周程+鄭松林

摘 要：在碰撞仿真分析中，整車建模過(guò)程繁瑣。導(dǎo)入整車幾何模型后，運(yùn)用HyperMesh建立有限元網(wǎng)格模型時(shí)，需要判斷零件是否需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格并進(jìn)行分類，應(yīng)用規(guī)范統(tǒng)一的命名規(guī)則并賦予相應(yīng)的材料厚度信息。對(duì)于整車級(jí)的零件來(lái)說(shuō)，手動(dòng)操作工作量大。介紹了基于HyperMesh二次開(kāi)發(fā)的整車自動(dòng)化建模系統(tǒng)，利用Tcl（Tool command language）腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了其中的零件重命名與信息賦予工具。最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證該工具相比手動(dòng)操作的時(shí)間效率提高近100倍，對(duì)減少重復(fù)性操作，保證建模準(zhǔn)確性，節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間具有重要意義。

關(guān)鍵詞：HyperMesh；二次開(kāi)發(fā)；Tcl語(yǔ)言；自動(dòng)化

DOIDOI：10.11907/rjdk.171242

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0070-03

0 引言

安全性能是汽車的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)搭建有限元整車模型進(jìn)行碰撞仿真分析來(lái)縮短研發(fā)周期和節(jié)約成本是目前主流車企的開(kāi)發(fā)手段。有限元分析分為前處理、求解計(jì)算、后處理3個(gè)環(huán)節(jié)。通常前后處理環(huán)節(jié)占據(jù)80%的工作量，直接影響了仿真分析的效率和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期[1] 。Altair HyperMesh是世界領(lǐng)先的針對(duì)有限元主流求解器的高性能前后處理器軟件，但其強(qiáng)大的通用性也使其操作流程分散瑣碎，與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)研發(fā)流程有一定差異。根據(jù)需求對(duì)HyperMesh進(jìn)行定制化的二次開(kāi)發(fā)，將軟件與企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程深度匹配，已成為行業(yè)內(nèi)的一種潮流。

本文針對(duì)整車仿真碰撞分析前處理過(guò)程，基于HyperMesh軟件的二次開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了針對(duì)零件自動(dòng)重命名以及材料厚度信息賦予的功能模塊，以適應(yīng)企業(yè)快速、準(zhǔn)確開(kāi)發(fā)需求。

1 二次開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 Tcl語(yǔ)言簡(jiǎn)介

Tcl語(yǔ)言是一種用于控制和擴(kuò)展應(yīng)用程序的腳本語(yǔ)言，適用于包括Windows，Unix，Macintosh等各種平臺(tái)[2]。Tcl的語(yǔ)法很簡(jiǎn)單，而且可以通過(guò)創(chuàng)建新的過(guò)程擴(kuò)展其功能。

Tcl語(yǔ)言具有快速開(kāi)發(fā)、無(wú)需編譯、功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，所以廣泛用于腳本編程、原型開(kāi)發(fā)和軟件二次開(kāi)發(fā)等方面。

1.2 命令流獲取

HyperMesh軟件的操作實(shí)際上是通過(guò)調(diào)用內(nèi)置API（Application Programming Interface）函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，所有對(duì)模型的操作都被記錄在command file文件中[3]，工程師可以訪問(wèn)command文件獲取相應(yīng)的命令流，并通過(guò)TCL語(yǔ)言對(duì)獲取的命令進(jìn)行整合重寫(xiě)，定制自己需要的腳本。

1.3 人機(jī)交互界面創(chuàng)建

Tk是Tcl語(yǔ)言的用于開(kāi)發(fā)圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface）應(yīng)用程序的工具集，可以快速建立方便用戶使用的自定義用戶界面。用戶也可以選擇使用HyperMesh內(nèi)置的HWTK GUI Toolkit實(shí)現(xiàn)相同的功能，且創(chuàng)建的界面與HyperMesh整體風(fēng)格更為一致。

使用自定義面板的優(yōu)勢(shì)在于可以將實(shí)現(xiàn)某一項(xiàng)功能的所有按鈕集成進(jìn)行個(gè)性化集成，快速實(shí)現(xiàn)該功能，既避免了面板切換的繁瑣操作，也杜絕了一些操作上的失誤，極大地提高工作效率。

2 整車自動(dòng)化建?；玖鞒?/p>

整車建模環(huán)節(jié)在碰撞仿真分析中屬于前處理環(huán)節(jié)，零件具有數(shù)量龐大、種類繁多、位置關(guān)系復(fù)雜、連接方式多樣的特點(diǎn)。工程師在進(jìn)行手動(dòng)整車建模時(shí)存在操作繁瑣、重復(fù)性大、耗費(fèi)工時(shí)長(zhǎng)、誤操作率高等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)發(fā)基于HyperMesh的整車基礎(chǔ)建模自動(dòng)化系統(tǒng)。

整車基礎(chǔ)建模自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求如下：

①建模參數(shù)化，建模輸入為BOM（Bill of Material）表等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)文件；

②建模標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)，保證模型質(zhì)量一致性，提高建模精度；

③建模流程化，對(duì)建模的每個(gè)階段進(jìn)行封裝，便于企業(yè)固化工程師的經(jīng)驗(yàn)；

④建模簡(jiǎn)易化，只需要一定的CAE基礎(chǔ)，就能夠勝任建模工作，對(duì)于使用者的門(mén)檻較低。自動(dòng)化建模基本流程如圖1所示。

從模型庫(kù)下載CATIA三維模型后，首先判斷零件是否為仿真分析所需零件（是否需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格），輸出擬劃分網(wǎng)格的零件列表及其負(fù)面清單。然后，為了確保仿真分析時(shí)操作規(guī)范、結(jié)果清晰，需要對(duì)擬劃分網(wǎng)格零件進(jìn)行重命名，格式為零件號(hào)_版本號(hào)_材料名_厚度，同時(shí)對(duì)重命名后的零件賦予材料和厚度信息。

待完成所有擬劃分網(wǎng)格零件重命名后，調(diào)用Batchmesher對(duì)其進(jìn)行批量網(wǎng)格劃分。將得到的有限元網(wǎng)格零件裝配，完成接觸設(shè)置，整車配重和模型設(shè)置后，用于碰撞仿真分析的整車模型即搭建完成。整個(gè)流程都通過(guò)基于HyperMesh的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，本文主要對(duì)其中的零件自動(dòng)重命名與信息賦予工具進(jìn)行介紹。

3 零件重命名與信息賦予工具介紹

3.1 常規(guī)操作

在HyperMesh中對(duì)零件進(jìn)行重命名操作如下：

操作界面左側(cè)的標(biāo)簽頁(yè)區(qū)域選Model標(biāo)簽，打開(kāi)模型樹(shù)，找到需要重命名的零件，并查看其所屬的assembly，選中并右擊rename選項(xiàng)，復(fù)制assembly的名字，然后選中需要重命名的零件，右鍵選擇rename選項(xiàng)，將復(fù)制的內(nèi)容粘貼到輸入框中。這樣就完成一次對(duì)單個(gè)零件的重命名操作，需要對(duì)鼠標(biāo)操作8次，對(duì)鍵盤(pán)操作2次。

對(duì)零件賦予材料以及厚度信息操作如下：

新建Property， 在prop name的輸入框中輸入對(duì)應(yīng)零件名稱，然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)選擇相應(yīng)的type ，card image選項(xiàng)，并在thickness輸入框中輸入厚度信息，完成Property的創(chuàng)建。新建Material，在mat name輸入框中輸入材料名稱，然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)選擇相應(yīng)的type， card image選項(xiàng)，隨后進(jìn)入card edit界面，輸入 E（彈性模量）、 Nu（泊松比）、Rho（密度）信息，完成材料創(chuàng)建。

點(diǎn)擊component按鈕，勾選update選項(xiàng)，點(diǎn)擊comps選項(xiàng)，選擇要賦予信息的component，點(diǎn)擊 property按鈕選擇上文創(chuàng)建的property，點(diǎn)擊material按鈕選擇對(duì)應(yīng)的材料，完成一次將材料與厚度信息賦予零件操作，需要操作鼠標(biāo)30次，鍵盤(pán)6次，切換面板3次。

3.2 開(kāi)發(fā)目的

將CATIA模型導(dǎo)入HyperMesh后，兩款軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異，造成component名稱并不是該零件的件號(hào)，而component對(duì)應(yīng)的assembly名稱中包含零件號(hào)與版本號(hào)，如圖2所示。因此需要將每個(gè)component嚴(yán)格按照規(guī)范命名為“零件號(hào)+版本號(hào)+材料+厚度”的格式。

而由上文得知，通過(guò)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述功能操作步驟繁瑣，面板切換頻繁，導(dǎo)致整車建模周期冗長(zhǎng)，誤操作率高，糾錯(cuò)難度大，對(duì)仿真結(jié)果容易造成負(fù)面影響，所以對(duì)HyperMesh進(jìn)行零件重命名與信息賦予批處理的二次開(kāi)發(fā)非常有必要。

3.3 主要功能

（1）對(duì)hm文件中零件對(duì)照擬劃分網(wǎng)格零件總表進(jìn)行自動(dòng)篩選，輸出該車型擬劃分網(wǎng)格零件列表。

（2）對(duì)不規(guī)范的零件名稱按照標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行批量重命名，并對(duì)重復(fù)零件進(jìn)行編號(hào)處理。

（3）對(duì)零件進(jìn)行賦予材料信息與厚度信息操作。

3.4 主要流程

零件自動(dòng)重命名與信息賦予工具的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

在HyperMesh中導(dǎo)入hm整車結(jié)構(gòu)后，首先得到component列表與assembly列表，遍歷component列表，找出每一個(gè)component對(duì)應(yīng)符合零件名稱特征的assembly級(jí)，例如component的名稱為partbody1，其對(duì)應(yīng)底層assembly級(jí)的名稱則為C0012345，調(diào)用擬劃分網(wǎng)格零件總表與零件名稱進(jìn)行匹配并記錄在系統(tǒng)中。隨即搜索匹配成功項(xiàng)在系統(tǒng)中的數(shù)量，據(jù)此賦予匹配項(xiàng)一個(gè)編號(hào)，例如C0012345_1表示C0012345號(hào)零件在整車中的第一個(gè)零件，C0012345_2為第二個(gè)零件，它們幾何特征完全一致，但在空間位置和連接關(guān)系上存在區(qū)別，故需要進(jìn)行編號(hào)處理。編號(hào)之后的component將根據(jù)其對(duì)應(yīng)的assembly級(jí)名稱進(jìn)行重命名，根據(jù)新的名稱對(duì)照BOM表搜索其對(duì)應(yīng)的材料和厚度信息，直接將厚度信息賦予零件，并根據(jù)材料信息搜索材料庫(kù)，將對(duì)應(yīng)的材料賦予零件。遍歷所有component之后，完成所有零件重命名以及賦材料厚度信息的操作。

4 自動(dòng)重命名與信息賦予工具實(shí)例

選用碰撞仿真分析的某車型，在有限元建模過(guò)程中需要對(duì)車身部分的零件（總計(jì)514個(gè)）進(jìn)行批量重命名，并賦予零件材料厚度信息。運(yùn)行重命名工具，操作界面如圖4。

4.1 自動(dòng)化操作流程

進(jìn)行零件重命名準(zhǔn)備工作，設(shè)置重命名所需的材料文件：①“選擇文件”選擇需要重命名的hm文件；

②“選擇BOM”選擇車身對(duì)應(yīng)的BOM表；

③“材料名表”選擇車身對(duì)應(yīng)的材料名表；

④“選擇HM”選擇HyperMesh的安裝路徑，調(diào)用HyperMesh。

進(jìn)行重命名操作步驟：

①“初始化”安裝零件重命名工具；

②“打開(kāi)HyperMesh” 運(yùn)行HyperMesh主程序；

③ “檢查BOM信息” 檢查BOM表的材料和厚度信息，確保BOM表的完整和正確性。如果BOM表信息缺失，會(huì)自動(dòng)對(duì)缺失項(xiàng)標(biāo)紅并提醒工程師對(duì)BOM表修改和完善直至符合要求；

④ “打開(kāi)hm文件” HyperMesh中開(kāi)始導(dǎo)入hm文件；

⑤ “重命名”按鈕，自動(dòng)完成零件的批量重命名工作。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在BOM表正確的條件下，整個(gè)自動(dòng)重命名賦予信息流程僅需6分鐘，操作鼠標(biāo)15次。

4.2 自動(dòng)化流程與常規(guī)方法比較

通過(guò)與人工常規(guī)操作比較的方式，以操作與耗時(shí)兩個(gè)指標(biāo)，驗(yàn)證自動(dòng)重命名與信息賦予工具的高效性。選取一名具有兩年整車建模經(jīng)驗(yàn)的汽車安全工程師，并提供完整BOM表與材料庫(kù)信息，對(duì)上述某車型車身零件（共514個(gè)零件）進(jìn)行重命名，賦予材料厚度信息操作并統(tǒng)計(jì)時(shí)間，累計(jì)耗時(shí)10小時(shí)，完成所有操作需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)接近5000次（取10次樣本零件點(diǎn)擊260次，乘以50得到），如表1所示。

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出使用自動(dòng)重命名與信息賦予工具和人工操作相比，時(shí)間效率提升了約100倍，并極大地減輕了操作強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了基于HyperMesh二次開(kāi)發(fā)的整車自動(dòng)化建模系統(tǒng)，著重介紹了零件重命名與信息賦予模塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程與關(guān)鍵技術(shù)。將繁瑣的零件重命名與賦予零件材料厚度信息的操作步驟進(jìn)行封裝，并以引導(dǎo)式的流程呈現(xiàn)給工程師[4]，降低了工作門(mén)檻。將重復(fù)性高、效率低的手工操作轉(zhuǎn)化為高效的自動(dòng)化處理，極大地減少了工程師的工作量，避免錯(cuò)誤，同時(shí)也有助于固化資深熟練工程師的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于企業(yè)提高仿真分析的標(biāo)準(zhǔn)化程度，節(jié)約產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

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