基于HyperWorks的CAE流程自动化系统设计开发

基于 HyperWorks 的 CAE 流程自动化系统设计开发 为满足产品零件结构合理 实用等市场要求 在产品设计阶段利用计算机进行 CAE 分析是十分必要的 目前国外一款高效实用的 CAE 软件 HyperWorks 在产品开发 设计 分析中得到日益广泛应用 但在使 用 HyperWorks 软件进行分析时 操作比较复杂 且不利于企业已有使用经验的传承 因此 在保证 CAE 分析的正确性和精确性条件下 如何使软件使用便捷 高效成为企业所关注的重要问题 目前国内 许多应用 HyperWorks 的企业只停留在使用阶段 对 HyperWorks CAE 流程自动化系统的开发仍是空白 本文以 HyperWorks 的 Process Studio 模块为开发环境 综合运用 Tcl Tk 语言和 HyperWorks 内置函数 开发出适用性很强的 CAE 流程自动化系统 详细阐述自动化系统的开发流程及其关键技术 辅以实例分 析论证其实用性和可行性 对国内企业开发工作具有很强指导意义 1 CAE 流程自动化系统 1 1 系统结构 HyperWorks CAE 流程自动化系统结构如图 1 所示 HyperWorks 提供一个标准化流程执行工具软件 Process Manager 它将工程师的专业知识转化成企业 CAE 流程并进行固化 最终实现分析流程标准化 和自动化 提高企业 CAE 分析的质量和效率 利用它建立 CAE 分析流程标准模板 并以此模板为向导 实现 CAE 分析过程自动化 Process Manager 提供与其他应用程序的接口 APIs 利用 APIs 控制 HyperWorks 内的所有应用软件 如调用用于后处理的 HyperView 此外 还可以利用相应的 APIs 启动 第三方软件包和服务以及建立与它们之间的联系和通信 Process Studio 是 HyperWorks 编制模板模块 利用它可将标准的 CAE 分析过程制成模板 每一个 CAE 分析过程中的操作任务都是应用 Tcl Tk 或 Process Studio 内置 UI 模块开发而成 如何开发是本文研究重点 1 2 系统开发流程 CAE 流程自动化系统开发流程如图 2 所示 2 流程开发关键技术 2 1 HyperWorks 内置命令 HyperWorks 为用户提供丰富的功能函数 主要有两种 其一是 命令函数 如 shrink 2 其二则是 hm 命令函数 它们是 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 使开发定制流程成为可能 命令函数用来实现与 HyperMesh 的 DataBase 通信 例如 从 HyperMesh DataBase 可获取如下信息 IDs on a mark list of assemblies components node values 等 2 2 Tcl Tk 程序设计技术 Tcl 即 Tool command language 的首字母 读作 Tickle 与 C 和 Java 语言类似 是一种脚本语言 与 C 和 Java 相比 Tcl 能方便地向应用程序添加其解释器 Tk 是 Tcl 的图形界面工具包 用于定义 Tcl 命 令 创建和操纵用户界面部件 Tk 是 Tcl 最有用的扩展 其所有的功能都可以通过 Tcl 获得 这给了 Tk 很大的弹性 动态可控性 并使得它比其他工具包功能更强大 Tcl Tk 易学 易用 易嵌入 在流程自动 化系统开发过程中 用来组织界面背后代码 实现代码间逻辑关系 实现 CAE 流程自动化目的 给开发 工作带来极大方便 利用 Tk 创建 CAE 流程自动化系统与用户交互的 GUIs 如图 3 所示 是一个人机交 互的 Panel 为用户提供参数输入界面 2 3 HyperWorks 内置 GUI 命令函数 HyperWorks 内置创建 GUI 的命令函数如 hwt createWindow win name options 此命令的功能是 创建一个窗口 使用这类命令可以方便快速地开发出适用的人机交互界面 2 4 数据库的连接 CAE 流程自动化系统应有相应数据库作为支撑 通常需建立材料数据库和载荷数据库 材料库以材料名称 弹性模量 密度等字段建立 为方便操作与维护 可选用 Ms sql 2000 或 Oracle 作为数据库环境 本系统 以 Ms sql 2000 为环境 数据库名称为 mydb 用户名为 user 3 CAE 流程自动化系统开发的实施 明确产品零件类别 保证开发出的 CAE 流程自动化系统最大范围地适用企业各类产品 CAE 分析 保证 CAE 流程自动化系统具有最大柔性 是系统开发首要要求 3 1 综合分析产品或零件 对产品或零件进行分析有两个要求 首先 为保证对某类产品或零件进行 CAE 分析 模态分析 谐响应 分析等 操作正确性 必须由专业 CAE 人员进行实际操作 其次 在分析时要认真选择好分析对象 选 择分析对象应该遵循原则 被分析对象应具备充分代表性 尽可能多地代表一类产品或零件 即在对这一 产品或零件 CAE 分析时 应包括在对某类产品或零件 CAE 分析时所需全部要求 3 2 获取命令流 综合分析的目的是获取 CAE 操作的命令函数 用户与 HyperMesh 开始会话时 HyperMesh 自动记录所有 会话 内容 即启动软件 用户建模 单元的建立 创建 component 以及后处理等所有操作会自动以命 令流的方式记录在 command cmf 文件中 command cmf 存在 HyperMesh 的工作目录之下 若 command cmf 不存在 HyperMesh 会在启动时自动创建 在 Windows 系统上设置起始目录的步骤是 右击 HyperMesh 的桌面图标 从弹出的菜单中选择 Properties 属性 菜单项 设置 Shortcut 快捷方式 栏中的 Start In 起始位置 字段中的路径 如可设置起始路径为 F myCMF9 0 command cmf 文件中命令流为 命令全部以 开头 如 enablemacromenu 1 命令名称部分直到左边 括号 命令的参数是在左右括号中间 以列表的形式给出且以逗号分隔 如 window 0 0 0 0 0 HyperWorks 识别命令时 把星号 和左括号 之间的部分看作是命令名 命令名称之后皆为参数 命 令经过相应修改后使之符合 Tcl Tk 语法 即为要获取的命令流 如定义动态载荷名称的命令 collectorcreate loadcols reload2 5 其中 reload2 参数传递用户在页面中输入的载荷名 3 3 利用 Process Studio 标准化 CAE 流程 Process Studio 是开发 CAE 流程自动化系统的平台 是 Process Manager 的模块 CAE 流程自动化系统在 Process Manager 管理下运行 实现 CAE 流程自动化 3 3 1 CAE 流程自动化系统的文件结构 CAE 流程自动化系统的文件结构如图 4 所示 tclincludes 文件夹里存放 tcl 文件 tcl 文件是实现系统功能的核心部分 3 3 2 Process Tree 的建立 Process Tree 每个节点是一个具体任务 都有相应 GUI 与用户形成交互 通过 GUI 用户可以输入参数以 供求解计算使用 图 5 所示即为求解谐响应的 Process Tree 此外 还应设置 Process Tree 的任务属性见图 6 3 3 3 GUI 设计与制作 Process Tree 每个任务节点都有相应的 GUI 与之对应 如与 Input Setup 节点相对应 GUI 页如图 7 所示 3 3 4 utils 之间数据传递及 Tcl Script 的调用 utils 即 Process Studio 中控件总称 它们之间可以用两种方法实现数据通信 Using Tcl Script to Write Callbacks Using HWPM Script to Write Callbacks 例如 要获得一个名字为 mytext 文本框的值可以用语句 set strValue hw pmgr PmgrGetData 0 mytext value 要调用 Tcl Script 只须将脚本放在 tclincludes 文件夹里面 并在相应的 utils 的属性中设置所调用的 Tcl Script 即可 3 4 CAE 流程自动他系统扩展与完善 对所开发系统应进行测试 以进一步完善其功能 根据某类产品 CAE 分析的共性 进行功能扩展 提高 CAE 流程自动化系统的柔性 以适用于更多产品零件的分析 4 CAE 流程自动化系统应用实例 对某汽车半轴进行模态频率响应分析 根据实际工况进行约束 施加单位载荷 其频率范围为 0 2000Hz 用于响应求解的频率为 20Hz 开始 步长为 20Hz 频率增加次数为 100 次 用 Lanczos 法确 定频率范围 设为 1 2000Hz 选定点的位移一频率图见图 13 经与实验数据分析对比 验证了求解正 确性 4 1 获取命令流 用 3 节所述方法可获取命令流 这里只列出修改过的一小部分 4 2 创建 Process Tree 及相应 GUI 利用 Process Studio 创建谐响应分析流程 Tree 见图 9 Tree 的每个节点都有相应页面与之对应 如 定义动态载荷节点 Defme Dload 与之相对应的用户交互界面如图 10 所示 利用 3 3 4 节介绍的方法建立 数据传递与函数调用关系 4 3 系统运行 系统在运行过程中 面的重新划分 线的压缩 相邻点的合并等进一步细化清理则一般是利用 HyperMesh 自身的几何清理工具来完成 现将系统运行的主要过程介绍如下 1 调用 CAE 系统 为方便操作 利用宏命令将调用系统的按钮添加到 HyperMesh 的 User 页 如随机 谐响等 如图 8 所示 点击相应按钮即可调用相应的分析流程 图 8 用户页 2 谐响应分析系统界面 谐响应系统流程如图 9 所示 图 9 谐响应系统流程 3 定义动态载荷 定义动态载荷界面如图 10 所示 图 10 定义动态载荷界面 4 定义频率范围 频率范围输入界面如图 11 所示 图 11 额频率范围输入界面 5 设定 Lanczos 法求解 La