基于HyperWorks的流程自动化系统开发与应用

孙 静，黄雪飞，李慧萍，米小珍，王 枫

（1. 中国北车唐山轨道客车有限责任公司，唐山063035；2. 广州铁路（集团）公司车辆段，广州510088；3. 大连交通大学现代轨道交通研究院，大连116028）

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法[1]。为了缩短产品设计及研发周期，企业应用CAE技术进行仿真分析已经成为企业创新设计的重要手段。然而由于通用的CAE软件所提供的设计标准与流程，与企业产品的研发设计过程之间存在着很大的差异，使得通用CAE软件难以充分发挥其应有的功能和作用，不能满足企业产品的设计需求。因此企业根据产品的特点，对所使用的CAE软件进行开发定制成为CAE软件应用的一种必然需求。目前我国大多数企业对于CAE软件还只限于使用阶段，而对CAE软件进行二次开发的研究并不是很多[2]。

本文就是针对CAE静强度分析中前处理过程中工作量大、操作步骤繁琐等问题，基于Hyper-Mesh开发了流程自动化系统，该系统以Hyper-Works 软件的Process Studio 模块为开发环境，综合运用Tcl/Tk 语言和HyperWorks内置函数及命令，能够对高速动车组铝合金车体进行静强度分析。该系统有效地规范企业分析流程，减少分析师的重复劳动，对企业缩短研发周期有一定的指导意义。

1 常规静强度分析过程及特点

1.1 常规静强度分析过程

一般利用CAE软件进行静强度分析时，都是以有限元理论为基础，对三维几何模型进行处理并分析求解。有限元方法的数值求解过程主要包括：（1）前处理，即对需要分析的结构进行有限元离散化；（2）计算，即有限元方程的建立与求解的过程；（3）后处理，即有限元方程结果的处理[3]。

1.2 常规静强度分析特点

应用CAE软件对产品进行静强度分析过程中，前处理工作量几乎占到整个分析过程的70%～80%。前处理过程主要包括以下步骤：几何模型导入、中面模型建立、按厚度分组管理中面模型、网格划分、单元质量检查、材料属性的赋值、载荷、约束及工况的建立、模型导出、求解计算等[4]。

对于高速动车组铝合金车体这样的复杂产品，车体结构分析时通常采用板壳模型，前处理过程非常繁琐，尤其是中面模型的建立及分组，材料属性的赋值，载荷、约束及工况的建立等步骤。以铝合金型材车体中面模型的建立为例，需要在现有型材中线的基础上，逐一选择中线分段拉伸中面，每选择一条线段需要输入一次拉伸长度及方向，整个车体共有近千条中线，就需要重复操作近千次，如果一次性选择多条线段进行拉伸中面，软件会按照选择线段的顺序自动拟合出一个曲面，导致不能符合原几何模型的拓扑关系。所以仿真分析工程师就要做大量繁琐、重复性的工作。HyperMesh软件虽然具有强大的前处理功能，但是由于其功能模块众多，功能比较分散，在操作过程中需要在各界面间切换，往往是根据个人的习惯和经验来进行操作，经验丰富的工程师与没有经验的工程师处理问题的方法不同，会导致分析结果有很大的差异[5]。如果有一个规范的仿真分析流程，将工程师的专业知识和经验转化成企业CAE流程并进行固化，实现分析流程的标准化和部分操作自动化，就能有效地规范企业分析流程、引导缺乏经验的设计师加快熟悉工作的进度，减少人为失误，保证分析质量、减少的重复劳动。

2 HyperWorks流程自动化系统开发

2.1 系统开发环境

Altair/HyperWorks是目前行业内应用较广的平台软件，适合运行大规模的CAE分析模型和结果，并且具备二次开发的功能，可以在此基础上开发、定制各种专用功能。本文以HyperWorks10.0软件为平台，以其中的Process Studio 模块为开发环境，综合运用Tcl/Tk 语言以及HyperWorks内置函数与命令，开发出基于ANSYS求解器、可对高速动车组铝合金车体进行静强度分析的HyperWorks流程自动化系统。

2.2 系统框架

针对常规静强度分析的问题，并结合企业需求，本文开发了HyperWorks静强度分析流程自动化系统。该系统在HyperMesh平台上建立了标准流程树结构，便于有限元模型的快速建立，并能导出有限元模型，应用Ansys等求解器进行求解。基于HyperWorks流程自动化系统模块设置及各模块实现的主要功能如图1。

图1 HyperWorks流程自动化系统模块设置及功能

2.3 系统开发

在开发静强度分析流程化系统时，首先应用流程编辑工具（Process Studio）编写流程树（Process Tree），设置好流程树上每一个节点，形成流程模板文件并保存（流程模板文件的扩展名是*.pmt），然后在HyperMesh软件中调用Process Manager模块，载入保存好的流程模板文件，载入后效果见上面图1。该流程树设置了静强度分析所需要的一系列流程步骤，并封装定制了典型的操作步骤，通过可视化的环境引导用户完成静强度分析整个过程，流程树上每个节点对应一个具体功能，并设置了对应的人机交互界面，便于用户操作。对流程树中每个模块对应的节点进行界面及功能开发，具体实施过程如图2。

图2 HyperWorks流程自动化系统开发过程

在系统开发过程中，为了实现流程树上每个节点对应的功能，需要获取相应的命令流。在HyperMesh中，为了获取命令流，需要对简单模型进行手工操作，完成静强度分析所需的步骤，如图1所列出的10个步骤。每次启动HyperMesh后，在HyperMesh的起始目录中会产生一个command.cmf文件，HyperMesh中的每一步操作会以命令流的形式自动记录在此文件中[6]。若command.cmf文件不存在，HyperMesh 会在启动时自动创建。将command.cmf文件中的命令语句拷贝到Tcl文件中，手动修改command语句使之符合Tcl语法，编写相应界面及功能函数，在Hyper-Mesh中调用Process Manager进行调试。

3 HyperWorks流程自动化系统应用实例

以某型号高速动车组铝合金车体为例，应用本文开发的HyperWorks流程自动化系统对其进行静强度分析，其过程如下：根据流程树上各个节点设置的步骤，进行前处理，依次完成模板选择、几何模型导入、几何清理、网格划分、材料属性赋值、工况加载等操作。在流程树上某个节点完成操作后，系统会自动跳到下一个节点并显示相应界面，使用者只需根据系统的引导完成相应操作即可顺利完成整个前处理过程。

3.1 系统自动引导功能

以流程树中模板选择、文件导入两个节点的操作为例来说明系统自动引导的功能。见图1，选择Select user profiles节点之后，出现相应界面，在界面下拉菜单中选择需要的“Profile name”之后，点击“Apply”按钮，系统会直接跳到Import from节点对应的界面，用户直接在界面上操作即可。否则，用户需手动点击切换界面。系统自动切换界面功能有效地减少分析人员手动重复切换界面的次数，提高了工作效率。

3.2 车体中面的快速建立

应用流程自动化系统对车体进行静强度分析共需要的10个步骤，其中车体中面的快速建立最为复杂。为了快速建立车体中面如图3所示，点击“select lines”按钮，选择拉伸中面需要的线段（支持一次性多选或框选），然后在“distance”输入框中输入所要建立中面的长度，最后点击“Apply”按钮，经一次操作选择线段并输入拉伸长度就完成了车体中面的创建，减少了逐一选择中线分段拉伸的上千次操作环节。

图3 建立车体中面界面及实现效果

3.3 载荷工况的快速创建

车体静强度分析通常采用BS EN12663标准进行加载，因此在流程树Loadsteps模块Create Loadsteps节点（Loadsteps模块包括Create Loadsteps、Create_table_spc、Create_table_load3个节点，在流程树上具体位置见图1）封装了EN12663标准定义的17种工况，如图4。

用户可以根据界面提供的选项，选择需要分析的工况进行加载，如图4左边显示在界面上选择了17个工况，箭头指向为选择完之后在模型中的效果。如果错选或多选了工况，可以再点击工况前面的复选框进行修正。此时选择工况只是创建出工况中所包含的载荷和约束组，并没有实际施加载荷和约束，需要利用Create_table_spc及Create_table_load节点的界面功能施加载荷和约束。

图4 创建工况界面

在进行载荷工况定义时，用户只需要点击载荷约束界面上select nodes按钮，弹出选择节点界面，使用者选择有限元模型上需要施加载荷或约束位置的节点，然后点击Apply按钮，传递后台参数，再点击表格中最后一列对应的复选框使之在被选中状态，即可创建相应载荷或约束。如果发现创建的载荷或约束不是想要的，也可以再次点击复选框使之在不选中状态，就可以删除之前创建的载荷或约束。使用者完成载荷及约束的创建之后也就完成了完整工况的创建。在创建载荷界面，如需修改载荷大小，可以在“Magnitude”列所提供的输入框中进行编辑、修改，载荷大小会根据所选的节点数，平均分配到每个节点上。

3.4 有限元模型的生成

应用流程自动化系统所生成的高速动车组铝合金车体有限元模型。

该模型与用常规操作方法完成的完全一致，减少了大量的重复性操作，节约了模型前处理的时间。充分验证了所开发的流程自动化系统的可行性及有效性。将该有限元模型提交至求解器，就可以完成静强度分析整个过程，并得到计算结果。

4 应用流程自动化系统与常规方法对比

使用常规方法对车体进行前处理，需要大量重复性的操作，步骤繁琐，需多次重复切换界面，浪费时间。流程自动化系统能引导使用者操作界面，避免重复劳动，能有效地节省分析师手工操作的时间，提高工作效率。如表1，列出了2种方法对铝合金车体进行前处理所需时间的对比。

表1 两种方法前处理所需时间对比

通过表1对比可以看出，应用流程自动化系统建立车体有限元模型，不仅大大减少了前处理的工作量，有效节省了工作时间（节省了约86%），而且提高了仿真分析的效率和质量。

5 结术语

本文阐述了HyperWorks流程自动化系统的开发过程与关键技术。通过对静强度仿真流程的提炼与开发，实现分析流程的规范化，强化对分析人员的引导，减少人为失误。通过对典型操作步骤进行封装，减少分析过程的大量重复操作。通过高速动车组铝合金车体有限元模型的建立，验证流程自动化系统的实用性及有效性，从而提高设计方案分析和评审效率，最终达到快速设计目标。

[1] 杨鼎宁，邹经湘，盖登宁. 计算机辅助工程（CAE）及其发展[J] . 力学与实践，2005（3）.

[2] 朱金光，冷峻. CAE分析在企业技术创新中的初步探索与实践. 农业装备与车辆工程[J] . 2008（10）：35-37.

[3] 杜平安，甘娥忠，于亚婷. 有限元法—原理、建模及应用[M] . 北京：国防工业出版社，2004.

[4] 张胜兰，郑科黎. 基于HyperWorks 的结构优化与设计技术[M] . 北京：机械工业出版社，2007， 7.

[5] 曹文刚，范超. 基于 HyperWorks 的CAE流程自动化系统设计开发[J] . 工程图学学报，2011（1）：16-21.

[6] John K. Ousterhout Ken Jones，Tcl/Tk 入门经典[M] . 张元章，译. 2版. 北京：清华大学出版社，2010.