鐘 晗，羅 帥，王 鵬，陳澤中，滕 琳，宋仁宏

（1.上海理工大學(xué) 材料與化學(xué)學(xué)院，上海 200093；2.上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201206）

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，計算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)驗(yàn)證，在汽車零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝參數(shù)優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)方案模擬、潛在問題的預(yù)先發(fā)現(xiàn)上有著不可替代的作用。然而，在大部分CAE分析過程中，前處理步驟繁瑣，操作復(fù)雜，并需要重復(fù)輸入，極大地浪費(fèi)人力與時間。

在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，零部件重力仿真對于尺寸功能評估一直是不可或缺的步驟。尺寸功能評估是將生產(chǎn)完成的零部件放在定制檢具上，通過對零部件的孔、切邊、型面進(jìn)行尺寸檢測，判斷該零件的各項尺寸指標(biāo)是否符合生產(chǎn)制造要求。在實(shí)際尺寸功能評估前，對零部件進(jìn)行重力仿真，可以模擬零部件在檢具上受重力和夾持力的變形情況，及時評估定位方案的優(yōu)劣，為定位基準(zhǔn)的設(shè)計提供可以量化的參考依據(jù)。

在重力仿真的CAE 模擬過程中，大量基準(zhǔn)點(diǎn)信息與參數(shù)設(shè)置對于人工輸入來說是一項巨大的工程，不僅工作效率低，容易導(dǎo)致得出錯誤的結(jié)論，并且可能因?yàn)槿藛T的不同分析風(fēng)格導(dǎo)致結(jié)論缺乏一致性。因此，開發(fā)出一款固化流程的CAE 重力仿真分析腳本對于企業(yè)來說是一項迫在眉睫的需求。

Hypermesh 是一個高度開放的CAE 平臺，工程師可以根據(jù)自己的需求利用多重途徑編制自動化程序。其自動化程序的開發(fā)依托于多種工具，包括Process Manager、Process Studio、工具命令語言/工具包（tool command language/tool kit，Tcl/Tk）以 及Hypermesh 所提供的功能函數(shù)等。

本文結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求，基于Tcl/Tk 腳本語言及Hypermesh 軟件，以汽車構(gòu)件原模型為輸入，結(jié)合Excel 定制配套模板，開發(fā)出固化體系的重力仿真全流程自動化系統(tǒng)。同時，詳細(xì)地闡述自動化系統(tǒng)的開發(fā)流程及關(guān)鍵技術(shù)，并輔以實(shí)例分析論證其實(shí)用性和可行性，為企業(yè)開發(fā)工作提供理論支撐及工藝參考。

1 Tcl/Tk 語言介紹

Tcl 是一種解釋型可擴(kuò)展語言，該語言無需編譯、語法簡單、不依賴平臺，被廣泛應(yīng)用于仿真軟件的快速原型開發(fā)、腳本編程、圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）和測試等方面。

Tk 是基于Tcl 的圖形程序開發(fā)工具箱，是Tcl的重要擴(kuò)展部分，在程序設(shè)計完成后，可以通過定制GUI 來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，廣泛用于按鍵式操作。Hypermesh 軟件自帶Tcl 腳本語言的接口，通過調(diào)用軟件提供的基于Tcl/Tk 的API（application program interface，API）接口函數(shù)，編寫代碼，定制CAE 分析流程。Hypermesh 在前處理器中包含4 種主要函數(shù)，包括Tcl GUI 函數(shù)、Tcl Modify 函數(shù)、Tcl Query函數(shù)、宏菜單函數(shù)，無縫銜接Tcl/Tk 語言。工程師可根據(jù)自身工作需求開發(fā)各種功能，提高CAE 分析效率和精確性，縮短研發(fā)周期。

2 重力仿真分析二次開發(fā)的實(shí)施

經(jīng)過重力仿真驗(yàn)證過的檢具可以精確評估整車制造中零部件的質(zhì)量。汽車發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板作為保護(hù)汽車內(nèi)部零件的部件，其質(zhì)量直接影響著車輛零件結(jié)構(gòu)是否精密和整車質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。

Hypermesh 腳本程序中重力仿真系統(tǒng)主要分為前處理模塊和Excel 模塊。在前處理模塊中，用戶建立有限元模型，并將其導(dǎo)入Hypermesh，進(jìn)行中面清理和網(wǎng)格劃分等操作。

針對重力仿真中涉及到的大量基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)及對應(yīng)參數(shù)設(shè)置，采用定制的Excel 模板進(jìn)行數(shù)據(jù)填寫，方便快捷、不易出錯。本文以汽車發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板為例進(jìn)行自動化仿真開發(fā)。

2.1 有限元模型的建立

本文中所用發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板的三維實(shí)體幾何模型，由上汽通用有限公司提供，利用UG 軟件將文件保存為IGES 格式，導(dǎo)入Hypermesh 軟件中，建立有限元模型。汽車發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板模型如圖1 所示。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板模型Fig.1 Model of automobile engine cover inner plate

2.1.1 幾何模型的導(dǎo)入

在利用Hypermesh 導(dǎo)入模型時，針對用戶可能使用到的模型縮放功能，制定“Measure Thickness”按鈕，方便用戶對模型大小和厚度進(jìn)行初步檢查，判斷模型規(guī)格是否與后續(xù)導(dǎo)入的Excel 模板中的基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)，方便后續(xù)進(jìn)行重力仿真前處理操作。

2.1.2 自動創(chuàng)建網(wǎng)格劃分

考慮后續(xù)使用算法多點(diǎn)約束（rigid bar element#2，RBE2）剛性單元以及單點(diǎn)約束（single point constraint，SPC）邊界條件進(jìn)行距離信息判定，設(shè)置網(wǎng)格大小為3 mm，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

“Grid”網(wǎng)格劃分采用Hypermesh 中command[hm_pushpanel]命令進(jìn)行按鍵移植，如圖2 所示?！癊xtraction Midsurface”、“Cleaning Midsurface”和“Automatic Meshing”分別對應(yīng)中面提取、自動中面清理和自動網(wǎng)格劃分。

圖2 網(wǎng)格劃分GUI 示意圖Fig.2 Schematic diagram for meshing GUI

針對日常使用習(xí)慣，將中面提取、自動中面清理和自動網(wǎng)格劃分3 項整合成 “Onestep”一鍵式按鈕。用戶將原始數(shù)模導(dǎo)入Hypermesh 軟件中，點(diǎn)擊“Onestep”按鈕，即可完成網(wǎng)格劃分一系列操作，十分便捷。

添加“Edges”與“Qualityindex”按鈕，進(jìn)行網(wǎng)格檢查與調(diào)整。

對于類似發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板等比較復(fù)雜的幾何模型，抽取中面后可能出現(xiàn)幾何缺陷，如重復(fù)面、曲面缺失、自由邊不重合和孔洞被錯誤填充等，這些缺陷會導(dǎo)致CAE 分析報錯。因此，添加“Edges”按鈕，檢查網(wǎng)格邊界。

劃分完成后的網(wǎng)格質(zhì)量影響著CAE 仿真分析的準(zhǔn)確性。質(zhì)量差的網(wǎng)格對應(yīng)的零件部分，仿真性能較差，不能準(zhǔn)確反應(yīng)零件的真實(shí)情況，同時可能極大延長仿真分析時間。因此需對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，對不合格的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。使用 “Qualityindex”按鈕，檢查網(wǎng)格模型，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，至此完成“Grid”網(wǎng)格劃分操作。

2.2 材料與屬性的建立

正確的材料與屬性的建立對于仿真分析至關(guān)重要。利用Tk 創(chuàng)建材料與屬性GUI 界面，與用戶進(jìn)行互動。

材料創(chuàng)建GUI 界面示意圖如圖3 所示。在“Mat Name”中輸入材料的名稱，材料類型Type 默認(rèn)為ALL，材料卡片Card image 默認(rèn)選擇為MAT1（各向同性線彈性材料模型），分別輸入材料的E（楊氏模量）、NU（泊松比）、RHO（密度），最后單擊“create”，完成材料參數(shù)Material 層創(chuàng)建。

圖3 材料創(chuàng)建示意圖Fig.3 Schematic diagram of material creation

用戶根據(jù)網(wǎng)格模型選定Card image 為體網(wǎng)格或面網(wǎng)格以及與之對應(yīng)的材料層。發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板模型默認(rèn)為面網(wǎng)格，用戶僅需設(shè)定屬性的名稱“Prop Name”與對應(yīng)網(wǎng)格厚度“T”，即可快速建立相應(yīng)殼單元屬性。屬性建立示意圖如圖4 所示。

圖4 屬性建立示意圖Fig.4 Schematic diagram of attribute establishment

材料與屬性創(chuàng)建完成后，輸入屬性ID 號與中面網(wǎng)格ID 號，將屬性賦予給對應(yīng)的網(wǎng)格，按鈕示意圖如圖5 所示。

圖5 屬性賦予網(wǎng)格示意圖Fig.5 Schematic diagram for attributing assignment to grid

在零部件總成仿真分析中，用戶可以采用Excel 表格形式輸入數(shù)據(jù)，完成大量材料屬性建立及屬性賦予網(wǎng)格的操作。添加“Matprop-excel”按鈕，出現(xiàn)輸入文件對話框，選擇需要輸入的Excel表，提取相應(yīng)單元格數(shù)據(jù)，自動建立材料與屬性并賦予對應(yīng)網(wǎng)格。材料屬性按鈕示意圖如圖6 所示。

圖6 材料屬性按鈕示意圖Fig.6 Schematic diagram of material properties button

Tcl 腳本會對固定區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和讀取，并將其存儲在腳本變量中，并在Hypermesh 中對應(yīng)地進(jìn)行對應(yīng)地自動化操作。與人工數(shù)百上千次手動輸入數(shù)據(jù)相比，Tcl 腳本只需幾秒就可以完成全部操作，極大節(jié)約人力與時間，提高了工作效率。

2.3 邊界條件

車身零部件的質(zhì)量主要通過專用的檢測工裝進(jìn)行測量，以控制零部件的尺寸精度。因此，檢具的結(jié)構(gòu)、定位基準(zhǔn)的位置和數(shù)量顯得至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)合理且檢測精度高的檢具可以更準(zhǔn)確地反映出零部件的真實(shí)狀況。

檢具定位基準(zhǔn)的合理度，可以使定位基準(zhǔn)方案更趨合理。當(dāng)零部件太大且厚度較薄時，若不能進(jìn)行有效定位基準(zhǔn)設(shè)置，零部件將由于自身重力因素，導(dǎo)致整體向下變形，造成檢具檢測分析結(jié)果誤差太大。因此，對零部件在檢具上進(jìn)行重力仿真分析，驗(yàn)證檢具結(jié)構(gòu)。

在檢測過程中，定位基準(zhǔn)對應(yīng)的是RBE2 和SPC 邊界條件中的基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

在重力仿真過程中，約束不能直接建立在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，因此需要新建RBE2 單元，把約束建立在RBE2 單元的中央節(jié)點(diǎn)上。

創(chuàng)建邊界條件分為兩個步驟。第一步是建立不可移動的RBE2 剛性單元。在RBE2 中，一個獨(dú)立節(jié)點(diǎn)與多個從節(jié)點(diǎn)之間通過剛性約束連接在一起，從節(jié)點(diǎn)的自由度與獨(dú)立節(jié)點(diǎn)相同，獨(dú)立節(jié)點(diǎn)包含平動和轉(zhuǎn)動共6 個自由度，分別為dof1-dof6。這6 個約束方向?qū)?yīng)著零件的前后、左右和高低方向（軸，軸，軸）的平動與旋轉(zhuǎn)?？梢宰兿嗟乩斫鉃閷⒍鄠€剛性節(jié)點(diǎn)焊接在一個獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)之間不存在相對位移，并且不存在變形，整體上提高了結(jié)構(gòu)的剛度。

第二步是新建Load Collectors，存放SPC 邊界條件。在SPC 中，基準(zhǔn)的約束方向需要對照圖紙進(jìn)行約束。對于不同約束方向的基準(zhǔn)點(diǎn)集合（A-H），在excel 表中進(jìn)行分類，將相同方向的點(diǎn)集合進(jìn)行合并，方便腳本有序讀取數(shù)據(jù)。建立對應(yīng)的Load Collectors，讀取并建立對應(yīng)基準(zhǔn)的約束方向。

結(jié)合重力仿真需求、工裝夾持點(diǎn)緊固程度大和連接強(qiáng)度大的特點(diǎn)，新建Component，存放RBE2，采用剛性單元將獨(dú)立節(jié)點(diǎn)6 個方向的自由度全部固定，使獨(dú)立節(jié)點(diǎn)完全固定在網(wǎng)格面上。隨后新建Load Collectors，用于存放SPC，模擬實(shí)際零部件檢測過程中的工裝夾持點(diǎn)，通過約束SPC 邊界條件，設(shè)置節(jié)點(diǎn)上的位移旋轉(zhuǎn)方向。

設(shè)置邊界條件自動化輸入的按鈕“Data-RBE2-SPC-excel”。由于基準(zhǔn)點(diǎn)信息過多，用戶手動輸入容易輸錯輸漏，因此采用Excel 模板進(jìn)行輸入。Excel 輸入模板示意圖如表1 所示。

表1 Excel 輸入模板Tab.1 Excel input template

根據(jù)Excel 表中位置信息，提取相應(yīng)區(qū)域基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)和不同節(jié)點(diǎn)集合的SPC 信息（dof1-dof6）。通過判斷單元格是否為空，去除空區(qū)域，同時利用Excel 單元格命名規(guī)則，通過ASCII 碼進(jìn)行數(shù)據(jù)替換與讀取，將可用數(shù)據(jù)儲存在變量集合中。

利用*createnode $$$0 0 0，在零部件的網(wǎng)格上創(chuàng)建獨(dú)立節(jié)點(diǎn)（即工裝夾持點(diǎn)），識別不同的基準(zhǔn)點(diǎn)集合（A-H），提取每一類集合對應(yīng)dof1-dof6 中的數(shù)據(jù)。

腳本中以hm_entityrecorder nodes on 和hm_entityrecorder nodes off 對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行囊括，并對每個獨(dú)立節(jié)點(diǎn)設(shè)置算法，選擇需要連接的從節(jié)點(diǎn)，并通過*rigidlink建立RBE2剛性單元與*loadcreate onentity_curve 建立SPC 邊界條件循環(huán)操作。

由于數(shù)模中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)可能位于數(shù)模網(wǎng)格上方或孔洞上方，在對獨(dú)立節(jié)點(diǎn)設(shè)置算法時，利用獨(dú)立節(jié)點(diǎn)與最近從節(jié)點(diǎn)之間的距離，識別獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的約束是位于網(wǎng)格上方還是孔洞上方，并建立約束。通過兩條技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)：

（1）判斷獨(dú)立節(jié)點(diǎn)與最近從節(jié)點(diǎn)之間距離是否滿足指定的距離，根據(jù)相鄰關(guān)系選定從節(jié)點(diǎn)所屬elems，提取所有elems 包含的nodes 信息號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和智能篩選，最后通過*rigidlink 建立約束。

（2）創(chuàng)建一個無限長的圓柱體區(qū)域，并通過算法實(shí)現(xiàn)右手定則。在算法中，自動獲取獨(dú)立節(jié)點(diǎn)ID 號與網(wǎng)格上離獨(dú)立節(jié)點(diǎn)最近的兩個從節(jié)點(diǎn)ID 號，并利用右手定則判斷圓柱體矢量方向。圓柱體的直徑大小由獨(dú)立節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)的距離確定。選定囊括到的全部從節(jié)點(diǎn)nodes，建立約束。

針對日常操作，開發(fā)兩種建立RBE2 的按鈕“RBE2elem”和“RBE2nodes”，按鈕示意圖如圖7 所示。用戶點(diǎn)擊按鈕后需單擊獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，然后單擊界面中的process，如圖8 所示。隨后進(jìn)入下一步驟，選定相應(yīng)的nodes(elems)，再次單擊process，即可快速建立RBE2 剛性單元。RBE2 剛性單元如圖9 中獨(dú)立節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的連接單元。此時，腳本獲取elems 信息號后，通過hm_getvalue 函數(shù)獲取每個elem 包含的nodes 信息號，將一系列nodes信息號放入集合中，篩除重復(fù)值；若忽略重復(fù)值，會導(dǎo)致RBE2 建立錯誤，仿真分析報錯。

圖7 “RBE2elem”和“RBE2nodes”按鈕Fig.7 "RBE2elem" and "RBE2nodes" buttons

圖8 RBE2 建立過程圖Fig.8 RBE2 establishment process diagram

圖9 RBE2 剛性單元結(jié)果Fig.9 Results of RBE2 rigid element

2.4 載荷施加

用戶需輸入重力的大小與矢量方向，即可將重力加載到創(chuàng)建的名為“GRAV”的Load Collectors中，輸入界面如圖10 所示。同時，設(shè)置"Grav-excel"按鈕，在彈出的對話框中選取Excel 文件即可直接讀取數(shù)據(jù)，完成重力加載步驟。

圖10 重力大小與矢量方向輸入界面示意圖Fig.10 Schematic diagram of the input interface of gravity magnitude and vector direction

2.5 工況步建立

工況步建立示意圖如圖11 所示。結(jié)合工裝夾持點(diǎn)的位置、重力大小與矢量方向，連接SPC 信息與重力信息，在“Loadstep Name”中輸入工況步名稱，在“Spc id”中輸入SPC 集合信息，在“Load id”中輸入重力Load Collectors。SORTING 選擇SORT1，F(xiàn)ORMAT 選擇H3D，最后選擇需要輸出的信息“模型的位移（displacement）與應(yīng)力-應(yīng)變大?。╯tress）”，模擬實(shí)體零件在檢具上的受力情況與位移大小。

圖11 工況步建立示意圖Fig.11 Schematic diagram of working condition step establishment

工況步建立結(jié)果示意圖如圖12 所示。

圖12 工況步建立結(jié)果Fig.12 Result of working condition step establishment

本模型建立3 種不同工況，以不同的約束基準(zhǔn)，依次對零部件進(jìn)行重力仿真分析。工況信息如表2 所示。零部件基準(zhǔn)示意圖如圖13 所示。

表2 工況信息表Tab.2 Working condition information table

圖13 零部件基準(zhǔn)示意圖Fig.13 Schematic diagram of component datum

建立重力仿真全流程自動化按鈕，一鍵式按鈕示意圖如圖14 所示?！癘nestep”：在已經(jīng)劃分好網(wǎng)格的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，單擊“Onestep”進(jìn)行剩余前處理部分?！癘nestep-all”：整合“Onestep”與網(wǎng)格劃分部分。Hypermesh 具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，在該模型劃分出的七萬多個網(wǎng)格中，質(zhì)量較差的網(wǎng)格只有十幾個，所以一般對于結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的模型，不用做網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化操作，基數(shù)小的差網(wǎng)格對于仿真結(jié)果沒有影響?；诖祟愋偷哪Ｐ?，用戶在已導(dǎo)入格式為IGES 的數(shù)模基礎(chǔ)上，單擊“Onestepall”按鈕，在彈出的對話框中選擇對應(yīng)Excel 文件，即可完成全部前處理，除去網(wǎng)格劃分的時間，整個過程大概需要十幾秒，相比于人工輸入提升了90%以上的效率。

圖14 一鍵式按鈕示意圖Fig.14 Schematic diagram of one-touch button

2.6 重力仿真結(jié)果

完成前處理步驟后，用戶需手動選擇Optistruct進(jìn)行路徑選擇與后處理操作。對零件進(jìn)行重力仿真分析。圖15 為重力仿真位移圖，圖中左側(cè)區(qū)域顯示為位移量顏色分布，紅色區(qū)域位移量較大，藍(lán)色區(qū)域位移量較小。在圖15（c）中，檢測基準(zhǔn)重力最大位移變形為0.17 mm，對應(yīng)的工況信息3 采用的檢具基準(zhǔn)點(diǎn)效果最好，符合標(biāo)準(zhǔn)，說明零件在檢具上受自身重力影響較小，驗(yàn)證了（c）定位基準(zhǔn)方案的合理性。

圖15 重力仿真位移圖Fig.15 Displacement diagram of gravity simulation

3 結(jié) 論

本文主要介紹了Hypermesh 二次開發(fā)處理重力仿真全流程自動化的方法。編寫自動網(wǎng)格劃分便捷操作的腳本，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分步驟一鍵式完成。編寫了快速設(shè)置材料屬性及賦予的腳本，實(shí)現(xiàn)快捷輸入，并結(jié)合Excel 工具，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)快速處理。編寫了兩種快捷建立RBE2 的腳本，通過Excel 實(shí)現(xiàn)大量節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)約束條件的快速建立。編寫了重力載荷建立及多種工況步快捷建立的腳本。最后實(shí)現(xiàn)全流程重力仿真自動化建立，大大提高前處理效率，為企業(yè)優(yōu)化檢具定位點(diǎn)與定位基準(zhǔn)方案設(shè)計節(jié)省時間。