黃翔

摘要：本文基于HyperMesh對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主要分析流程進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)定制，通過(guò)該開(kāi)發(fā)可有效提高仿真分析效率，提升仿真分析能力，為鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)積累必要設(shè)計(jì)分析經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：HyperMesh 鋼結(jié)構(gòu) 仿真流程 自動(dòng)化

0 引言

在鋼結(jié)構(gòu)仿真分析中，有限元前處理要占整個(gè)分析流程約80%的時(shí)間，而且分析結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于網(wǎng)格劃分和載荷工況的選取等，因此高性能的前處理可以大大縮短分析流程的時(shí)間及成本。在當(dāng)前企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)仿真分析中，由于沒(méi)有固定的分析流程和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前仿真分析人員的大部分時(shí)間都被花在了一些重復(fù)性工作上，效率不高；同時(shí)具有較多項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的仿真人員的經(jīng)驗(yàn)也無(wú)法很好地繼承下來(lái)并傳遞給新員工，這對(duì)企業(yè)都會(huì)造成浪費(fèi)并嚴(yán)重影響企業(yè)實(shí)力的提升。因此，鋼結(jié)構(gòu)仿真分析中常用結(jié)構(gòu)和連接的建模、加載等共性技巧和規(guī)范亟需固化下來(lái)。

為了達(dá)到該目標(biāo)，筆者利用通用的仿真前處理工具HyperMesh軟件來(lái)進(jìn)行仿真流程自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)二次開(kāi)發(fā)和定制。仿真流程自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要包括以下功能和內(nèi)容：①標(biāo)準(zhǔn)靜力學(xué)分析流程固化。②在自動(dòng)化平臺(tái)中可以實(shí)時(shí)調(diào)用管理企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料。③針對(duì)動(dòng)態(tài)分析等復(fù)雜流程建立半自動(dòng)化流程，并可以實(shí)時(shí)導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)載荷。④建立常用部件標(biāo)準(zhǔn)分析流程，在流程各個(gè)步驟中可以選擇模型和進(jìn)行參數(shù)修改。⑤建立常用連接的模型庫(kù)。

1 鋼結(jié)構(gòu)仿真流程自動(dòng)化設(shè)計(jì)

1.1 HyperMesh及其二次開(kāi)發(fā)技術(shù) HyperMesh是由Altair公司開(kāi)發(fā)的一款針對(duì)有限元主流求解器的高性能有限元前后處理軟件，能夠建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模型，與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能。該軟件因其優(yōu)秀的前處理技術(shù)被越來(lái)越多的鋼結(jié)構(gòu)分析人員使用。HyperMesh提供了多種開(kāi)發(fā)工具，使用戶能夠?qū)⒅芎玫剡\(yùn)用到現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)中。其主要的二次開(kāi)發(fā)工具包括：基本的宏命令、用戶化定制工具配置、HyperMesh界面輸出模塊、輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器、結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本仿真流程自動(dòng)化系統(tǒng)采用TCL/TK在HyperMesh中建立用戶化定制方案，并通過(guò)HyperMesh中調(diào)用Process Manager來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿真分析的自動(dòng)化流程。結(jié)構(gòu)仿真流程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能包括從模型導(dǎo)入到求解分析整個(gè)過(guò)程，將流程劃分為模型導(dǎo)入、幾何清理、網(wǎng)格劃分、連接導(dǎo)入、定義材料、單元類型設(shè)置、定義模板、加載和定義載荷步驟、求解和后處理等功能模塊。并實(shí)現(xiàn)功能模塊的集成以及整個(gè)分析流程的自動(dòng)化。因此，本仿真流程自動(dòng)化系統(tǒng)是根據(jù)功能將力學(xué)分析按照順序劃分為多個(gè)功能模塊，用以指導(dǎo)用戶逐步地完成分析，各功能模塊分別具有獨(dú)立的功能。本系統(tǒng)采用UML（統(tǒng)一模型語(yǔ)一言工具）進(jìn)行需求分析和軟件框架開(kāi)發(fā)方案的系統(tǒng)分析。

1.3 仿真流程自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.3.1 基本仿真流程定制。模型輸入模塊主要功能是從建立的模型數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入連接部件幾何模型。因?yàn)樽詣?dòng)化流程系統(tǒng)采用主連接器文件或宏文件的形式對(duì)部件進(jìn)行連接，這就要求導(dǎo)入模型的ID值與文件必須相對(duì)應(yīng)，因此在導(dǎo)入模型的同時(shí)也必須賦予部件相應(yīng)的ID值。定義材料采用的方式與模型導(dǎo)入類似，從建立好的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入各種材料屬性。單元統(tǒng)一按Optistruct來(lái)定義，針對(duì)不同求解器列出相應(yīng)單元名稱。不同的分析類型需不同的求解設(shè)置，因此首先進(jìn)行分析類型的選擇，選定后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)求解類型的子流程中進(jìn)行求解設(shè)置和載荷步設(shè)定。在子流程中采用自動(dòng)與手動(dòng)兩種方式實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)方式在流程界面中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置即可，手動(dòng)方式將在流程中設(shè)計(jì)一個(gè)引導(dǎo)程序，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到HyperMesh中相關(guān)界面進(jìn)行設(shè)置，各求解類型子流程中根據(jù)不同求解類型進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

1.3.2 連接方式定制。各種機(jī)械連接的仿真一直是鋼結(jié)構(gòu)有限元分析的一個(gè)難點(diǎn)，需要行業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能試驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。本文主要以焊接球連接以及螺栓連接為例進(jìn)行說(shuō)明?？p焊相對(duì)于點(diǎn)焊要容易處理，縫焊焊縫的模擬方法通常采用以下方式：①三維實(shí)體單元模擬焊縫幾何形狀。②幾何連接。③節(jié)點(diǎn)耦合。把焊縫連接的幾何體的相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)直接耦合連接。④梁?jiǎn)卧驐U單元模擬焊縫連接。螺栓連接由于存在預(yù)緊力與接觸面間的摩擦力，螺栓連接使有限元模擬變得復(fù)雜。由于算法與計(jì)算規(guī)模的限制，在螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的有限元分析中，常常采用簡(jiǎn)化模型。簡(jiǎn)化模型從整體結(jié)構(gòu)承載出發(fā)，給出了有限元仿真中螺栓聯(lián)接的簡(jiǎn)化方法：①螺栓聯(lián)接的兩部件的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)融合成一個(gè)節(jié)點(diǎn)。②彈簧元模擬螺栓。③采用桿單元與梁?jiǎn)卧B接。

2 總結(jié)和討論

本文基于HyperMesh進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)仿真分析的二次開(kāi)發(fā)，制定客戶化的仿真流程。在本文的客戶化制定中，對(duì)于一般力學(xué)分析類型，進(jìn)行了統(tǒng)一的流程規(guī)范，通過(guò)該定制可以使得分析人員從重復(fù)工作中解脫出來(lái)，提高分析效率。通過(guò)客戶化定制，將日常工程工作中常用的載荷曲線，典型材料等加入到了軟件中，可以即時(shí)調(diào)用，從而大大提高了分析的效率和能力。另外，對(duì)于復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析，一般分析之前需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析或者叫經(jīng)驗(yàn)分析，在本客戶化定制中，對(duì)于獲得實(shí)踐驗(yàn)證的典型結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了流程固化，從而大大降低了復(fù)雜問(wèn)題分析中不同分析人員之間的能力差異所造成的影響。該分析流程固化的標(biāo)準(zhǔn)制定是針對(duì)不同鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而進(jìn)行的，同時(shí)需要結(jié)合工程實(shí)踐長(zhǎng)期積累總結(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勝蘭等.基于Hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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