孫 靜，黃雪飛，李慧萍，米小珍，王 楓

（1. 中國北車唐山軌道客車有限責任公司，唐山063035；2. 廣州鐵路（集團）公司車輛段，廣州510088；3. 大連交通大學現(xiàn)代軌道交通研究院，大連116028）

計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法[1]。為了縮短產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)周期，企業(yè)應(yīng)用CAE技術(shù)進行仿真分析已經(jīng)成為企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計的重要手段。然而由于通用的CAE軟件所提供的設(shè)計標準與流程，與企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計過程之間存在著很大的差異，使得通用CAE軟件難以充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能和作用，不能滿足企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計需求。因此企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品的特點，對所使用的CAE軟件進行開發(fā)定制成為CAE軟件應(yīng)用的一種必然需求。目前我國大多數(shù)企業(yè)對于CAE軟件還只限于使用階段，而對CAE軟件進行二次開發(fā)的研究并不是很多[2]。

本文就是針對CAE靜強度分析中前處理過程中工作量大、操作步驟繁瑣等問題，基于Hyper-Mesh開發(fā)了流程自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Hyper-Works 軟件的Process Studio 模塊為開發(fā)環(huán)境，綜合運用Tcl/Tk 語言和HyperWorks內(nèi)置函數(shù)及命令，能夠?qū)Ω咚賱榆嚱M鋁合金車體進行靜強度分析。該系統(tǒng)有效地規(guī)范企業(yè)分析流程，減少分析師的重復勞動，對企業(yè)縮短研發(fā)周期有一定的指導意義。

1 常規(guī)靜強度分析過程及特點

1.1 常規(guī)靜強度分析過程

一般利用CAE軟件進行靜強度分析時，都是以有限元理論為基礎(chǔ)，對三維幾何模型進行處理并分析求解。有限元方法的數(shù)值求解過程主要包括：（1）前處理，即對需要分析的結(jié)構(gòu)進行有限元離散化；（2）計算，即有限元方程的建立與求解的過程；（3）后處理，即有限元方程結(jié)果的處理[3]。

1.2 常規(guī)靜強度分析特點

應(yīng)用CAE軟件對產(chǎn)品進行靜強度分析過程中，前處理工作量幾乎占到整個分析過程的70%～80%。前處理過程主要包括以下步驟：幾何模型導入、中面模型建立、按厚度分組管理中面模型、網(wǎng)格劃分、單元質(zhì)量檢查、材料屬性的賦值、載荷、約束及工況的建立、模型導出、求解計算等[4]。

對于高速動車組鋁合金車體這樣的復雜產(chǎn)品，車體結(jié)構(gòu)分析時通常采用板殼模型，前處理過程非常繁瑣，尤其是中面模型的建立及分組，材料屬性的賦值，載荷、約束及工況的建立等步驟。以鋁合金型材車體中面模型的建立為例，需要在現(xiàn)有型材中線的基礎(chǔ)上，逐一選擇中線分段拉伸中面，每選擇一條線段需要輸入一次拉伸長度及方向，整個車體共有近千條中線，就需要重復操作近千次，如果一次性選擇多條線段進行拉伸中面，軟件會按照選擇線段的順序自動擬合出一個曲面，導致不能符合原幾何模型的拓撲關(guān)系。所以仿真分析工程師就要做大量繁瑣、重復性的工作。HyperMesh軟件雖然具有強大的前處理功能，但是由于其功能模塊眾多，功能比較分散，在操作過程中需要在各界面間切換，往往是根據(jù)個人的習慣和經(jīng)驗來進行操作，經(jīng)驗豐富的工程師與沒有經(jīng)驗的工程師處理問題的方法不同，會導致分析結(jié)果有很大的差異[5]。如果有一個規(guī)范的仿真分析流程，將工程師的專業(yè)知識和經(jīng)驗轉(zhuǎn)化成企業(yè)CAE流程并進行固化，實現(xiàn)分析流程的標準化和部分操作自動化，就能有效地規(guī)范企業(yè)分析流程、引導缺乏經(jīng)驗的設(shè)計師加快熟悉工作的進度，減少人為失誤，保證分析質(zhì)量、減少的重復勞動。

2 HyperWorks流程自動化系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

Altair/HyperWorks是目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣的平臺軟件，適合運行大規(guī)模的CAE分析模型和結(jié)果，并且具備二次開發(fā)的功能，可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)、定制各種專用功能。本文以HyperWorks10.0軟件為平臺，以其中的Process Studio 模塊為開發(fā)環(huán)境，綜合運用Tcl/Tk 語言以及HyperWorks內(nèi)置函數(shù)與命令，開發(fā)出基于ANSYS求解器、可對高速動車組鋁合金車體進行靜強度分析的HyperWorks流程自動化系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)框架

針對常規(guī)靜強度分析的問題，并結(jié)合企業(yè)需求，本文開發(fā)了HyperWorks靜強度分析流程自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)在HyperMesh平臺上建立了標準流程樹結(jié)構(gòu)，便于有限元模型的快速建立，并能導出有限元模型，應(yīng)用Ansys等求解器進行求解。基于HyperWorks流程自動化系統(tǒng)模塊設(shè)置及各模塊實現(xiàn)的主要功能如圖1。

圖1 HyperWorks流程自動化系統(tǒng)模塊設(shè)置及功能

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

在開發(fā)靜強度分析流程化系統(tǒng)時，首先應(yīng)用流程編輯工具（Process Studio）編寫流程樹（Process Tree），設(shè)置好流程樹上每一個節(jié)點，形成流程模板文件并保存（流程模板文件的擴展名是*.pmt），然后在HyperMesh軟件中調(diào)用Process Manager模塊，載入保存好的流程模板文件，載入后效果見上面圖1。該流程樹設(shè)置了靜強度分析所需要的一系列流程步驟，并封裝定制了典型的操作步驟，通過可視化的環(huán)境引導用戶完成靜強度分析整個過程，流程樹上每個節(jié)點對應(yīng)一個具體功能，并設(shè)置了對應(yīng)的人機交互界面，便于用戶操作。對流程樹中每個模塊對應(yīng)的節(jié)點進行界面及功能開發(fā)，具體實施過程如圖2。

圖2 HyperWorks流程自動化系統(tǒng)開發(fā)過程

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，為了實現(xiàn)流程樹上每個節(jié)點對應(yīng)的功能，需要獲取相應(yīng)的命令流。在HyperMesh中，為了獲取命令流，需要對簡單模型進行手工操作，完成靜強度分析所需的步驟，如圖1所列出的10個步驟。每次啟動HyperMesh后，在HyperMesh的起始目錄中會產(chǎn)生一個command.cmf文件，HyperMesh中的每一步操作會以命令流的形式自動記錄在此文件中[6]。若command.cmf文件不存在，HyperMesh 會在啟動時自動創(chuàng)建。將command.cmf文件中的命令語句拷貝到Tcl文件中，手動修改command語句使之符合Tcl語法，編寫相應(yīng)界面及功能函數(shù)，在Hyper-Mesh中調(diào)用Process Manager進行調(diào)試。

3 HyperWorks流程自動化系統(tǒng)應(yīng)用實例

以某型號高速動車組鋁合金車體為例，應(yīng)用本文開發(fā)的HyperWorks流程自動化系統(tǒng)對其進行靜強度分析，其過程如下：根據(jù)流程樹上各個節(jié)點設(shè)置的步驟，進行前處理，依次完成模板選擇、幾何模型導入、幾何清理、網(wǎng)格劃分、材料屬性賦值、工況加載等操作。在流程樹上某個節(jié)點完成操作后，系統(tǒng)會自動跳到下一個節(jié)點并顯示相應(yīng)界面，使用者只需根據(jù)系統(tǒng)的引導完成相應(yīng)操作即可順利完成整個前處理過程。

3.1 系統(tǒng)自動引導功能

以流程樹中模板選擇、文件導入兩個節(jié)點的操作為例來說明系統(tǒng)自動引導的功能。見圖1，選擇Select user profiles節(jié)點之后，出現(xiàn)相應(yīng)界面，在界面下拉菜單中選擇需要的“Profile name”之后，點擊“Apply”按鈕，系統(tǒng)會直接跳到Import from節(jié)點對應(yīng)的界面，用戶直接在界面上操作即可。否則，用戶需手動點擊切換界面。系統(tǒng)自動切換界面功能有效地減少分析人員手動重復切換界面的次數(shù)，提高了工作效率。

3.2 車體中面的快速建立

應(yīng)用流程自動化系統(tǒng)對車體進行靜強度分析共需要的10個步驟，其中車體中面的快速建立最為復雜。為了快速建立車體中面如圖3所示，點擊“select lines”按鈕，選擇拉伸中面需要的線段（支持一次性多選或框選），然后在“distance”輸入框中輸入所要建立中面的長度，最后點擊“Apply”按鈕，經(jīng)一次操作選擇線段并輸入拉伸長度就完成了車體中面的創(chuàng)建，減少了逐一選擇中線分段拉伸的上千次操作環(huán)節(jié)。

圖3 建立車體中面界面及實現(xiàn)效果

3.3 載荷工況的快速創(chuàng)建

車體靜強度分析通常采用BS EN12663標準進行加載，因此在流程樹Loadsteps模塊Create Loadsteps節(jié)點（Loadsteps模塊包括Create Loadsteps、Create_table_spc、Create_table_load3個節(jié)點，在流程樹上具體位置見圖1）封裝了EN12663標準定義的17種工況，如圖4。

用戶可以根據(jù)界面提供的選項，選擇需要分析的工況進行加載，如圖4左邊顯示在界面上選擇了17個工況，箭頭指向為選擇完之后在模型中的效果。如果錯選或多選了工況，可以再點擊工況前面的復選框進行修正。此時選擇工況只是創(chuàng)建出工況中所包含的載荷和約束組，并沒有實際施加載荷和約束，需要利用Create_table_spc及Create_table_load節(jié)點的界面功能施加載荷和約束。

圖4 創(chuàng)建工況界面

在進行載荷工況定義時，用戶只需要點擊載荷約束界面上select nodes按鈕，彈出選擇節(jié)點界面，使用者選擇有限元模型上需要施加載荷或約束位置的節(jié)點，然后點擊Apply按鈕，傳遞后臺參數(shù)，再點擊表格中最后一列對應(yīng)的復選框使之在被選中狀態(tài)，即可創(chuàng)建相應(yīng)載荷或約束。如果發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建的載荷或約束不是想要的，也可以再次點擊復選框使之在不選中狀態(tài)，就可以刪除之前創(chuàng)建的載荷或約束。使用者完成載荷及約束的創(chuàng)建之后也就完成了完整工況的創(chuàng)建。在創(chuàng)建載荷界面，如需修改載荷大小，可以在“Magnitude”列所提供的輸入框中進行編輯、修改，載荷大小會根據(jù)所選的節(jié)點數(shù)，平均分配到每個節(jié)點上。

3.4 有限元模型的生成

應(yīng)用流程自動化系統(tǒng)所生成的高速動車組鋁合金車體有限元模型。

該模型與用常規(guī)操作方法完成的完全一致，減少了大量的重復性操作，節(jié)約了模型前處理的時間。充分驗證了所開發(fā)的流程自動化系統(tǒng)的可行性及有效性。將該有限元模型提交至求解器，就可以完成靜強度分析整個過程，并得到計算結(jié)果。

4 應(yīng)用流程自動化系統(tǒng)與常規(guī)方法對比

使用常規(guī)方法對車體進行前處理，需要大量重復性的操作，步驟繁瑣，需多次重復切換界面，浪費時間。流程自動化系統(tǒng)能引導使用者操作界面，避免重復勞動，能有效地節(jié)省分析師手工操作的時間，提高工作效率。如表1，列出了2種方法對鋁合金車體進行前處理所需時間的對比。

表1 兩種方法前處理所需時間對比

通過表1對比可以看出，應(yīng)用流程自動化系統(tǒng)建立車體有限元模型，不僅大大減少了前處理的工作量，有效節(jié)省了工作時間（節(jié)省了約86%），而且提高了仿真分析的效率和質(zhì)量。

5 結(jié)術(shù)語

本文闡述了HyperWorks流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)過程與關(guān)鍵技術(shù)。通過對靜強度仿真流程的提煉與開發(fā)，實現(xiàn)分析流程的規(guī)范化，強化對分析人員的引導，減少人為失誤。通過對典型操作步驟進行封裝，減少分析過程的大量重復操作。通過高速動車組鋁合金車體有限元模型的建立，驗證流程自動化系統(tǒng)的實用性及有效性，從而提高設(shè)計方案分析和評審效率，最終達到快速設(shè)計目標。

[1] 楊鼎寧，鄒經(jīng)湘，蓋登寧. 計算機輔助工程（CAE）及其發(fā)展[J] . 力學與實踐，2005（3）.

[2] 朱金光，冷峻. CAE分析在企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中的初步探索與實踐. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程[J] . 2008（10）：35-37.

[3] 杜平安，甘娥忠，于亞婷. 有限元法—原理、建模及應(yīng)用[M] . 北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[4] 張勝蘭，鄭科黎. 基于HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計技術(shù)[M] . 北京：機械工業(yè)出版社，2007， 7.

[5] 曹文剛，范超. 基于 HyperWorks 的CAE流程自動化系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)[J] . 工程圖學學報，2011（1）：16-21.

[6] John K. Ousterhout Ken Jones，Tcl/Tk 入門經(jīng)典[M] . 張元章，譯. 2版. 北京：清華大學出版社，2010.