Hypermesh有限元軟件對汽車CAE自動化工具的思路

 1、背景

 目前CAE技術(shù)已經(jīng)成為汽車研發(fā)的關(guān)鍵工具，CAE分析可加速優(yōu)化設(shè)計、驅(qū)動問題的快速整改，從而實現(xiàn)研發(fā)成本的降低和研發(fā)周期的縮短。深圳市有限元科技有限公司是一家有十年cae項目經(jīng)驗的高科技企業(yè)，公司代理國外多款著名cae軟件，并提供軟件的銷售與培訓業(yè)務(wù)，另研發(fā)出多款行業(yè)cae通用軟件，并秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購買cae軟件或咨詢服務(wù)請聯(lián)系在線客服，QQ：2039363860/4006046636。

 每個整車車型的研發(fā)過程中，大約需要4-5輪CAE分析，每輪分析所包含的分析項通常在400項以上。國內(nèi)整車企業(yè)的CAE團隊一般只有幾十人的規(guī)模，要同時承擔多個車型的開發(fā)，工作任務(wù)相當繁重。而且大多數(shù)分析項需要進行繁瑣的操作和復雜的參數(shù)設(shè)置，易發(fā)生人為錯誤，也不利于企業(yè)分析經(jīng)驗的傳承。

 開發(fā)CAE自動化工具后，用戶只需輸入簡單指令，計算機便能夠按照規(guī)范要求自動完成各種復雜操作，自動設(shè)置根據(jù)經(jīng)驗提煉出的各項參數(shù)。從而將繁瑣的人工操作轉(zhuǎn)化為自動實現(xiàn)。

 2、總體思路

 （1）技術(shù)方案選擇

 整車企業(yè)的CAE分析項中，80%以上是有限元結(jié)構(gòu)分析，涉及強度疲勞、NVH、碰撞安全等領(lǐng)域，而有限元科技代理的Hypermesh是汽車行業(yè)最常用的有限元前處理軟件。汽車結(jié)構(gòu)有限元分析一般都是在HyperMesh中完成網(wǎng)格劃分、模型連接、邊界條件設(shè)置、分析參數(shù)設(shè)置等各項工作，然后導出輸入文件并提交求解。工程師做結(jié)構(gòu)分析，絕大多數(shù)工時都是消耗在Hypermesh操作上。

 HyperMesh也提供了用戶子程序的接口，利用TCL腳本語言，可進行二次開發(fā)，實現(xiàn)功能擴展。

 因此，我們技術(shù)方案選定為基于TCL語言在HyperMesh平臺上二次開發(fā)。利用TCL語言組合各種HyperMesh命令，形成TCL程序腳本。在HyperMesh環(huán)境中調(diào)用該腳本，就能按照指定次序自動執(zhí)行多步命令，從而將CAE工程師的各種操作轉(zhuǎn)化為計算機自動操作，實現(xiàn)CAE流程自動化，達到提升效率和規(guī)范操作的目的。

 （2）開發(fā)理念

 CAE自動化工具的開發(fā)理念是追求簡潔高效和實用，最大限度地提升工作效率和質(zhì)量。不追求所有環(huán)節(jié)的自動化，而是針對重復性勞動最多和最易發(fā)生人為錯誤的工作環(huán)節(jié)進行開發(fā)。自動化工具應(yīng)盡量減少用戶的操作步驟，盡量將參數(shù)設(shè)置固化，盡量避免使用復雜的用戶界面。自動化工具還應(yīng)具備一定的容錯能力，允許用戶進行必要的人工干預。

 （3）技術(shù)路線

 首先要選擇多個已完成或在研的項目，統(tǒng)計各工作項所耗的工時和出錯率，依此來確定自動化工具的開發(fā)重點。

 對于目標工作項，需要解讀相關(guān)技術(shù)規(guī)范和總結(jié)多個項目的經(jīng)驗，確定正確的操作步驟和有良好通用性的參數(shù)設(shè)置，然后確定每步操作和設(shè)置所執(zhí)行的HyperMesh命令。

 用TCL語言編寫程序，按需求調(diào)用各種HyperMesh命令，建立初步的程序腳本。必要時利用TCL擴展的TK工具箱建立圖形對話框，嵌入到程序腳本，實現(xiàn)與用戶的交互。

 初步開發(fā)完成后，應(yīng)由多名工程師將初步開發(fā)的工具程序試用于實際項目，對其易用性、效率和準確度進行對比評估。根據(jù)評估結(jié)果進一步優(yōu)化程序功能、用戶界面、操作步驟和參數(shù)設(shè)置。

 （4）用戶界面

 自動化工具的界面應(yīng)盡量簡潔。如圖1所示，可以在Hypermesh用戶頁面下建立多個宏按鈕，每個按鈕對應(yīng)一個TCL腳本。點擊該按鈕即開始執(zhí)行程序腳本。

圖1CAE自動化工具界面

 3、建模自動化工具

 每輪整車有限元建模大約需要工時1400個，而且有限元結(jié)構(gòu)分析中的人為錯誤至少有60%來源于建模階段，所以建模流程自動化應(yīng)該作為我們的工作重點。當然，建模自動化工具的開發(fā)難度也遠大于分析自動化工具。

 （1）功能模塊規(guī)劃

 建模自動化工具的關(guān)鍵在于四個功能模塊：自動劃分網(wǎng)格、自動讀取BOM表中的材料及厚度、自動為組件賦屬性、自動生成焊點連接。開發(fā)出這四個功能模塊后，用戶只需進行簡單的操作，計算機便可自動完成繁瑣重復的建模工作。

 對于一個完整的整車建模過程，包括接收數(shù)據(jù)（CATIA數(shù)據(jù)及BOM表）、數(shù)據(jù)導入Hypermesh軟件、模型檢查、網(wǎng)格劃分、屬性賦值、模型組裝、建立焊點等幾個部分。利用建模自動化工具的基本工作流程如下圖2所示，只有開始的接受數(shù)據(jù)、導入Hypermesh和檢查幾何模型需要人工操作，其他環(huán)節(jié)都可以自動實現(xiàn)。每輪整車建模所需工時可由1400個小時以上縮減至400個小時，建模出錯率將減少80%以上。

圖2自動化建?；具^程

 （2）自動劃分網(wǎng)格

 網(wǎng)格劃分自動化工具基本要求：在彈出的組件面板中選定需要劃分網(wǎng)格的組件，即能按照預設(shè)的網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量要求，完成網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化工作；程序所有操作均應(yīng)在HyperMesh主界面下完成；網(wǎng)格劃分完成后，模型應(yīng)保持原有的裝配層級關(guān)系。

 網(wǎng)格自動化工具調(diào)用Hypermesh自帶的Batchmesher模塊，同時應(yīng)允許用戶自由設(shè)定網(wǎng)格尺寸。

 （3）自動讀取BOM表中的材料及厚度

 自動讀BOM表工具基本要求：在彈出的組件面板中指定多個組件，然后根據(jù)提示用戶指定相關(guān)BOM表文件(Excel格式)，程序即自動讀取BOM表中的材料牌號和料厚數(shù)據(jù)，并將材料牌號和料厚信息在組件命名中體現(xiàn)。

 例如A201車型的件號為5401286的鈑金件，Hypermesh中相應(yīng)的組件初始命名為N5401286，tyrp.net程序根據(jù)組件命名，在BOM中查找該鈑金件的材料牌號和料厚，將這個組件改名為N5401286_A201_00150_01_DC01。其中00150指的是料厚1.5mm，DC01為材料牌號，這兩個數(shù)據(jù)是從BOM中讀取的。

 對于有些整車企業(yè)，準確的料厚不是由BOM提供，而是在幾何數(shù)據(jù)中體現(xiàn)。此時就需要設(shè)法調(diào)用Hypermesh中的相關(guān)指令，根據(jù)鈑金件幾何數(shù)據(jù)自動測定料厚，識別出的料厚同樣應(yīng)在組件命名中體現(xiàn)。

 （4）自動為組件賦屬性

 自動賦屬性工具基本要求：在彈出的組件面板中選擇多個組件，即可自動為組件創(chuàng)建同名屬性，并根據(jù)組件名稱中的材料牌號和料厚信息，自動完成組件屬性的材料和厚度設(shè)置。

 例如組件N5401286_A201_00150_01_DC01，程序為其自動生成一個名稱同為N5401286_A201_00150_01_DC01屬性，并識別出料厚為1.5mm，材料為DC01，搜索HyperMesh模型中名為DC01的材料（如果沒有則新建一種材料），最后自動將材料卡片編號和料厚信息寫入屬性中。

 自動賦屬性工具應(yīng)能適用于Nastran、Abaqus和LsDyna等多種常用求解器。

 （5）自動生成焊點

 整車網(wǎng)格劃分工作通常是分配多名工程師，分別完成網(wǎng)格劃分后再匯總到一起，原始的裝配關(guān)系很可能就不存在了。所以首先應(yīng)該開發(fā)一個工具模塊，能夠根據(jù)Catia幾何模型的裝配關(guān)系重新調(diào)整HyperMesh模型的裝配關(guān)系，確保裝配關(guān)系正確。

 Catia焊點幾何一般都在Part命名中體現(xiàn)焊點層數(shù)和所連接的部件。tyrp.net焊點自動生成工具應(yīng)提示用戶選擇存放Catia焊點幾何的組件，計算機即提取每個焊點的層數(shù)和連接關(guān)系信息，然后生成焊點Connector。

 4、分析自動化工具

 （1）優(yōu)先開發(fā)的分析項

 我們應(yīng)該優(yōu)先選擇實施頻繁或者操作復雜的常規(guī)分析項進行開發(fā)，如表1。

表1建議重點開發(fā)的分析項

 選定開發(fā)目標后，應(yīng)在充分調(diào)研CAE工程師實際需求的基礎(chǔ)上，確定程序的功能、運行流程和操作界面，并且在實施項目工作中反復調(diào)試優(yōu)化。

 一般說來，開發(fā)完成后，相應(yīng)分析項的操作時間可減少90%以上。

 （2）分析自動化工具示例

 如白車身安裝點剛度分析，每次分析我們要操作六十多個安裝點。如圖3所示，每個安裝點都要逐個建立局部坐標系，施加法向力，建立載荷集、載荷步，設(shè)置結(jié)果輸出選項。耗時較長，易出錯。采用自動化工具后，用戶只需鼠標選中所有安裝點，即可自動按規(guī)范要求完成上述操作，從而使操作效率有幾十倍的提升。

圖3白車身安裝點剛度分析操作步驟

 再如白車身料厚靈敏度分析。白車身一共有數(shù)百個鈑金件，需要對每個鈑金件分別建立設(shè)計變量并完成各種設(shè)置。靈敏度分析完成后，需要逐個查看零件號，人工對比哪個零件靈敏度高。所以通常只能選擇幾十個鈑金件進行分析，并不能準確找到白車身靈敏度較高零件。采用自動化工具，只需要鼠標圈選白車身所有鈑金件，就可以一次對幾百個鈑金件進行靈敏度分析，工具程序還能自動對分析結(jié)果進行可視化后處理，如圖4所示，讓用戶能夠直觀查看靈敏度高區(qū)域。從而使工程師操作時間由30小時減少到1小時左右。

圖4靈敏度分析結(jié)果可視化處理

 （3）幾點建議

 自動化工具的目標用戶應(yīng)是有一定經(jīng)驗的CAE專業(yè)人員。開發(fā)時不應(yīng)該追求CAE工作的傻瓜化，而是著眼于提升專業(yè)人員的工作效率和質(zhì)量。分析結(jié)果的評價和優(yōu)化方案的提出仍然依賴于工程師的理論和經(jīng)驗。

 TCL程序應(yīng)簡潔高效。盡量選擇宏按鈕方式，減少復雜用戶界面；應(yīng)當充分組合利用hypermesh內(nèi)置的各種命令，TCL程序本身不應(yīng)做復雜的運算；不追求完全自動化，而是實現(xiàn)人工操作與計算機自動化的流暢結(jié)合。

 二次開發(fā)能力應(yīng)在團隊所有成員中推廣。團隊中少數(shù)成員承擔關(guān)鍵工具程序的開發(fā)工作；其他成員應(yīng)能夠根據(jù)需要修改已發(fā)布工具程序或做簡單的開發(fā)。

 5、應(yīng)用前景

 CAE自動化工具不僅提高了工作效率，還確保按照規(guī)范要求執(zhí)行操作，因此可減少人為錯誤發(fā)生的機率，提升分析結(jié)果的準確性。

 常規(guī)的CAE建模和分析工作實現(xiàn)自動化，tyrp.net可推動CAE工程師的工作重點向非常規(guī)和創(chuàng)造性的工作轉(zhuǎn)移。

 企業(yè)在CAE分析操作技巧和參數(shù)設(shè)置方面通常都有多年的經(jīng)驗積累，這些經(jīng)驗可封裝到自動化工具中，從而實現(xiàn)經(jīng)驗的固化和傳承。CAE工程師只要按照規(guī)定的步驟進行簡單操作就能進行實際項目工作，所以初級工程師也能完成高難度的分析項。

 基于Hypermesh開發(fā)的自動化工具程序易于安裝，只需把程序文本拷貝到指定目錄下。其操作方式也易掌握，大部分情況下，用戶只需進行數(shù)次鼠標點擊，工具程序即能自動完成各種操作。因此我們開發(fā)的自動化工具不僅適用于CAE專業(yè)工程師，未來也可在考慮其它專業(yè)（例如車身設(shè)計、底盤設(shè)計）適當推廣。

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