董迎暉, 余 晗

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于HyperWorks的參數(shù)化有限元分析平臺(tái)研究

董迎暉, 余 晗

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

針對(duì)HyperWorks軟件在進(jìn)行有限元分析時(shí)存在的操作復(fù)雜、容易出錯(cuò)以及分析者培訓(xùn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題,文章運(yùn)用VB.NET語(yǔ)言和HyperWorks提供的接口函數(shù),基于HyperWorks軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),結(jié)合多種CAE軟件的二次開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),開(kāi)發(fā)出一個(gè)全中文環(huán)境的軸類(lèi)零件參數(shù)化有限元分析CAE流程自動(dòng)化平臺(tái)。在該參數(shù)化有限元分析平臺(tái)中,能夠快速完成軸類(lèi)零件的參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分、選擇材料以及邊界處理等前處理,然后對(duì)其求解及后處理；以某軸類(lèi)零件靜力學(xué)分析為例,運(yùn)用該平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析,驗(yàn)證該參數(shù)化有限元分析平臺(tái)具有流程自動(dòng)化、引導(dǎo)式等特點(diǎn),能夠提高軸類(lèi)零件的設(shè)計(jì)效率。

參數(shù)化;靜力學(xué)分析;VB.NET語(yǔ)言;HyperWorks二次開(kāi)發(fā);軸類(lèi)零件

HyperWorks 軟件是一款在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和分析中廣泛應(yīng)用的大型通用CAE仿真軟件,為用戶(hù)提供了強(qiáng)大的前后處理能力和多領(lǐng)域的計(jì)算分析功能,同時(shí)集成了多種設(shè)計(jì)與分析工具,具有強(qiáng)大的性能和高度的開(kāi)放性,能夠?qū)崿F(xiàn)與主流分析軟件如ANSYS、 Nastran和Abquas等求解器的無(wú)縫連接[1],為縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期,降低制造成本,提高產(chǎn)品可靠性提供了強(qiáng)有力的工具[2]。因?yàn)锳NSYS和HyperWorks等CAE軟件功能全面、分析步驟較多,所以不容易被掌握,技術(shù)人員在使用這些CAE軟件時(shí)容易出錯(cuò),造成不必要的麻煩和損失,不利于企業(yè)已有使用經(jīng)驗(yàn)的傳承。同時(shí)不同的技術(shù)人員在使用CAE軟件時(shí),根據(jù)模型特點(diǎn)、設(shè)計(jì)以及分析需求對(duì)軟件功能有不同的需求,在工作中往往會(huì)存在一些相似、繁瑣、重復(fù)的操作,這就需要花費(fèi)大量的人力。而為了CAE軟件的使用能夠高效、實(shí)用、貼近生產(chǎn),大部分CAE軟件提供了豐富的二次開(kāi)發(fā)接口。目前,已有一些學(xué)者對(duì)ANSYS和HyperWorks做了一些研究和開(kāi)發(fā)。文獻(xiàn)[3]基于ANSYS對(duì)大橋橋梁裝配設(shè)備的參數(shù)化設(shè)計(jì)和分析,提升了大橋橋梁裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)速度;文獻(xiàn)[4]針對(duì)汽車(chē)檢具底座動(dòng)態(tài)、靜態(tài)分析以及尺寸優(yōu)化開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)流程,在減少人工成本的同時(shí)大幅提高了工作效率,該流程側(cè)重于前處理過(guò)程;文獻(xiàn)[5]結(jié)合企業(yè)的研發(fā)流程和CAE分析經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用HyperWorks軟件平臺(tái)下的各種開(kāi)發(fā)工具,開(kāi)發(fā)出CAE后處理流程化平臺(tái),為企業(yè)CAE 分析人員提供了專(zhuān)業(yè)、可靠和高效的后處理分析工具。

軸是組成機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要零件,是支撐軸上零件、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的關(guān)鍵部件,機(jī)器的工作能力和工作質(zhì)量在很大程度上都與軸有關(guān),軸一旦失效,可能造成嚴(yán)重后果[6]。因此在軸類(lèi)零件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,CAE分析十分必要。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文以軸類(lèi)零件的靜力學(xué)分析為對(duì)象,運(yùn)用VB.NET語(yǔ)言和HyperWorks提供的Tcl API函數(shù)對(duì)HyperWorks 12.0進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)出軸類(lèi)零件參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)采用參數(shù)化仿真方法實(shí)現(xiàn)了軸類(lèi)零件的參數(shù)化建模,固化了軸類(lèi)零件的CAE分析流程,引導(dǎo)用戶(hù)快速地完成CAE分析的前處理和有限元分析的過(guò)程,并得到分析結(jié)果,以達(dá)到簡(jiǎn)化分析流程、節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和避免人為錯(cuò)誤的目的,減少了設(shè)計(jì)成本,有利于多重型號(hào)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),同時(shí)也為HyperWorks的繼續(xù)開(kāi)發(fā)提供參考。

1 參數(shù)化靜力學(xué)分析平臺(tái)開(kāi)發(fā)原理

通過(guò)對(duì)HyperWorks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)得到的軸類(lèi)零件參數(shù)化靜力學(xué)分析系統(tǒng),在工作時(shí)是通過(guò)對(duì)軸類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)特征與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行修改與處理,再?gòu)暮笈_(tái)調(diào)用建模軟件HyperMesh和CAE分析軟件Radioss,對(duì)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)更新并做相應(yīng)分析,從而得到相應(yīng)的結(jié)果文件。

軸類(lèi)零件參數(shù)化靜力學(xué)分析系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。具體過(guò)程為:首先用戶(hù)通過(guò)在參數(shù)化系統(tǒng)平臺(tái)相應(yīng)的工作界面中輸入軸的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)參數(shù)化系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)輸入?yún)?shù)生成相應(yīng)的建模命令流并同步到數(shù)據(jù)庫(kù)中,根據(jù)需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的命令流,將其寫(xiě)到.tcl格式的命令流文件中；然后參數(shù)化系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)調(diào)用HyperMesh 12.0軟件并讀取.tcl命令流文件,生成并更新參數(shù)化模型,同時(shí)輸出新的結(jié)構(gòu)模型文件,并在該系統(tǒng)平臺(tái)中顯示出該模型圖片；在選擇合適的材料、約束、載荷等工作條件和生成結(jié)果文件的路徑后,即可調(diào)用求解器進(jìn)行分析,并將分析結(jié)果文件輸出，保存到用戶(hù)指定的路徑下。

圖1 軸類(lèi)零件參數(shù)化靜力學(xué)分析系統(tǒng)的工作原理

2 參數(shù)化靜力學(xué)分析平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 參數(shù)化模型建立

在軸類(lèi)零件中,為了加工方便或美觀要求而設(shè)置的凹槽、凸臺(tái)、過(guò)渡圓角以及倒角等在承載時(shí)對(duì)軸的影響很小,在建模過(guò)程中一般不予考慮[7],因此,可以根據(jù)軸的各軸段直徑和長(zhǎng)度進(jìn)行建模。

參數(shù)化建模流程如圖2所示。根據(jù)軸的各軸段直徑和長(zhǎng)度等相關(guān)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù),在系統(tǒng)平臺(tái)工作界面中輸入各軸段的直徑和長(zhǎng)度(可通過(guò)將某軸段的直徑或長(zhǎng)度設(shè)為0或者不輸入來(lái)改變軸的段數(shù),此處軸最多有10段),軸類(lèi)零件參數(shù)化靜力學(xué)分析系統(tǒng)將根據(jù)前臺(tái)輸入的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的命令流,將其同步到數(shù)據(jù)庫(kù)中。程序代碼如下:

txtDll.OverrideSingle("SolidCone10.tcl","*solidcone 0 0 " & L09 & "2 0 0 0 0 2 " & Val(txtD10.Text)/2 & " " & Val(txtD10.Text)/2 & " 1 0 360 " & Val(txtL10.Text))

其中,OverrideSingle為實(shí)現(xiàn)命令流的讀、寫(xiě)而編寫(xiě)的類(lèi)txtClass.dll中的一個(gè)函數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)以覆蓋的形式寫(xiě)入一行數(shù)據(jù);類(lèi)txtClass.dll中的函數(shù)還有AddSingle、AddMultiple、OverrideMultiple、ReadText以及DeleteOneRow;SolidCone10.tcl為數(shù)據(jù)庫(kù)中參數(shù)化建模命令流文件; Val(txtD10.Text)、Val(txtL10.Text)、L09為變量,根據(jù)前臺(tái)用戶(hù)輸入的不同設(shè)計(jì)參數(shù)而改變。

圖2 參數(shù)化建模流程

從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用所需要的構(gòu)建模型的命令流,將其寫(xiě)到Shaft-Solid.tcl命令流文件中,為后面調(diào)用HyperMesh 12.0、讀取Shaft-Solid.tcl命令流文件、實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模做準(zhǔn)備。程序代碼如下:

My.Computer.FileSystem.WriteAllText("Shaft-Solid.tcl", Cone1 & … & Cone10, True, System.Text.Encoding.ASCII)

在生成完整的建模命令流Shaft-Solid.tcl后,通過(guò)VB.NET中的Shell函數(shù)調(diào)用HyperMesh 12.0、讀取Shaft-Solid.tcl命令流文件、實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模,得到模型文件和模型顯示。程序代碼如下:

Shell("D:Program FilesAltair12.0hwinwin64hw.exe-clientconfig hwfepre.dat-uRadiossBulkData-b-tcl Shaft-Solid.tcl", vbNormalFocus)

其中,D:Program FilesAltair12.0hwinwin64hw.exe為HyperWorks 12.0軟件的工作路徑(不同使用者可以將HyperWorks安裝在不同的路徑下,可根據(jù)自己的安裝情況進(jìn)行設(shè)定);-clientconfig hwfepre.dat、-uRadiossBulkData、-tcl以及-b均為HyperWorks的啟動(dòng)選項(xiàng);-clientconfig hwfepre.dat為啟動(dòng)HyperWorks中的HyperMesh;-uRadiossBulkData為啟動(dòng)HyperMesh的同時(shí)設(shè)定用戶(hù)配置文件Radioss-BulkData;-b為對(duì)HyperMesh 12.0進(jìn)行后臺(tái)調(diào)用,即在整個(gè)調(diào)用HyperMesh 12.0時(shí),不出現(xiàn)它的運(yùn)行界面,只是小窗體顯示其在運(yùn)行計(jì)算中;-tcl Shaft-Solid.tcl為讀取運(yùn)行.tcl格式命令流文件,-tcl后面可以接指定的.tcl格式文件路徑,但是此處Shaft-Solid.tcl就在調(diào)用的HyperMesh 12.0工作路徑下,因此不需要指定具體路徑。

2.2 參數(shù)化材料選擇

在靜力學(xué)分析過(guò)程中,可以通過(guò)密度、楊氏彈性模量和泊松比來(lái)確定模型的材料屬性[8]。在該系統(tǒng)平臺(tái)中提供了鋼、黃銅、硬鋁250、超硬鋁LC4共4種常用材料供用戶(hù)選擇,另外還提供了自定義選項(xiàng),通過(guò)設(shè)置材料的密度、楊氏彈性模量以及泊松比來(lái)確定自定義材料屬性的選項(xiàng)。

用戶(hù)在系統(tǒng)平臺(tái)中設(shè)置所需要的材料。如果用戶(hù)設(shè)置的材料是在系統(tǒng)平臺(tái)中選擇的,那么系統(tǒng)直接將定義該材料的材料屬性命令流寫(xiě)入.tcl命令流文件中;如果是自定義的材料,那么系統(tǒng)首先將材料的密度、楊氏彈性模量、泊松比同步到材料屬性的數(shù)據(jù)庫(kù)中,然后再將其寫(xiě)入.tcl命令流文件中。

2.3 約束和載荷設(shè)置

在對(duì)軸進(jìn)行線性靜力學(xué)分析的過(guò)程中,通過(guò)對(duì)軸自由度進(jìn)行約束和在軸上不同位置施加載荷,獲得軸在受到不同約束和不同位置及大小載荷的情況下軸的受力和變形,以確定軸的可靠性。

設(shè)置約束和載荷流程如圖3所示。

圖3 設(shè)置約束和載荷流程

由圖3可知,建立約束和載荷的方法與參數(shù)化建模的方法類(lèi)似,通過(guò)對(duì)軸類(lèi)零件參數(shù)化靜力學(xué)分析系統(tǒng)平臺(tái)中不同復(fù)選按鈕的勾選來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸端不同方向上的自由度進(jìn)行約束,通過(guò)點(diǎn)到軸左端面距離的設(shè)定來(lái)確定施力加載荷的位置,輸入在X、Y、Z方向上點(diǎn)受到的載荷的大小,生成定義約束以及載荷方向與大小的命令流,同時(shí)同步到數(shù)據(jù)庫(kù)中,然后再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用將其寫(xiě)到.tcl命令流文件中,為后面調(diào)用HyperMesh 12.0生成.fem求解器文件做準(zhǔn)備。

2.4 求解并保存

與調(diào)用HyperMesh 12.0參數(shù)化建模類(lèi)似,在得到.fem求解器文件后,使用VB.NET中的Shell函數(shù)調(diào)用Radioss求解。程序代碼如下:

Shell("D:Program FilesAltair12.0hwsolversscripts adioss.bat-dir" & " " & txtFilePathOpenFEM.Text & " " & "-outfile" & " " & txtFilePathSaveH3D.Text & "" & txtFileNameSaveH3D.Text, vbNormalFocus)

其中,D:Program FilesAltair12.0hwsolversscripts adioss.bat為Radioss軟件的工作路徑;-dir和-outfile為Radioss的啟動(dòng)選項(xiàng),-dir指示.fem求解器文件路徑,-outfile指示生成結(jié)果文件路徑。若起始路徑或結(jié)果文件路徑是默認(rèn)的,則不需要設(shè)置,通過(guò)VB.NET中的If…Else…語(yǔ)句將其調(diào)用方式設(shè)置如下:

Shell("D:Program FilesAltair12.0hwsolversscripts adioss.bat Shaft.fem", vbNormalFocus)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于以上技術(shù)原理,利用有限元分析軟件HyperWorks 12.0的底層開(kāi)發(fā)接口函數(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),運(yùn)用VB.NET搭建出軸類(lèi)零件參數(shù)化靜力學(xué)分析系統(tǒng)平臺(tái),其基本操作界面如圖4所示,主要由流程控制區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)和示圖說(shuō)明區(qū)3個(gè)工作區(qū)域組成。

圖4 參數(shù)化建模界面

以某蝸桿軸的靜力學(xué)分析為例,根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)軸模型、選擇材料以及施加約束與載荷,然后求解得到分析結(jié)果。

(1) 參數(shù)化建模。在參數(shù)設(shè)置區(qū)輸入該蝸桿軸每段軸的直徑和長(zhǎng)度,示圖說(shuō)明區(qū)在圖形上對(duì)參數(shù)設(shè)置區(qū)的尺寸進(jìn)行標(biāo)注(見(jiàn)圖4)。

(2) 選擇材料。在參數(shù)設(shè)置區(qū)選擇材料,或者根據(jù)材料的密度、楊氏模量以及泊松比自定義材料,示圖說(shuō)明區(qū)實(shí)時(shí)更新顯示用戶(hù)在設(shè)定軸幾何參數(shù)后的模型,如圖5所示。

圖5 模型選擇材料界面

(3) 施加約束和載荷。在參數(shù)設(shè)置區(qū)對(duì)模型施加約束,同時(shí)參照示圖說(shuō)明區(qū)的提示在模型相應(yīng)位置上施加載荷,如圖6所示。

圖6 模型施加約束和載荷界面

(4) 求解保存。在求解保存下設(shè)置結(jié)果文件保存路徑和結(jié)果文件名,以便能夠容易地找到結(jié)果文件,如圖7所示。在觸發(fā)開(kāi)始求解按鈕后開(kāi)始求解。

圖7 求解保存界面

通過(guò)HyperView可以查看保存路徑下的結(jié)果文件,如圖8所示,其中，圖8a為該蝸桿軸受到靜載荷后的應(yīng)力云圖；圖8b為相應(yīng)的位移云圖。

圖8 分析結(jié)果

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用VB.NET語(yǔ)言和HyperWorks中的Tcl API函數(shù)對(duì)HyperWorks 12.0進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),得到一個(gè)軸類(lèi)零件參數(shù)化靜力學(xué)分析系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化建模和分析,固化了分析流程,并以實(shí)例驗(yàn)證,得到如下結(jié)論。

(1) 該系統(tǒng)平臺(tái)經(jīng)過(guò)封裝,可以不依賴(lài)于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,運(yùn)行環(huán)境為Windows 7(64位)及以上系統(tǒng)(只要安裝有.NET Framework 4.5及以上版本)和Altair HyperWorks 12.0。

(2) 該系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了軸類(lèi)零件靜力學(xué)分析前處理過(guò)程的參數(shù)化,使得用戶(hù)得以從建模、劃分網(wǎng)格以及設(shè)置屬性等繁瑣、重復(fù)的CAE分析前處理中解放出來(lái)。

(3) 該系統(tǒng)平臺(tái)固化了軸類(lèi)零件的靜力學(xué)分析知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了分析流程自動(dòng)化,避免了分析人員在使用HyperWorks 12.0時(shí)會(huì)出現(xiàn)的失誤。

(4) 該系統(tǒng)平臺(tái)操作簡(jiǎn)單,并且是全中文操作界面,降低了分析人員的技術(shù)門(mén)檻。

[1] 曹文鋼,范超.基于HyperWorks的CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(1):16-21.

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Research on parameterized FEM analysis platform based on HyperWorks

DONG Yinghui, YU Han

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

VB.NET language and the API functions which is provided by HyperWorks are used to solve the problem that HyperWorks is so complex that the users usually make mistakes and need to be trained for a long time. A Chinese parameterized and automated FEM analysis platform is developed for statics analysis of shaft parts based on various re-development experience of CAE software and re-development of HyperWorks. In the FEM analysis platform, the parameterized modeling, grid division and material selection can be made quickly as well as the boundary condition defined and the result solved and found. The statics analysis of a shaft parts is conducted by the FEM analysis platform and the result verifies that the parameterized FEM analysis platform has the properties such as automated process and guided analysis, and it can improve the efficiency of shaft parts design.

parameterization; statics analysis; VB.NET language; re-development of HyperWorks; shaft parts

2015-12-02；

2016-03-07

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(090414161)

董迎暉(1969-),女,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.003

TP391.9

A

1003-5060(2017)04-0443-05