基于TCL语言的CAE流程自动化系统设计

2012-07-03LUTianyuKONGXiao

制造业自动化 2012年1期

LU Tian-yu, KONG Xiao

0 引言

在一般CAE分析过程中，前处理过程一直是占用时间最多的环节，一般均大于70%，而且大多数情况是手动操作、重复操作。因此，如果能够通过二次开发设计出一套CAE分析标准流程，必然能够提升CAE工程师的工作效率，大大缩短工作时间。另外，通过自主开发的流程自动化系统，能够固定分析流程与规范，使得计算结果得到较高的一致性，适合在企业里推广。

HyperWorks 是一个高度开放性的 CAE平台，用户根据自己的需求可以有多种途径编制自动化程序。 HyperWorks CAE流程自动化系统的开发依托于多种工具，包括Process Manager、Process Studio、Tcl/Tk语言、HTML语言以及HyperWorks所提供的功能函数等[1]。

本文将介绍用于主模型底座分析及优化而编制的流程自动化系统。该系统借助于HyperWorks的二次开发工具，通过调用编译的TCL程序，自动实现主模型底座分析以及优化。

1 TCL语言介绍

TCL语言是一种很通用的脚本语言，它几乎在所有的平台上都可以解释运行，功能强大。主要用于发布命令给一些交互程序如文本编辑器、调试器和shell。它有一个简单的语法和很强可扩充性，可以创建新的过程以增强其内建命令的能力。

另外，TCL可以被嵌入应用程序，TCL的库包含了一个分析器、用于执行内建命令的例程和可以使你扩充（定义新的过程）的库函数。应用程序可以产生TCL命令并执行，命令可以由用户产生，也可以从用户接口的一个输入中读取（按钮或菜单等）[2]。

由于其功能强大且简单易学，故TCL经常被用于快速原型开发、脚本编程、GUI和测试等方面。

2 检具底座CAE分析流程概述

图1为某检具底座有限元分析模型，本文中针对该检具底座进行的CAE分析主要为线性静态分析和模态分析，线性静态分析的目的是研究检具底座在承受上部检具重量时底座所发生的变形，模态分析的目的是为了得到底座的固有频率，为了防止在运输过程中由于发生共振现象导致结构损坏，底座的固有频率须高于通常交通工具运输的基频20Hz[3]。

图1 底座有限元模型

在进行了CAE分析之后，考虑到检具底座在原有方案中存在的比较笨重的缺陷，采用HyperWorks软件的尺寸优化功能对底座某些壁厚参数进行优化，以达到结构轻量化的目的。

3 CAE流程自动化系统设计与开发

针对上文所说的CAE分析过程，本文中的CAE流程自动化系统设计了若干个模块来实现这些功能。下面将介绍本文中的流程自动化系统的结构与实现方式。

3.1 HyperWorks CAE流程自动化系统的结构

本文中的CAE流程自动化系统主要分为两大部分：前处理模块以及尺寸优化模块。

其中，前处理模块的作用是对从CAD软件中导入的几何文件进行处理，主要包括几何清理、网格划分，边界条件设定等，其目的是建立有限元分析模型，从而进行静态和动态性能分析。对于本文中所述的检具底座CAE流程自动化系统来说，静态性能分析目的是模拟底座在承受其上部分检具重量情况下发生的变形；动态性能分析是计算底座固有频率，防止结构在运输过程中由于发生共振现象导致结构损坏。

尺寸优化模块的作用是对底座进行尺寸优化，在控制最大位移的前提下，进行轻量化工作，最终使其重量达到最小。

CAE流程自动化系统的界面如图2所示，本系统以流程树的形式在HyperWorks界面中显示，针对流程树中的每一个步骤，都会有相应的面板与其对应。下面将会介绍流程树功能模块的设计方法。

图2 CAE流程自动化系统界面

3.2 功能模块的设计

3.2.1 前处理模块的设计

在进行底座有限元分析的实际应用中，前处理是CAE分析中占用时间最长的步骤，前处理工作完成的质量对结果有着很重要的影响。因此，如果能够快速准确地完成前处理工作将大大提高工作效率和工作质量。一个完整的前处理流程包括对底座模型进行几何清理、建立材料和组件集、网格划分。其流程图如图3所示。

图3 前处理流程图

在实际工作中，操作人员只需要用到HyperMesh众多功能的某几项功能，在寻找这些功能面板时，需要寻找多次，进行多次点击才能定位这些功能面板。这样就大大增加了工作时间，效率低下。再者，考虑到实际操作过程中可能存在操作不规范的现象，容易造成重复操作或者误操作。因此，前处理模块的设计目的就在于解决这些问题。

模块功能的实现，主要采用两种形式：自定义功能面板和调用HyperMesh原有功能面板。

1）自定义功能面板

以创建材料属性功能为例。在HyperMesh中，正常的创建材料属性的步骤为：选择“Materials”下拉菜单，点击“creat”，然后弹出材料面板，接着在面板的“name”栏输入材料名称，选择材料类型为“ISOTROPIC”，选择材料卡片为“MAT1”，然后点击“creat/edit”，最后在弹出菜单中输入材料的弹性模量、泊松比和密度。这样一个过程是比较繁琐的。针对这个现象，本文设计了一个快捷材料创建面板，如图4所示。

图4 材料创建面板

此材料创建面板主要有三个功能，首先是创建自定义材料属性和名称，即用户只在文本框中需输入材料名称和材料属性，点击“creat material”，就能自动完成材料创建工作；其次就是一键式材料创建，针对企业中检具底座的材料，设计了两个一键式创建按钮，只需点击此按钮，就能快速创建这两种材料，无需任何其他操作，这样就大大方便了材料属性创建工作，通过事先设定好材料属性，也杜绝了由于输错数据而造成的操作失误，图5为已经创建好的Q235钢的材料属性卡片；最后就是材料查看功能，通过该功能，用户能够查看已经创建好的材料，同时也支持删除材料功能，该功能的面板如图6所示，此功能是通过运行HyperMesh自带脚本文件实现的。

图5 Q235材料属性卡片

图6 材料查看面板

由此可以看出，通过使用自定义面板，能快速实现某项功能，免去了很多繁琐的工作，为操作人员节约了大量时间，提高了工作效率，同时杜绝了一些意外的操作失误发生。

2）调用原有面板

在HyperMesh中，部分面板功能已经非常简洁，操作起来也是比较方便，对于这样的面板，只需要建立一个调用按钮，直接调用该面板。

HyperMesh中某个面板的功能主要是通过这两个命令来实现的：hm_callpanel panelName、hm_setpanelproc ProcName，其中参数panelName是要被调用的面板名称，参数ProcName是包括了hm_callpanel命令的“过程”名称[4]。例如要调用solids面板的代码示例是：

proc ::callsolid {} {

hm_callpanel solids

return

}

hm_setpanelproc callsolid

调用HyperMesh原有面板后，可以利用此面板上HyperMesh提供的所有操作，比自己定义功能全面、强大。

以上两个例子说明了前处理模块是如何设计与实现的，可以看出，通过使用CAE流程自动化系统，大大减少了前处理所需要的时间，与传统方式相比，有较大简化，同时通过命令的集成，减少了人工参与，降低了出错的可能性。另外，此系统对操作人员的要求不高，只需要根据系统的提示进行操作，有一定CAE分析基础的人员均可轻松完成整个分析流程。

3.2.2 尺寸优化模块的设计

尺寸优化模块的设计与前处理类似，通过自定义面板和调用面板结合的方法，来实现对底座模型进行尺寸优化。利用HyperWorks进行尺寸优化的步骤如图7所示。

图7 尺寸优化流程

在进行底座尺寸优化时，选取了底座某点的位移响应，将其作为优化约束条件，即最大位移在一定范围内，选取底座总体积作为体积响应，将其作为目标函数，以达到体积最小化的目标。这些步骤在尺寸优化模块中均可以方便得实现。

4 CAE流程自动化系统应用实例

对某检具底座进行静力分析及模态分析，根据实际情况进行加载。在前处理过程中，几何导入、几何清理，网格划分，创建边界条件等一系列功能均在系统中完成。只要按照流程树的引导，每一步完成之后点击“next”，就可以一步一步顺利得完成整个前处理工作。图8为网格划分界面，软件会提示用户选择需要划分的面并输入网格尺寸，就可以完成网格划分。图9为分析卡片创建界面，只要将对应数据输入文本框中，点击“creat”就可完成创建工作。图10为工况创建界面，用户可以浏览已经建立的载荷集合器，然后将他们组合成实际的工况。最终建立好的分析模型如图11所示，只要将其提交至求解器，就能完成整个分析过程，得到分析结果。由此可见，通过使用该系统，将大大缩短进行前处理的实际，全面提高工作效率。