基于HyperWorks的CAE流程自動化系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

1、基于HyperWorks的CAE流程自動化系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)為滿足產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)合理、實用等市場要求，在產(chǎn)品設(shè)計階段利用計算機進行CAE分析是十分必要的。目前國外一款高效實用的CAE軟件HyperWorks在產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、分析中得到日益廣泛應(yīng)用。但在使用HyperWorks軟件進行分析時，操作比較復(fù)雜，且不利于企業(yè)已有使用經(jīng)驗的傳承。因此，在保證CAE分析的正確性和精確性條件下，如何使軟件使用便捷、高效成為企業(yè)所關(guān)注的重要問題。目前國內(nèi)許多應(yīng)用HyperWorks的企業(yè)只停留在使用階段，對HyperWorks CAE流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)仍是空白。本文以HyperWorks的Process Studi

2、o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)，開發(fā)出適用性很強的CAE流程自動化系統(tǒng)。詳細闡述自動化系統(tǒng)的開發(fā)流程及其關(guān)鍵技術(shù)，輔以實例分析論證其實用性和可行性，對國內(nèi)企業(yè)開發(fā)工作具有很強指導(dǎo)意義。1 CAE流程自動化系統(tǒng)1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)HyperWorks CAE流程自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。HyperWorks提供一個標(biāo)準化流程執(zhí)行工具軟件：Process Manager。它將工程師的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化成企業(yè)CAE流程并進行固化，最終實現(xiàn)分析流程標(biāo)準化和自動化，提高企業(yè)CAE分析的質(zhì)量和效率。利用它建立CAE分析流程標(biāo)準模板，并以此模板為向?qū)?，實現(xiàn)CAE分析過程自動化

3、。Process Manager提供與其他應(yīng)用程序的接口APIs，利用APIs控制HyperWorks內(nèi)的所有應(yīng)用軟件，如調(diào)用用于后處理的HyperView。此外，還可以利用相應(yīng)的APIs啟動第三方軟件包和服務(wù)以及建立與它們之間的聯(lián)系和通信。Process Studio是HyperWorks編制模板模塊，利用它可將標(biāo)準的CAE分析過程制成模板。每一個CAE分析過程中的操作任務(wù)都是應(yīng)用Tcl/Tk或Process Studio內(nèi)置UI模塊開發(fā)而成。如何開發(fā)是本文研究重點。 1.2 系統(tǒng)開發(fā)流程CAE流程自動化系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。2 流程開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)2.1 HyperWorks內(nèi)置命令Hype

4、rWorks為用戶提供豐富的功能函數(shù)。主要有兩種：其一是“*”命令函數(shù)，如*shrink(2)；其二則是“hm”命令函數(shù)，它們是Tcl/TkCommands。如：hm_entitylist entityType listType。在HyperWorks 4.0及以后更高版本中就已嵌入了Tcl/Tk，使開發(fā)定制流程成為可能。命令函數(shù)用來實現(xiàn)與HyperMesh的DataBase通信，例如，從HyperMesh DataBase可獲取如下信息：IDs on a mark、list of assemblies、components、node values等。2.2 Tcl/Tk程序設(shè)計技術(shù)Tcl即T

5、ool command language的首字母，讀作Tickle。與C+和Java語言類似，是一種腳本語言。與C+和Java相比，Tcl能方便地向應(yīng)用程序添加其解釋器。Tk是Tcl的圖形界面工具包，用于定義Tcl命令、創(chuàng)建和操縱用戶界面部件。Tk是Tcl最有用的擴展，其所有的功能都可以通過Tcl獲得，這給了Tk很大的彈性，動態(tài)可控性，并使得它比其他工具包功能更強大。Tcl/Tk易學(xué)、易用、易嵌入，在流程自動化系統(tǒng)開發(fā)過程中，用來組織界面背后代碼，實現(xiàn)代碼間邏輯關(guān)系，實現(xiàn)CAE流程自動化目的。給開發(fā)工作帶來極大方便。利用Tk創(chuàng)建CAE流程自動化系統(tǒng)與用戶交互的GUIs。如圖3所示，是一個人機交

6、互的Panel，為用戶提供參數(shù)輸入界面。2.3 HyperWorks內(nèi)置GUI命令函數(shù)HyperWorks內(nèi)置創(chuàng)建GUI的命令函數(shù)如：hwtcreateWindow win_name?options?。此命令的功能是創(chuàng)建一個窗口。使用這類命令可以方便快速地開發(fā)出適用的人機交互界面。2.4 數(shù)據(jù)庫的連接CAE流程自動化系統(tǒng)應(yīng)有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫作為支撐。通常需建立材料數(shù)據(jù)庫和載荷數(shù)據(jù)庫。材料庫以材料名稱、彈性模量、密度等字段建立。為方便操作與維護，可選用Ms sql 2000或Oracle作為數(shù)據(jù)庫環(huán)境。本系統(tǒng)以Ms sql 2000為環(huán)境。數(shù)據(jù)庫名稱為mydb，用戶名為user。3 CAE流程自動化系

7、統(tǒng)開發(fā)的實施明確產(chǎn)品零件類別，保證開發(fā)出的CAE流程自動化系統(tǒng)最大范圍地適用企業(yè)各類產(chǎn)品CAE分析，保證CAE流程自動化系統(tǒng)具有最大柔性，是系統(tǒng)開發(fā)首要要求。3.1 綜合分析產(chǎn)品或零件對產(chǎn)品或零件進行分析有兩個要求：首先，為保證對某類產(chǎn)品或零件進行CAE分析（模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等）操作正確性，必須由專業(yè)CAE人員進行實際操作。其次，在分析時要認真選擇好分析對象。選擇分析對象應(yīng)該遵循原則：被分析對象應(yīng)具備充分代表性，盡可能多地代表一類產(chǎn)品或零件，即在對這一產(chǎn)品或零件CAE分析時，應(yīng)包括在對某類產(chǎn)品或零件CAE分析時所需全部要求。3.2 獲取命令流綜合分析的目的是獲取CAE操作的命令函數(shù)。用戶與

8、HyperMesh開始會話時，HyperMesh自動記錄所有“會話”內(nèi)容，即啟動軟件、用戶建模、單元的建立、創(chuàng)建component以及后處理等所有操作會自動以命令流的方式記錄在command.cmf文件中。command.cmf存在HyperMesh的工作目錄之下，若command.cmf不存在，HyperMesh會在啟動時自動創(chuàng)建。在Windows系統(tǒng)上設(shè)置起始目錄的步驟是：右擊HyperMesh的桌面圖標(biāo)；從彈出的菜單中選擇Properties（屬性）菜單項；設(shè)置Shortcut（快捷方式）欄中的Start In（起始位置）字段中的路徑，如可設(shè)置起始路徑為：F：myCMF9.0。comma

9、nd.cmf文件中命令流為：命令全部以“*”開頭，如*enablemacromenu(1)；命令名稱部分直到左邊括號；命令的參數(shù)是在左右括號中間，以列表的形式給出且以逗號分隔。如：*window(0，0，0，0，0)。HyperWorks識別命令時，把星號“*”和左括號“（”之間的部分看作是命令名，命令名稱之后皆為參數(shù)。命令經(jīng)過相應(yīng)修改后使之符合Tcl/Tk語法，即為要獲取的命令流。如定義動態(tài)載荷名稱的命令：*collectorcreate loadcols$reload25，其中$reload2參數(shù)傳遞用戶在頁面中輸入的載荷名。3.3 利用Process Studio標(biāo)準化CAE流程Proc

10、ess Studio是開發(fā)CAE流程自動化系統(tǒng)的平臺，是Process Manager的模塊。CAE流程自動化系統(tǒng)在Process Manager管理下運行，實現(xiàn)CAE流程自動化。3.3.1 CAE流程自動化系統(tǒng)的文件結(jié)構(gòu)CAE流程自動化系統(tǒng)的文件結(jié)構(gòu)如圖4所示。tclincludes文件夾里存放.tcl文件。.tcl文件是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分。3.3.2 Process Tree的建立Process Tree每個節(jié)點是一個具體任務(wù)，都有相應(yīng)GUI與用戶形成交互。通過GUI，用戶可以輸入?yún)?shù)以供求解計算使用。圖5所示即為求解諧響應(yīng)的Process Tree。此外，還應(yīng)設(shè)置Process Tr

11、ee的任務(wù)屬性見圖6。3.3.3 GUI設(shè)計與制作Process Tree每個任務(wù)節(jié)點都有相應(yīng)的GUI與之對應(yīng)。如與Input Setup節(jié)點相對應(yīng)GUI頁如圖7所示。3.3.4 utils之間數(shù)據(jù)傳遞及Tcl Script的調(diào)用utils即Process Studio中控件總稱。它們之間可以用兩種方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信：Using Tcl Script to Write Callbacks。Using HWPM Script to Write Callbacks。例如，要獲得一個名字為“mytext'文本框的值可以用語句：set strValue hwpmgrPmgrGetData 0my

12、text.value。要調(diào)用Tcl Script，只須將腳本放在tclincludes文件夾里面，并在相應(yīng)的utils的屬性中設(shè)置所調(diào)用的Tcl Script即可。3.4 CAE流程自動他系統(tǒng)擴展與完善對所開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)進行測試，以進一步完善其功能。根據(jù)某類產(chǎn)品CAE分析的共性，進行功能擴展，提高CAE流程自動化系統(tǒng)的柔性，以適用于更多產(chǎn)品零件的分析。4 CAE流程自動化系統(tǒng)應(yīng)用實例對某汽車半軸進行模態(tài)頻率響應(yīng)分析。根據(jù)實際工況進行約束，施加單位載荷，其頻率范圍為02000Hz。用于響應(yīng)求解的頻率為20Hz開始，步長為20Hz，頻率增加次數(shù)為100次。用Lanczos法確定頻率范圍，設(shè)為12000

13、Hz。選定點的位移一頻率圖見圖13。經(jīng)與實驗數(shù)據(jù)分析對比，驗證了求解正確性。4.1 獲取命令流用3節(jié)所述方法可獲取命令流（這里只列出修改過的一小部分）：4.2 創(chuàng)建Process Tree及相應(yīng)GUI利用Process Studio創(chuàng)建諧響應(yīng)分析流程Tree（見圖9），Tree的每個節(jié)點都有相應(yīng)頁面與之對應(yīng)，如定義動態(tài)載荷節(jié)點Defme Dload與之相對應(yīng)的用戶交互界面如圖10所示。利用節(jié)介紹的方法建立數(shù)據(jù)傳遞與函數(shù)調(diào)用關(guān)系。4.3 系統(tǒng)運行系統(tǒng)在運行過程中，面的重新劃分、線的壓縮、相鄰點的合并等進一步細化清理則一般是利用HyperMesh自身的幾何清理工具來完成?，F(xiàn)將系統(tǒng)運行的主要過程介紹如下：(1)調(diào)用CAE系統(tǒng)為方便操作，利用宏命令將調(diào)用系統(tǒng)的按鈕添加到HyperMesh的User頁。如隨機、諧響等。如圖8所示。點擊相應(yīng)按鈕即可調(diào)用相應(yīng)的分析流程。圖8 用戶頁(2)諧響應(yīng)分析系統(tǒng)界面 諧響應(yīng)系統(tǒng)流程如圖9所示。圖9 諧響應(yīng)系統(tǒng)流程(3)定義動態(tài)載荷 定義動態(tài)載荷界面如圖10所示。圖10 定義動態(tài)載荷界面(4)定義頻率范圍 頻率范圍輸入界面如圖11所示。圖11 額頻率范圍輸入界面(5)設(shè)定Lanczos法求解 L