基于HyperMesh的鋼結構仿真流程自動化定制

黃翔

摘要：本文基于HyperMesh對鋼結構主要分析流程進行二次開發定制，通過該開發可有效提高仿真分析效率，提升仿真分析能力，為鋼結構開發積累必要設計分析經驗。

關鍵詞：HyperMesh 鋼結構 仿真流程 自動化

0 引言

在鋼結構仿真分析中，有限元前處理要占整個分析流程約80%的時間，而且分析結果的準確性依賴于網格劃分和載荷工況的選取等，因此高性能的前處理可以大大縮短分析流程的時間及成本。在當前企業鋼結構仿真分析中，由于沒有固定的分析流程和相關標準，當前仿真分析人員的大部分時間都被花在了一些重復性工作上，效率不高；同時具有較多項目經驗的仿真人員的經驗也無法很好地繼承下來并傳遞給新員工，這對企業都會造成浪費并嚴重影響企業實力的提升。因此，鋼結構仿真分析中常用結構和連接的建模、加載等共性技巧和規范亟需固化下來。

為了達到該目標，筆者利用通用的仿真前處理工具HyperMesh軟件來進行仿真流程自動化系統開發二次開發和定制。仿真流程自動化系統開發主要包括以下功能和內容：①標準靜力學分析流程固化。②在自動化平臺中可以實時調用管理企業基礎數據庫中的材料。③針對動態分析等復雜流程建立半自動化流程，并可以實時導入標準載荷。④建立常用部件標準分析流程，在流程各個步驟中可以選擇模型和進行參數修改。⑤建立常用連接的模型庫。

1 鋼結構仿真流程自動化設計

1.1 HyperMesh及其二次開發技術 HyperMesh是由Altair公司開發的一款針對有限元主流求解器的高性能有限元前后處理軟件，能夠建立各種復雜模型的有限元和有限差分模型，與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網格劃分功能。該軟件因其優秀的前處理技術被越來越多的鋼結構分析人員使用。HyperMesh提供了多種開發工具，使用戶能夠將之很好地運用到現有的工程設計中。其主要的二次開發工具包括：基本的宏命令、用戶化定制工具配置、HyperMesh界面輸出模塊、輸入數據轉化器、結果數據轉化器。

1.2 系統設計 本仿真流程自動化系統采用TCL/TK在HyperMesh中建立用戶化定制方案，并通過HyperMesh中調用Process Manager來實現結構仿真分析的自動化流程。結構仿真流程自動化系統設計的功能包括從模型導入到求解分析整個過程，將流程劃分為模型導入、幾何清理、網格劃分、連接導入、定義材料、單元類型設置、定義模板、加載和定義載荷步驟、求解和后處理等功能模塊。并實現功能模塊的集成以及整個分析流程的自動化。因此，本仿真流程自動化系統是根據功能將力學分析按照順序劃分為多個功能模塊，用以指導用戶逐步地完成分析，各功能模塊分別具有獨立的功能。本系統采用UML（統一模型語一言工具）進行需求分析和軟件框架開發方案的系統分析。

1.3 仿真流程自動化系統的實現

1.3.1 基本仿真流程定制。模型輸入模塊主要功能是從建立的模型數據庫中導入連接部件幾何模型。因為自動化流程系統采用主連接器文件或宏文件的形式對部件進行連接，這就要求導入模型的ID值與文件必須相對應，因此在導入模型的同時也必須賦予部件相應的ID值。定義材料采用的方式與模型導入類似，從建立好的材料數據庫中導入各種材料屬性。單元統一按Optistruct來定義，針對不同求解器列出相應單元名稱。不同的分析類型需不同的求解設置，因此首先進行分析類型的選擇，選定后自動跳轉到相應求解類型的子流程中進行求解設置和載荷步設定。在子流程中采用自動與手動兩種方式實現，自動方式在流程界面中進行相關設置即可，手動方式將在流程中設計一個引導程序，自動跳轉到HyperMesh中相關界面進行設置，各求解類型子流程中根據不同求解類型進行相應設置。

1.3.2 連接方式定制。各種機械連接的仿真一直是鋼結構有限元分析的一個難點，需要行業結構特點及功能試驗進行適當的簡化。本文主要以焊接球連接以及螺栓連接為例進行說明。縫焊相對于點焊要容易處理，縫焊焊縫的模擬方法通常采用以下方式：①三維實體單元模擬焊縫幾何形狀。②幾何連接。③節點耦合。把焊縫連接的幾何體的相對應節點直接耦合連接。④梁單元或桿單元模擬焊縫連接。螺栓連接由于存在預緊力與接觸面間的摩擦力，螺栓連接使有限元模擬變得復雜。由于算法與計算規模的限制，在螺栓聯接結構的有限元分析中，常常采用簡化模型。簡化模型從整體結構承載出發，給出了有限元仿真中螺栓聯接的簡化方法：①螺栓聯接的兩部件的相應節點融合成一個節點。②彈簧元模擬螺栓。③采用桿單元與梁單元連接。

2 總結和討論

本文基于HyperMesh進行鋼結構仿真分析的二次開發，制定客戶化的仿真流程。在本文的客戶化制定中，對于一般力學分析類型，進行了統一的流程規范，通過該定制可以使得分析人員從重復工作中解脫出來，提高分析效率。通過客戶化定制，將日常工程工作中常用的載荷曲線，典型材料等加入到了軟件中，可以即時調用，從而大大提高了分析的效率和能力。另外，對于復雜的鋼結構剛強度分析，一般分析之前需要對結構進行結構分析或者叫經驗分析，在本客戶化定制中，對于獲得實踐驗證的典型結構的力學分析經驗進行了流程固化，從而大大降低了復雜問題分析中不同分析人員之間的能力差異所造成的影響。該分析流程固化的標準制定是針對不同鋼結構特點而進行的，同時需要結合工程實踐長期積累總結。

參考文獻：

[1]張勝蘭等.基于Hyperworks的結構優化設計技術.機械工業出版社，2007.

[2]Altair Engineering Ltd，Altair HyperMesh Reference Manual，2007.

[3]屈曉峰.基于TCL語言的HyperMesh平臺二次開發范例.Altail2010技術大會論文集.