基于HyperWorks二次開發(fā)的轉(zhuǎn)向機(jī)仿真流程優(yōu)化

劉偉

(博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司，上海 201904)

0 引言

在現(xiàn)有的汽車產(chǎn)品開發(fā)流程中，CAE技術(shù)已成為必不可少的關(guān)鍵工具，通過CAE仿真能有效地評估設(shè)計(jì)風(fēng)險，加速問題的整改和優(yōu)化，降低設(shè)計(jì)成本，縮減開發(fā)周期。

轉(zhuǎn)向機(jī)總成中包含齒輪齒條的嚙合，在仿真模擬時，齒輪齒條嚙合過程中會涉及大量的接觸問題，計(jì)算收斂難度大，計(jì)算時間長，不利于在開發(fā)階段進(jìn)行多次優(yōu)化。在轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)階段，每個項(xiàng)目需要大約4～5輪CAE分析，每次分析要進(jìn)行網(wǎng)格劃分、連接、加載等步驟，需要消耗大量的人力和時間，而且易發(fā)生人為錯誤，也不利于企業(yè)分析經(jīng)驗(yàn)的傳承和標(biāo)準(zhǔn)化的建立。

通過二次開發(fā)的方法，實(shí)現(xiàn)CAE建模和仿真的自動化后，用戶只需要按標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，進(jìn)行簡單的命令性操作，計(jì)算機(jī)便可以通過標(biāo)準(zhǔn)化的指令自動完成各種復(fù)雜的操作，從而將繁瑣的人工操作轉(zhuǎn)化為自動化操作，達(dá)到提升效率和規(guī)范操作的目的。

本文作者基于TCL和VB對Atair公司的HyperWorks進(jìn)行二次開發(fā)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的仿真流程，開發(fā)相應(yīng)的操作指令，完成仿真自動化的流程開發(fā)，并且在實(shí)際項(xiàng)目中反復(fù)測試和優(yōu)化。

1 優(yōu)化仿真流程

1.1 傳統(tǒng)的仿真流程

傳統(tǒng)的仿真主要分為前處理、計(jì)算、后處理3個部分，前處理又包含了網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建連接、施加約束條件、設(shè)計(jì)工況等不同的步驟，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)仿真流程

在傳統(tǒng)的仿真流程中，轉(zhuǎn)向機(jī)數(shù)模的處理及連接、接觸等設(shè)置需要消耗大量的時間，并且可替代性差，每一輪優(yōu)化都需要重復(fù)這樣的步驟，非常不利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1.2 優(yōu)化仿真流程

1.2.1 CAD模型處理

首先在CREO軟件中對原始的CAD模型進(jìn)行處理，通過編寫CREO腳本，生成CREO中幾何發(fā)布的配置文件?？梢愿鶕?jù)不同的轉(zhuǎn)向機(jī)殼體的類型生成相應(yīng)的幾何發(fā)布命令，通過這些快捷鍵可自動實(shí)現(xiàn)添加相應(yīng)幾何發(fā)布名稱的操作，只需要根據(jù)指定的名稱確認(rèn)相應(yīng)的幾何面的位置即可。這不僅能有效提高操作效率，還能避免因名稱的不統(tǒng)一導(dǎo)致的后續(xù)操作無法完成。CREO中的宏操作指令如圖2所示。

圖2 CREO中的宏操作指令

1.2.2 網(wǎng)格劃分

在優(yōu)化仿真流程時，首先選擇最耗時的網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。作者應(yīng)用Altair最新的SimLab軟件，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)網(wǎng)格劃分的特點(diǎn)，編寫了控制該軟件前處理的腳本，從而大大提高了效率。

運(yùn)行腳本文件，自動對導(dǎo)入的CAD模型施加Mesh Control，并對所有的零件劃分網(wǎng)格；然后在網(wǎng)格上根據(jù)發(fā)布幾何自動創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)集合。在不同的零件之間建立接觸或者約束；最后創(chuàng)建分析步，且為每個零件賦予相應(yīng)的材料屬性。完成以上步驟后，會自動以inp 格式導(dǎo)出文件。

1.2.3 自動化創(chuàng)建坐標(biāo)系及連接

網(wǎng)格處理以后，將網(wǎng)格文件以inp文件形式導(dǎo)出。重新導(dǎo)入到HyperMesh中，通過TCL語言二次開發(fā)得到的命令控件存儲在Hypermesh中Utility—user界面上，如圖3所示。

圖3 自動化控件界面

轉(zhuǎn)向機(jī)類型不同，結(jié)構(gòu)不同，所需要進(jìn)行的操作有所差異，所以開發(fā)了3種類型的自動化命令。以雙小齒輪電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)為例，將處理好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入HyperMesh中，首先點(diǎn)擊CreateSystem_DP按鈕，軟件會基于前一步設(shè)置的特征面的set自動創(chuàng)建相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，再通過節(jié)點(diǎn)之間的位置關(guān)系，創(chuàng)建各加載位置所需要的局部坐標(biāo)系并將對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)賦予對應(yīng)的坐標(biāo)系中，為最后實(shí)現(xiàn)自動加載提供了基礎(chǔ)。

完成上一步后，再點(diǎn)擊CreateCoup_DP按鈕，軟件會基于不同的硬點(diǎn)和不同的特征面創(chuàng)建相應(yīng)的連接。至此，通過二次開發(fā)就已經(jīng)將創(chuàng)建坐標(biāo)系和連接這些負(fù)載的操作變成了點(diǎn)擊兩個命令按鈕這樣的一鍵式操作了。這里并沒有將兩個按鈕融合成一個，這樣實(shí)現(xiàn)自動化的同時也能保證足夠的手工介入的地方，可以應(yīng)對特殊類型的情況。

對于部分轉(zhuǎn)向機(jī)中包含有彈性元件的情況，可以通過點(diǎn)擊Create_Bush按鈕，彈出如圖4所示的對話框，在對話框中輸入相應(yīng)的剛度數(shù)值，可自動創(chuàng)建出所需要的彈性單元。

完成之前所有步驟以后，點(diǎn)擊Auto_general按鈕，軟件會自動將設(shè)置好的模型用指定的文件名導(dǎo)出。

1.2.4 加載方式

轉(zhuǎn)向機(jī)是由齒輪、齒條、軸承、拉桿等多零件組成的系統(tǒng)件，轉(zhuǎn)向機(jī)在工作狀態(tài)下載荷是通過拉桿、齒條和軸承傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)殼體上，所以要在殼體上不同的軸承位置和接觸位置分別設(shè)置加載點(diǎn)進(jìn)行加載。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的轉(zhuǎn)向機(jī)有20～30個加載位置，正常車輛需要分析的工況類型有近20個，所以傳統(tǒng)的逐個點(diǎn)輸入載荷的方式工作量非常大，而且極易出錯。

圖4 自動創(chuàng)建彈性單元界面

為了實(shí)現(xiàn)加載的自動化，在前一步數(shù)模自動化處理時就將載荷加載點(diǎn)創(chuàng)建出來，而且根據(jù)不同的位置按一定規(guī)則自動重命名成指定的ID，這樣就可以通過單獨(dú)的載荷文件進(jìn)行自動加載。

為了得到相應(yīng)的載荷文件，作者通過VB編程，開發(fā)了自動創(chuàng)建載荷文件的程序，如圖5所示。

點(diǎn)擊“LoadName”按鈕，軟件會自動提取載荷文件中的各種工況名稱，并顯示到Loadcase對話框中。在右側(cè)選擇轉(zhuǎn)向機(jī)類型及預(yù)緊力情況，然后點(diǎn)擊“Load Create”按鈕，軟件會自動生成每一種工況的單獨(dú)INP文件，并生成Abaqus啟動文件，示例如圖6所示。

圖5 自動創(chuàng)建載荷文件程序

圖6 自動生成的載荷文件

1.2.5 提交計(jì)算

載荷文件創(chuàng)建好后，將載荷文件和第三步導(dǎo)出的網(wǎng)格文件放在同一文件路徑下，雙擊上一步生成的Abaqus_start.bat文件，計(jì)算機(jī)就開始進(jìn)行批處理的計(jì)算，直至所有工況計(jì)算完成。

通過單獨(dú)計(jì)算不同工況可以有效控制計(jì)算量，在首次計(jì)算后，可直接根據(jù)計(jì)算結(jié)果找出最惡劣工況，在后期的優(yōu)化中可單獨(dú)計(jì)算相應(yīng)的工況達(dá)到快速評估的效果。

1.2.6 后處理及自動化報告

轉(zhuǎn)向機(jī)的常規(guī)仿真涉及到二十多種工況，每種工況的評價指標(biāo)都不相同，所以在完成分析后如果逐一讀取相應(yīng)的結(jié)果并通過截圖的方式進(jìn)行報告整理會消耗大量的時間。

作者通過對HyperView進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了通過導(dǎo)入指定載荷文件的方式，自動讀取相應(yīng)工況的結(jié)果并根據(jù)不同的工況名稱設(shè)置相應(yīng)的閾值。并通過TCL與VB的聯(lián)合開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了自動截圖并自動生成標(biāo)準(zhǔn)格式的仿真報告。自動化后處理程序界面如圖7所示。

圖7 自動化后處理程序界面

2 項(xiàng)目驗(yàn)證

流程開發(fā)完成后，在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中對自動化流程效果進(jìn)行驗(yàn)證，對比新舊流程在仿真效率上的不同。

2.1 網(wǎng)格劃分

傳統(tǒng)流程中使用HyperMesh軟件，對導(dǎo)入的數(shù)模進(jìn)行逐一模型清理、網(wǎng)格大小控制、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格檢查等。如圖8所示，一個轉(zhuǎn)向機(jī)的殼體計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分時間在10 h以上。

圖8 傳統(tǒng)模型網(wǎng)格劃分

自動化流程中，作者將網(wǎng)格劃分的工作切換到了SimLab中，不僅能加快網(wǎng)格劃分的速度，而且也能更好地實(shí)現(xiàn)后續(xù)的自動化操作。如圖9所示，劃分網(wǎng)格所需時間控制在3 h以內(nèi)。

圖9 自動化網(wǎng)格劃分

2.2 其他前處理操作

網(wǎng)格劃分完成后，還需要對模型的相應(yīng)加載面和接觸面進(jìn)行處理，設(shè)置連接和接觸，建立相應(yīng)的加載坐標(biāo)系，將載荷施加到模型中，最終才能完成計(jì)算。

傳統(tǒng)的仿真流程中，作者將HyperMesh中的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Abaque CAE軟件中，在Abaqus軟件中對模型進(jìn)行操作和加載。如圖10所示，轉(zhuǎn)向機(jī)項(xiàng)目工況很多，每個工況加載點(diǎn)也很多，整個模型處理及加載的過程需要時間在10 h以上，而且因數(shù)字眾多，也極易出錯。

圖10 傳統(tǒng)前處理流程

自動化流程中，基于預(yù)先設(shè)置好的特征面位置自動創(chuàng)建相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動化連接及接觸，自動創(chuàng)建坐標(biāo)系。加載過程也是通過自動化程序自動生成載荷文件實(shí)現(xiàn)的。所有操作都只需要點(diǎn)擊幾個命令按鈕來完成，不僅極大提高了效率，也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的流程操作，減少了錯誤的發(fā)生，如圖11所示。

圖11 自動化前處理流程

2.3 后處理操作

在后處理操作中，傳統(tǒng)的方法是通過單獨(dú)讀取每一個文件、截圖并手動排版，形成最終的仿真報告。如圖12所示，對于轉(zhuǎn)向機(jī)項(xiàng)目來說，因工況多，需要截圖的位置多，所以整個過程極其繁瑣，耗時4 h以上。

圖12 傳統(tǒng)后處理流程

通過自動化的方式可以自動根據(jù)不同工況截圖，并顯示出高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力數(shù)值，自動根據(jù)所需要的角度進(jìn)行截圖并生成相應(yīng)的自動化報告。這樣的操作極大地解放了工程師手動截圖的繁瑣程度，提高了分析效率，如圖13所示。

圖13 自動化后處理流程

3 總結(jié)

通過對Altair軟件的二次開發(fā)，重新建立了轉(zhuǎn)向機(jī)仿真分析的流程，將原本大量的繁瑣的手工操作通過自動化的方式完成，大大提高了仿真分析的效率。如圖14所示，通過多個項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對兩種流程所消耗的時間進(jìn)行對比，可以看出，使用自動化流程后極大地提高了仿真分析的效率。

圖14 自動化成效對比

4 應(yīng)用前景

通過建立新的自動化分析流程，不僅提高了仿真工作效率，還實(shí)現(xiàn)了仿真分析的標(biāo)準(zhǔn)化操作，降低了因手動操作導(dǎo)致的人為錯誤的發(fā)生概率，提升了仿真的準(zhǔn)確性。將CAE工程師從常規(guī)的項(xiàng)目工作中解放出來，將工作重心更多地放在提升仿真分析能力上，為企業(yè)的技術(shù)能力提升做出貢獻(xiàn)。