基于HyperWorks的轉(zhuǎn)向橋CAE分析流程自動(dòng)化研究與應(yīng)用

文/張 巖（安徽合力股份有限公司）

叉車是廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的流動(dòng)式裝卸搬運(yùn)機(jī)械，屬于工程機(jī)械。轉(zhuǎn)向橋是叉車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要零部件，在叉車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它會(huì)受到多種載荷的作用，容易受到破壞，造成失效，縮短整車的使用壽命[1]。工程上常采用有限元分析方法來(lái)模擬叉車轉(zhuǎn)向橋在不同工況下的應(yīng)力情形，可以大大降低產(chǎn)品開發(fā)周期和成本。但是CAE 軟件對(duì)模型分析時(shí)，繁雜且重復(fù)性的前處理操作影響工作效率。本文基于Tcl/Tk 語(yǔ)言對(duì)HyperWorks 仿真軟件進(jìn)行二次開發(fā)，編制轉(zhuǎn)向橋在不同工況下結(jié)構(gòu)分析的流程化程序。經(jīng)過(guò)二次開發(fā)后，簡(jiǎn)單繁瑣的前處理操作由軟件自動(dòng)完成，提高工作效率，同時(shí)流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的操作過(guò)程讓水平存在差異的人分析出的結(jié)果保持高度一致性，極大地提高了企業(yè)CAE 分析的質(zhì)量和效率[2]。

一、HyperWorks二次開發(fā)流程

1.HyperWorks二次開發(fā)概述

HyperWorks 二次開發(fā)是通過(guò)軟件提供的應(yīng)用程序接口 API（Application Programming Interface）函數(shù)，采用Tcl/Tk 語(yǔ)言編寫有限元分析中各個(gè)步驟的命令流及創(chuàng)建圖形界面，借助HyperWorks 中的Processing Manager 平臺(tái)開發(fā)出CAE 分析流程自動(dòng)化系統(tǒng)[3]。Tcl（Tool Command Language）是一種工具命令的腳本語(yǔ)言，用于編寫各個(gè)操作步驟的命令。Tk（Toolkit）是圖形工具集，用于定義Tcl 的命令，是用來(lái)創(chuàng)建和操控用戶的使用界面。HyperWorks 二次開發(fā)的過(guò)程中，在滿足分析結(jié)果符合要求的基礎(chǔ)上，最大程度地減少用戶的操作量，提高有限元分析的效率。

圖1 二次開發(fā)軟件操作流程

2.二次開發(fā)軟件架構(gòu)

前處理操作在傳統(tǒng)CAE 分析過(guò)程中會(huì)占據(jù)大部分時(shí)間，操作步驟較多，二次開發(fā)就是將這些繁雜的過(guò)程簡(jiǎn)化，方便用戶使用。簡(jiǎn)化的模塊包括幾何清理、材料屬性創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分及不同工況下約束與載荷的施加等，只需幾次點(diǎn)擊按鈕即可建立靜態(tài)分析時(shí)所需要的有限元分析模型，圖1 為具體操作的流程圖。用戶交互界面的設(shè)計(jì)主要使用HyperWorks GUI Toolkit（HWT）以及Tk GUI 創(chuàng)建功能集成面板，應(yīng)用這些命令函數(shù)開發(fā)出符合用戶需求的人機(jī)交互界面。

二、轉(zhuǎn)向橋的CAE分析流程自動(dòng)化

1.軟件界面模塊

圖2 設(shè)計(jì)的軟件界面

轉(zhuǎn)向橋有限元分析過(guò)程中需要定義各項(xiàng)操作的基本參數(shù)，如單元尺寸、載荷大小、材料屬性等。CAE 分析流程自動(dòng)化采用配置文件形式定義默認(rèn)參數(shù)，再根據(jù)具體模型情況通過(guò)用戶界面調(diào)整，圖2 是所設(shè)計(jì)的界面。

為盡量減少用戶手動(dòng)的操作過(guò)程，該CAE 分析流程自動(dòng)化采用的是單一級(jí)別界面設(shè)計(jì)方式，界面中的不同模塊可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。幾何模型預(yù)覽模塊支持多種類型文件（STEP、IGES、X_T）的導(dǎo)入，用于查看選中的幾何文件是否為有待分析的幾何模型；網(wǎng)格模型創(chuàng)建模塊包括幾何模型清理模塊和網(wǎng)格劃分兩個(gè)子模塊，前者對(duì)導(dǎo)入的幾何模型根據(jù)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化清理操作，后者對(duì)幾何模型在布爾操作與面網(wǎng)格檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上進(jìn)行四面體網(wǎng)格和蜘蛛網(wǎng)格建立；典型工況創(chuàng)建模塊包括材料及梁界面創(chuàng)建模塊和工況創(chuàng)建模塊兩個(gè)子模塊，前者需選擇材料種類或者輸入材料各參數(shù)以及主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)等尺寸值，后者根據(jù)工況勾選選項(xiàng)創(chuàng)建一種或多種典型工況，隨即模型會(huì)自動(dòng)化創(chuàng)建各工況下載荷及約束。

2.轉(zhuǎn)向橋CAE分析流程自動(dòng)化過(guò)程

本研究以某叉車轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)分析為例，分析在三種典型工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度情況。依據(jù)實(shí)際受力情形，三種工況下轉(zhuǎn)向橋的載荷和約束加載各不相同，軟件會(huì)根據(jù)輸入的參數(shù)自動(dòng)建立等效梁?jiǎn)卧獊?lái)方便施加各種約束和載荷。

（1）前處理過(guò)程。運(yùn)行Hypermesh 仿真軟件，點(diǎn)擊工具欄中的頭像按鈕，進(jìn)入用戶自定義界面，選擇“OptiStruct”求解器；點(diǎn)擊HyperMesh 工作界面中菜單欄中的“User”按鈕，啟動(dòng)Automatic Process Manager 自動(dòng)化流程工具，如圖2 所示；在幾何模型預(yù)覽模塊中，選擇文件類型“STEP”，選擇某叉車轉(zhuǎn)向橋幾何模型文件，點(diǎn)擊“預(yù)覽幾何”按鈕，顯示出所選的幾何模型，檢查三維模型是否有缺失面等錯(cuò)誤，如圖3 所示；接著輸入“幾何清理模塊”中的各項(xiàng)數(shù)值，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理，然后輸入“網(wǎng)格劃分模塊”中單元尺寸數(shù)值，設(shè)置劃分出的網(wǎng)格大小；選擇“材料及梁界面創(chuàng)建模塊”中材料種類或輸入材料特性數(shù)值，定義主銷、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪胎的半徑值以及轉(zhuǎn)向節(jié)軸向長(zhǎng)度值，軟件憑此數(shù)值來(lái)建立等效梁?jiǎn)卧辉凇肮r創(chuàng)建模塊”中勾選有待分析的工況，點(diǎn)擊“創(chuàng)建有限元模型”按鈕，劃分出網(wǎng)格；網(wǎng)格劃分完畢后，根據(jù)彈出對(duì)話框依次選擇6個(gè)圓軸幾何面，創(chuàng)建6 個(gè)蜘蛛網(wǎng)格，保證載荷均勻施加在表面上；執(zhí)行完以上步驟后，便得到了叉車轉(zhuǎn)向橋多工況有限元模型，如圖4 所示。

圖3 三維模型

圖4 多工況有限元模型

（2）求解及后處理過(guò)程。轉(zhuǎn)向橋CAE 分析流程自動(dòng)化是體現(xiàn)在前處理階段，求解與后處理的方法與常規(guī)操作相同。前處理完成后，點(diǎn)擊“Analysis”,再點(diǎn)擊“OptiStruct”求解，待出現(xiàn)“ANALYSIS COMPLETED”字樣后，表示求解完成；然后點(diǎn)擊“HyperView”，便可進(jìn)行相關(guān)后處理工作，最后查看不同工況下的應(yīng)力和變形云圖，如圖5 所示。

圖5 應(yīng)力和變形云圖

三、結(jié)語(yǔ)

HyperWorks 軟件的二次開發(fā)在叉車轉(zhuǎn)向橋CAE 分析流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用中，不僅操作過(guò)程簡(jiǎn)單，而且會(huì)顯著提升CAE 分析的速度，節(jié)省了大量的工作時(shí)間，利于項(xiàng)目的快速推進(jìn)。CAE 分析流程自動(dòng)化保證了不同水平的人分析出的結(jié)果具有一致性，有效降低了CAE 建模分析的技術(shù)門檻。開發(fā)出的CAE 分析流程自動(dòng)化軟件可以將固有的經(jīng)驗(yàn)保存下來(lái)，作為企業(yè)的核心技術(shù)不斷延續(xù)和傳承。