基于HyperWorks整車網(wǎng)格前處理仿真自動化研究

孟祥杰 屈新田 席盛

摘要：針對企業(yè)在汽車整車建模、前處理過程中需處理大量數(shù)據(jù)重復(fù)操作多，所需工時占CAE分析比重大等問題，依托Hyper works軟件提供的二次開發(fā)接口平臺。應(yīng)用TK/TCL程序設(shè)計語言及相關(guān)工具開發(fā)整車網(wǎng)格批處理及相應(yīng)的前處理嵌套程序，提高CAE分析的工作效率。應(yīng)用到多個車型的網(wǎng)格建模與前處理，工作效率提高了70%-80%，驗證了嵌套程序的可靠性及穩(wěn)定性，縮短了企業(yè)設(shè)計產(chǎn)品開發(fā)周期，對企業(yè)其它平臺開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格批處理;程序開發(fā);CAE建模;二次開發(fā)

前言

企業(yè)在整車開發(fā)過程中，CAE分析大約需要4-5輪分析，分析項目一般為200-300項左右，其中整車建模數(shù)據(jù)量大，且有限元分析中的前處理需要時間占據(jù)整個分析的比重較大，其中大部分需要手工操作與重復(fù)操作，容易發(fā)生人為錯誤。為了提升這部分工作效率與仿真精度并使其操作簡便化，進(jìn)而縮短整個產(chǎn)品的研發(fā)周期，采用Hyper works軟件自帶的二次開發(fā)接口，將這一部分的工作程序化、模塊化是有必要的。本文以Hyperworks軟件中的Hyper mesh為開發(fā)環(huán)境，綜合采用TK/TCL程序設(shè)計語言與Hyper works內(nèi)置函數(shù)，開發(fā)出用于整車網(wǎng)格批處理及相應(yīng)的有限元前處理功能的嵌套程序。并闡述了程序開發(fā)流程及關(guān)鍵技術(shù)，并通過多個車型建模及前處理驗證，驗證程序的實用性及可行性，提高了產(chǎn)品沒計效率，對企業(yè)平臺開發(fā)具有借鑒意義。

1 程序開發(fā)需求分析

1.1開發(fā)流程的特點分析

以汽車在整車模態(tài)及剛度分析為例，整車建模及前處理過程占用大部分的分析時間。數(shù)據(jù)規(guī)模量大及重復(fù)操作為這部分工作的主要特點，白車身結(jié)構(gòu)件的數(shù)量一般為400～500個左右，車身焊點數(shù)量約為4000個左右。如圖1所示，建模過程中重復(fù)性操作較多，如CAD模型輸入、裝配調(diào)整、幾何清理、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格質(zhì)量調(diào)整及定義材料和屬性等前處理工作。一個車型開發(fā)需要4-5輪仿真分析，這就使分析工作中的重復(fù)操作成倍增加，同時幾何清理，網(wǎng)格劃分及前處理T作大部分都是手工操作，效率非常低。

1.2程序開發(fā)的需求

汽車整車結(jié)構(gòu)模態(tài)、剛度、及碰撞分析都需要整車建模，現(xiàn)在整車建模還需要大量的手工操作來完成，操作繁瑣且重復(fù)性高，占用整個分析的工時比例大，基于此特點，建立程序流程化建模以此來提高整車分析效率顯得尤為重要。要建立流程化建模程序，首先需要掌握整車分析流程的各個環(huán)節(jié)的作用，針對每個環(huán)節(jié)設(shè)計有針對性的程序來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，相應(yīng)的程序開發(fā)流程圖如圖2所示。其次相應(yīng)的程序開發(fā)語言需要掌握，如Hyper Works內(nèi)置函數(shù)及命令語言，與軟件平臺接口銜接的TK/TCL語言等。

2 程序開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 HyperWorks內(nèi)置函數(shù)

Hyper Works為企業(yè)用戶提供了功能豐富的內(nèi)置函數(shù)，主要分為兩種：一種為“*”開頭的命令函數(shù)，如^*2create mark，^*create mark panel，^*property update等，另一種以“hm”開頭的命令，為TK/TCL語言，如hm-framework.hm_markclearall等，在Hyper Works軟件4.0以后的版本嵌套了TK/TCL語言，為企業(yè)定制嵌套程序及同化經(jīng)驗和傳承提供基礎(chǔ)。同時通過proc命令，用它可以隨時定義新的過程，應(yīng)用過程概念可以將問題解釋的方案打包，便于程序的重復(fù)性調(diào)用^[1]。通過命令函數(shù)可以實現(xiàn)HyperMesh與DataBase的互聯(lián)，使嵌入程序?qū)崿F(xiàn)其自身功能。

2.2 Tcl/Tk程序語言

Tcl為一種腳本語言，與C⁺⁺和Java相比，Tcl能夠更簡單的向其應(yīng)用程序添加解釋器。Tk作為Tcl語言圖形界面的工具包，其作用為定義Tcl命令，創(chuàng)建與操縱用戶界面^[2]。Tk是Tcl的應(yīng)用擴(kuò)展，本身的全部功能均可通過Tcl命令獲得，其本身具有很大彈性與動態(tài)可控性，凸顯比其它工具包功能更強(qiáng)大的特點^[3]。Tcl/Tk語言在流程開發(fā)過程中的易學(xué)，與軟件接口無縫嵌套等特點，用它來組織界面背后代碼，實現(xiàn)代碼間的邏輯關(guān)系，達(dá)成程序自動化的目的^[4]。利用Tk語言創(chuàng)建的二次開發(fā)程序與用戶交互CUIs。如圖3所示，是劃分網(wǎng)格提取厚度的交互界而。

2.3 HyperWorks內(nèi)置交互界面

HyperWorks有許多的內(nèi)置交互界面創(chuàng)建函數(shù)，可以通過調(diào)用函數(shù)來創(chuàng)建開發(fā)程序的交互界面，如，此命令創(chuàng)建一個交互窗口，進(jìn)而開發(fā)出自己需求的人機(jī)交互界面。

2.4獲取HyperMesh命令流

用戶在操作HyperMesh時，HyperMesh會自動記錄相關(guān)的命令內(nèi)容，如打開或?qū)CATIA數(shù)模，用戶進(jìn)行幾何清理，劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建Component及賦單元屬性及材料等相關(guān)操作命令。所有的命令流均存放在C0mmond.cmf件中，文件路徑為HyperMesh的工作目錄下。而Cnmmond.cmf文件的命令流是以“*”為開頭的，如^*evaltclscript（“midsurf_thickness.tcl”，0），由命令名稱與相關(guān)的參數(shù)構(gòu)成，參數(shù)包含在括號內(nèi)，以逗號隔開。如^*rotateahour（0，0，O，0），HyperMesh把*與“（”之間的部分作為命令流，其后的部分作為參數(shù)，通過將命令流加以修改使之符合Tcl/Tk語法要求，即可以獲取操作相關(guān)內(nèi)容的命令流，如：

其命令為更改components名字，將后面的名字替換前面的名字。

3 建模流程自動化

在進(jìn)行整車有限元網(wǎng)格建模時，目前已經(jīng)實現(xiàn)從CATIA數(shù)模中抽取中面并根據(jù)幾何數(shù)據(jù)提取板件的厚度，并通過Batchmesher進(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分，處理后的網(wǎng)格只需要稍微的進(jìn)行干涉調(diào)整與網(wǎng)格質(zhì)量調(diào)整就可以應(yīng)用于分析。通過BOM表賦組件材料，根據(jù)焊點excel文件中的連接組件關(guān)系，通過excel中的VBA語言自動生成HyperMesh使用的焊點。用戶只需要根據(jù)分析流程，進(jìn)行相應(yīng)的簡單操作，就可以將繁瑣且重復(fù)的整車建模及前處理上作完成，提高了分析效率并減少了出錯率。

建模流程實現(xiàn)自動化后，相應(yīng)的車型建模工時由原來的1000個左右縮減為300個左右，同時建模的出錯率降低了80%-90%。

對于完成一個整車建模需要走的流程包括CATIA數(shù)據(jù)導(dǎo)入，幾何清理與網(wǎng)格劃分，賦屬性，模型組裝，建立焊點及相應(yīng)的連接關(guān)系等部分。建模流程自動化如下圖4所示，除模型導(dǎo)人與模型檢查及網(wǎng)格干涉和質(zhì)量調(diào)整外，其它的環(huán)節(jié)均實現(xiàn)自動化。

3.1 建模流程的具體實施步驟

整車建模自動化流程實施具體分為七大步驟：l導(dǎo)入模型并更改組件名稱;2.用batchmesh模塊進(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分;3讀取幾何厚度賦網(wǎng)格單元料厚;4將網(wǎng)格單元與幾何組件同組;5.根據(jù)組件名來創(chuàng)建相對應(yīng)的同名屬性;6.通過BOM表添加單元的材料屬性;7.將excel焊點文件轉(zhuǎn)換為HyperMesh軟件焊點，自動創(chuàng)建焊點。軟件的實施流程圖，如圖5所示，相關(guān)的程序TCL語言腳本如圖6所示：

3.1.1 導(dǎo)入模型并按標(biāo)準(zhǔn)更改組件名

將CATIA數(shù)模導(dǎo)入HyperMesh軟件時，其中Part名會增加一些沒用的后綴，使HyperMesh中的組件名與CATIA建立的名字不符，通過點擊“compname”實現(xiàn)Part名與HyperMesh軟件中組件名同名，具體實例如圖7、圖8所示：

3.1.2 BatchMesher自動清理幾何與網(wǎng)格劃分

將更改組件名后的模型，通過點擊“batch-mesh”來調(diào)用batchmesher模塊，進(jìn)行相應(yīng)的單元網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置及幾何清理參數(shù)設(shè)置，自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完后自動存入相應(yīng)的文件中，界面操作如圖9所示，給出了hatchmesher的操作界面。

3.1.3讀取幾何厚度賦網(wǎng)格單元料厚

依托前一步的單元網(wǎng)格劃分后的模型如圖10所示，點擊“midsurf_thickness”讀取幾何厚度賦予網(wǎng)格單元料厚，選擇相應(yīng)的軟件模板來提取料厚，并選擇相應(yīng)的單元賦料厚，操作界面如圖11所示：

3.1.4將網(wǎng)格單元與幾何組件同組

自動賦予單元料厚完成后，幾何組件與網(wǎng)格單元組件是分開存放的，網(wǎng)格單元存放在以”t-料厚^*100-0“的組件里，如圖12所示，點擊“aum_assign”后會將幾何組件與網(wǎng)格單元同組，便于以后更改數(shù)據(jù)，如圖13所示：

3.1.5根據(jù)組件名來創(chuàng)建同名屬性

根據(jù)整車建模標(biāo)準(zhǔn)要求，每一個Part組件對應(yīng)一個同名的屬性要求，點擊“propname”將前一步的單元與幾何組件同名模型，根據(jù)組件名依次創(chuàng)建同名對應(yīng)屬性，如圖14所示：

3.1.6通過BOM表添加單元材料屬性

完成以上操作后，點擊“read mat from BOM”根據(jù)彈出組件面板選取組件，根據(jù)提示指定相應(yīng)項目的BOM表（excel格式），程序自動讀取BOM表中的材料，并創(chuàng)建相應(yīng)的材料屬性賦予相應(yīng)的組件，并將材料牌號信息體現(xiàn)在組件名稱中。

3.1.7單元部件組裝并自動創(chuàng)建焊點

由于整車白車身組件大概在200-300個左右，劃分網(wǎng)格不能一個白車身一起畫，首先電腦硬件不支持及相應(yīng)的軟件不能一起處理這么大的數(shù)據(jù)量，另一個對于劃分網(wǎng)格后的網(wǎng)格單元質(zhì)量調(diào)整也不便，所以劃分網(wǎng)格一般按系統(tǒng)分為10-15個部分。在此將各個部分組裝到一起，導(dǎo)人一個模型中形成整車白車身網(wǎng)格。CATIA焊點幾何數(shù)據(jù)信息中的焊點層數(shù)與所連接部件通過excel格式輸出，如圖15所示，根據(jù)excel中的VBA語言將CATIA焊點數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為HyperMesh軟件中的焊點信息，轉(zhuǎn)換工具如圖16所示。再點擊”auto-spot“根據(jù)轉(zhuǎn)換的焊點文件自動創(chuàng)建整車白車身焊點，如圖17所示。最后完成整車白車身網(wǎng)格建模，如圖18所示：

4 結(jié)論

本文創(chuàng)建的整車網(wǎng)格建模批處理及賦屬性自動化程序，目前已應(yīng)用到多個車型的開發(fā)。每輪車型白車身建模工時南1000T時縮短為300個工時左右。同時建模出錯率降低了80%-90%左右。

本文開發(fā)的自動化建模程序不僅提高了工作效率，還能確保建模按照規(guī)范進(jìn)行，減少人為錯誤發(fā)生幾率，提高了模型的準(zhǔn)確性與精度，減輕了CAE工程師繁重的網(wǎng)格前處理工作，同時能夠?qū)⒏蟮木ν度氲侥芰μ嵘c創(chuàng)造性開發(fā)工作來。

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