基于HyperWorks的轉向橋CAE分析流程自動化研究與應用

文/張 巖（安徽合力股份有限公司）

叉車是廣泛應用于工業(yè)中的流動式裝卸搬運機械，屬于工程機械。轉向橋是叉車傳動系統(tǒng)中的重要零部件，在叉車運動過程中，它會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模擬叉車轉向橋在不同工況下的應力情形，可以大大降低產品開發(fā)周期和成本。但是CAE 軟件對模型分析時，繁雜且重復性的前處理操作影響工作效率。本文基于Tcl/Tk 語言對HyperWorks 仿真軟件進行二次開發(fā)，編制轉向橋在不同工況下結構分析的流程化程序。經過二次開發(fā)后，簡單繁瑣的前處理操作由軟件自動完成，提高工作效率，同時流程化和標準化的操作過程讓水平存在差異的人分析出的結果保持高度一致性，極大地提高了企業(yè)CAE 分析的質量和效率[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)是通過軟件提供的應用程序接口 API（Application Programming Interface）函數，采用Tcl/Tk 語言編寫有限元分析中各個步驟的命令流及創(chuàng)建圖形界面，借助HyperWorks 中的Processing Manager 平臺開發(fā)出CAE 分析流程自動化系統(tǒng)[3]。Tcl（Tool Command Language）是一種工具命令的腳本語言，用于編寫各個操作步驟的命令。Tk（Toolkit）是圖形工具集，用于定義Tcl 的命令，是用來創(chuàng)建和操控用戶的使用界面。HyperWorks 二次開發(fā)的過程中，在滿足分析結果符合要求的基礎上，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

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

二、轉向橋的CAE分析流程自動化

1.軟件界面模塊

圖2 設計的軟件界面

轉向橋有限元分析過程中需要定義各項操作的基本參數，如單元尺寸、載荷大小、材料屬性等。CAE 分析流程自動化采用配置文件形式定義默認參數，再根據具體模型情況通過用戶界面調整，圖2 是所設計的界面。

為盡量減少用戶手動的操作過程，該CAE 分析流程自動化采用的是單一級別界面設計方式，界面中的不同模塊可以實現不同的功能。幾何模型預覽模塊支持多種類型文件（STEP、IGES、X_T）的導入，用于查看選中的幾何文件是否為有待分析的幾何模型；網格模型創(chuàng)建模塊包括幾何模型清理模塊和網格劃分兩個子模塊，前者對導入的幾何模型根據參數進行自動化清理操作，后者對幾何模型在布爾操作與面網格檢測合格的基礎上進行四面體網格和蜘蛛網格建立；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)建模塊兩個子模塊，前者需選擇材料種類或者輸入材料各參數以及主銷和轉向節(jié)等尺寸值，后者根據工況勾選選項創(chuàng)建一種或多種典型工況，隨即模型會自動化創(chuàng)建各工況下載荷及約束。

2.轉向橋CAE分析流程自動化過程

本研究以某叉車轉向橋結構分析為例，分析在三種典型工況下的結構強度情況。依據實際受力情形，三種工況下轉向橋的載荷和約束加載各不相同，軟件會根據輸入的參數自動建立等效梁單元來方便施加各種約束和載荷。

（1）前處理過程。運行Hypermesh 仿真軟件，點擊工具欄中的頭像按鈕，進入用戶自定義界面，選擇“OptiStruct”求解器；點擊HyperMesh 工作界面中菜單欄中的“User”按鈕，啟動Automatic Process Manager 自動化流程工具，如圖2 所示；在幾何模型預覽模塊中，選擇文件類型“STEP”，選擇某叉車轉向橋幾何模型文件，點擊“預覽幾何”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誤，如圖3 所示；接著輸入“幾何清理模塊”中的各項數值，進行模型簡化處理，然后輸入“網格劃分模塊”中單元尺寸數值，設置劃分出的網格大??；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值，定義主銷、轉向節(jié)、輪胎的半徑值以及轉向節(jié)軸向長度值，軟件憑此數值來建立等效梁單元；在“工況創(chuàng)建模塊”中勾選有待分析的工況，點擊“創(chuàng)建有限元模型”按鈕，劃分出網格；網格劃分完畢后，根據彈出對話框依次選擇6個圓軸幾何面，創(chuàng)建6 個蜘蛛網格，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）求解及后處理過程。轉向橋CAE 分析流程自動化是體現在前處理階段，求解與后處理的方法與常規(guī)操作相同。前處理完成后，點擊“Analysis”,再點擊“OptiStruct”求解，待出現“ANALYSIS COMPLETED”字樣后，表示求解完成；然后點擊“HyperView”，便可進行相關后處理工作，最后查看不同工況下的應力和變形云圖，如圖5 所示。

圖5 應力和變形云圖

三、結語

HyperWorks 軟件的二次開發(fā)在叉車轉向橋CAE 分析流程化和標準化的應用中，不僅操作過程簡單，而且會顯著提升CAE 分析的速度，節(jié)省了大量的工作時間，利于項目的快速推進。CAE 分析流程自動化保證了不同水平的人分析出的結果具有一致性，有效降低了CAE 建模分析的技術門檻。開發(fā)出的CAE 分析流程自動化軟件可以將固有的經驗保存下來，作為企業(yè)的核心技術不斷延續(xù)和傳承。