速創(chuàng)建這兩種材料，無(wú)需任何其他操作，這樣就大大方便了材料屬性創(chuàng)建工作，通過(guò)事先設(shè)定好材料屬性，也杜絕了由于輸錯(cuò)數(shù)據(jù)而造成的操作失誤，圖5為已經(jīng)創(chuàng)建好的Q235鋼的材料屬性卡片；最后就是材料查看功能，通過(guò)該功能，用戶能夠查看已經(jīng)創(chuàng)建好的材料，同時(shí)也支持刪除材料功能，該功能的面板如圖6所示，此功能是通過(guò)運(yùn)行HyperMesh自帶腳本文件實(shí)現(xiàn)的。

圖5 Q235材料屬性卡片

圖6 材料查看面板

由此可以看出，通過(guò)使用自定義面板，能快速實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能，免去了很多繁瑣的工作，為操作人員節(jié)約了大量時(shí)間，提高了工作效率，同時(shí)杜絕了一些意外的操作失誤發(fā)生。

2）調(diào)用原有面板

在HyperMesh中，部分面板功能已經(jīng)非常簡(jiǎn)潔，操作起來(lái)也是比較方便，對(duì)于這樣的面板，只需要建立一個(gè)調(diào)用按鈕，直接調(diào)用該面板。

HyperMesh中某個(gè)面板的功能主要是通過(guò)這兩個(gè)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的：hm_callpanel panelName、hm_setpanelproc ProcName，其中參數(shù)panelName是要被調(diào)用的面板名稱(chēng)，參數(shù)ProcName是包括了hm_callpanel命令的“過(guò)程”名稱(chēng)[4]。例如要調(diào)用solids面板的代碼示例是：

proc ::callsolid {} {

hm_callpanel solids

return

}

hm_setpanelproc callsolid

調(diào)用HyperMesh原有面板后，可以利用此面板上HyperMesh提供的所有操作，比自己定義功能全面、強(qiáng)大。

以上兩個(gè)例子說(shuō)明了前處理模塊是如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，可以看出，通過(guò)使用CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)，大大減少了前處理所需要的時(shí)間，與傳統(tǒng)方式相比，有較大簡(jiǎn)化，同時(shí)通過(guò)命令的集成，減少了人工參與，降低了出錯(cuò)的可能性。另外，此系統(tǒng)對(duì)操作人員的要求不高，只需要根據(jù)系統(tǒng)的提示進(jìn)行操作，有一定CAE分析基礎(chǔ)的人員均可輕松完成整個(gè)分析流程。

3.2.2 尺寸優(yōu)化模塊的設(shè)計(jì)

尺寸優(yōu)化模塊的設(shè)計(jì)與前處理類(lèi)似，通過(guò)自定義面板和調(diào)用面板結(jié)合的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)底座模型進(jìn)行尺寸優(yōu)化。利用HyperWorks進(jìn)行尺寸優(yōu)化的步驟如圖7所示。

圖7 尺寸優(yōu)化流程

在進(jìn)行底座尺寸優(yōu)化時(shí)，選取了底座某點(diǎn)的位移響應(yīng)，將其作為優(yōu)化約束條件，即最大位移在一定范圍內(nèi)，選取底座總體積作為體積響應(yīng)，將其作為目標(biāo)函數(shù)，以達(dá)到體積最小化的目標(biāo)。這些步驟在尺寸優(yōu)化模塊中均可以方便得實(shí)現(xiàn)。

4 CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

對(duì)某檢具底座進(jìn)行靜力分析及模態(tài)分析，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加載。在前處理過(guò)程中，幾何導(dǎo)入、幾何清理，網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建邊界條件等一系列功能均在系統(tǒng)中完成。只要按照流程樹(shù)的引導(dǎo)，每一步完成之后點(diǎn)擊“next”，就可以一步一步順利得完成整個(gè)前處理工作。圖8為網(wǎng)格劃分界面，軟件會(huì)提示用戶選擇需要?jiǎng)澐值拿娌⑤斎刖W(wǎng)格尺寸，就可以完成網(wǎng)格劃分。圖9為分析卡片創(chuàng)建界面，只要將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸入文本框中，點(diǎn)擊“creat”就可完成創(chuàng)建工作。圖10為工況創(chuàng)建界面，用戶可以瀏覽已經(jīng)建立的載荷集合器，然后將他們組合成實(shí)際的工況。最終建立好的分析模型如圖11所示，只要將其提交至求解器，就能完成整個(gè)分析過(guò)程，得到分析結(jié)果。由此可見(jiàn)，通過(guò)使用該系統(tǒng)，將大大縮短進(jìn)行前處理的實(shí)際，全面提高工作效率。

圖8 網(wǎng)格劃分

圖9 分析卡片創(chuàng)建界面

圖10 工況創(chuàng)建界面

圖11 最終完成的分析模型

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)HyperWorks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，針對(duì)企業(yè)實(shí)際情況開(kāi)發(fā)的CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)，可以大幅度提升工作效率，同時(shí)減少人工參與，降低出錯(cuò)概率。同時(shí)，通過(guò)引導(dǎo)式的操作以及高度集成化的命令，降低了進(jìn)行分析工作的難度，只要按照提示可以輕松完成整個(gè)操作流程。

[1] 張勝蘭,鄭科黎,等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)技術(shù)(第1版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 奧斯德奧特,瓊斯.Tcl/Tk入門(mén)經(jīng)典(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[3] 劉乘,盧杰,陳滿儒.運(yùn)輸包裝件振動(dòng)特性的計(jì)算機(jī)仿真[J].包裝工程,2002,(4).

[4] HyperMesh,OptiStruct and Batch Mesher.Altair HyperWorks Help[CP/OL]2007.