基于HyperWorks的参数化有限元分析平台研究

董迎晖, 余 晗

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

基于HyperWorks的参数化有限元分析平台研究

董迎晖, 余 晗

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

针对HyperWorks软件在进行有限元分析时存在的操作复杂、容易出错以及分析者培训周期长等问题,文章运用VB.NET语言和HyperWorks提供的接口函数,基于HyperWorks软件平台进行二次开发,结合多种CAE软件的二次开发经验,开发出一个全中文环境的轴类零件参数化有限元分析CAE流程自动化平台。在该参数化有限元分析平台中,能够快速完成轴类零件的参数化建模、网格划分、选择材料以及边界处理等前处理,然后对其求解及后处理；以某轴类零件静力学分析为例,运用该平台对其进行静力学分析,验证该参数化有限元分析平台具有流程自动化、引导式等特点,能够提高轴类零件的设计效率。

参数化;静力学分析;VB.NET语言;HyperWorks二次开发;轴类零件

HyperWorks 软件是一款在产品开发、设计和分析中广泛应用的大型通用CAE仿真软件,为用户提供了强大的前后处理能力和多领域的计算分析功能,同时集成了多种设计与分析工具,具有强大的性能和高度的开放性,能够实现与主流分析软件如ANSYS、 Nastran和Abquas等求解器的无缝连接[1],为缩短产品的设计周期,降低制造成本,提高产品可靠性提供了强有力的工具[2]。因为ANSYS和HyperWorks等CAE软件功能全面、分析步骤较多,所以不容易被掌握,技术人员在使用这些CAE软件时容易出错,造成不必要的麻烦和损失,不利于企业已有使用经验的传承。同时不同的技术人员在使用CAE软件时,根据模型特点、设计以及分析需求对软件功能有不同的需求,在工作中往往会存在一些相似、繁琐、重复的操作,这就需要花费大量的人力。而为了CAE软件的使用能够高效、实用、贴近生产,大部分CAE软件提供了丰富的二次开发接口。目前,已有一些学者对ANSYS和HyperWorks做了一些研究和开发。文献[3]基于ANSYS对大桥桥梁装配设备的参数化设计和分析,提升了大桥桥梁装配设备的设计速度;文献[4]针对汽车检具底座动态、静态分析以及尺寸优化开发的标准流程,在减少人工成本的同时大幅提高了工作效率,该流程侧重于前处理过程;文献[5]结合企业的研发流程和CAE分析经验运用HyperWorks软件平台下的各种开发工具,开发出CAE后处理流程化平台,为企业CAE 分析人员提供了专业、可靠和高效的后处理分析工具。

轴是组成机械结构的重要零件,是支撑轴上零件、传递运动和动力的关键部件,机器的工作能力和工作质量在很大程度上都与轴有关,轴一旦失效,可能造成严重后果[6]。因此在轴类零件的设计开发过程中,CAE分析十分必要。

针对以上问题,本文以轴类零件的静力学分析为对象,运用VB.NET语言和HyperWorks提供的Tcl API函数对HyperWorks 12.0进行二次开发,开发出轴类零件参数化有限元分析系统平台。该系统采用参数化仿真方法实现了轴类零件的参数化建模,固化了轴类零件的CAE分析流程,引导用户快速地完成CAE分析的前处理和有限元分析的过程,并得到分析结果,以达到简化分析流程、节约设计时间和避免人为错误的目的,减少了设计成本,有利于多重型号产品的开发,同时也为HyperWorks的继续开发提供参考。

1 参数化静力学分析平台开发原理

通过对HyperWorks进行二次开发得到的轴类零件参数化静力学分析系统,在工作时是通过对轴类零件的结构特征与仿真数据进行修改与处理,再从后台调用建模软件HyperMesh和CAE分析软件Radioss,对结构特征进行自动实时更新并做相应分析,从而得到相应的结果文件。

轴类零件参数化静力学分析系统的工作原理如图1所示。具体过程为:首先用户通过在参数化系统平台相应的工作界面中输入轴的相关设计参数,同时参数化系统平台根据输入参数生成相应的建模命令流并同步到数据库中,根据需要调用数据库中的命令流,将其写到.tcl格式的命令流文件中；然后参数化系统通过后台调用HyperMesh 12.0软件并读取.tcl命令流文件,生成并更新参数化模型,同时输出新的结构模型文件,并在该系统平台中显示出该模型图片；在选择合适的材料、约束、载荷等工作条件和生成结果文件的路径后,即可调用求解器进行分析,并将分析结果文件输出，保存到用户指定的路径下。

图1 轴类零件参数化静力学分析系统的工作原理

2 参数化静力学分析平台关键技术

2.1 参数化模型建立

在轴类零件中,为了加工方便或美观要求而设置的凹槽、凸台、过渡圆角以及倒角等在承载时对轴的影响很小,在建模过程中一般不予考虑[7],因此,可以根据轴的各轴段直径和长度进行建模。

参数化建模流程如图2所示。根据轴的各轴段直径和长度等相关设计尺寸参数,在系统平台工作界面中输入各轴段的直径和长度(可通过将某轴段的直径或长度设为0或者不输入来改变轴的段数,此处轴最多有10段),轴类零件参数化静力学分析系统将根据前台输入的数据生成相应的命令流,将其同步到数据库中。程序代码如下:

txtDll.OverrideSingle("SolidCone10.tcl","*solidcone 0 0 " & L09 & "2 0 0 0 0 2 " & Val(txtD10.Text)/2 & " " & Val(txtD10.Text)/2 & " 1 0 360 " & Val(txtL10.Text))

其中,OverrideSingle为实现命令流的读、写而编写的类txtClass.dll中的一个函数,能够实现以覆盖的形式写入一行数据;类txtClass.dll中的函数还有AddSingle、AddMultiple、OverrideMultiple、ReadText以及DeleteOneRow;SolidCone10.tcl为数据库中参数化建模命令流文件; Val(txtD10.Text)、Val(txtL10.Text)、L09为变量,根据前台用户输入的不同设计参数而改变。

图2 参数化建模流程

从数据库中调用所需要的构建模型的命令流,将其写到Shaft-Solid.tcl命令流文件中,为后面调用HyperMesh 12.0、读取Shaft-Solid.tcl命令流文件、实现参数化建模做准备。程序代码如下:

My.Computer.FileSystem.WriteAllText("Shaft-Solid.tcl", Cone1 & … & Cone10, True, System.Text.Encoding.ASCII)

在生成完整的建模命令流Shaft-Solid.tcl后,通过VB.NET中的Shell函数调用HyperMesh 12.0、读取Shaft-Solid.tcl命令流文件、实现参数化建模,得到模型文件和模型显示。程序代码如下:

Shell("D:Program FilesAltair12.0hwinwin64hw.exe-clientconfig hwfepre.dat-uRadiossBulkData-b-tcl Shaft-Solid.tcl", vbNormalFocus)

其中,D:Program FilesAltair12.0hwinwin64hw.exe为HyperWorks 12.0软件的工作路径(不同使用者可以将HyperWorks安装在不同的路径下,可根据自己的安装情况进行设定);-clientconfig hwfepre.dat、-uRadiossBulkData、-tcl以及-b均为HyperWorks的启动选项;-clientconfig hwfepre.dat为启动HyperWorks中的HyperMesh;-uRadiossBulkData为启动HyperMesh的同时设定用户配置文件Radioss-BulkData;-b为对HyperMesh 12.0进行后台调用,即在整个调用HyperMesh 12.0时,不出现它的运行界面,只是小窗体显示其在运行计算中;-tcl Shaft-Solid.tcl为读取运行.tcl格式命令流文件,-tcl后面可以接指定的.tcl格式文件路径,但是此处Shaft-Solid.tcl就在调用的HyperMesh 12.0工作路径下,因此不需要指定具体路径。

2.2 参数化材料选择

在静力学分析过程中,可以通过密度、杨氏弹性模量和泊松比来确定模型的材料属性[8]。在该系统平台中提供了钢、黄铜、硬铝250、超硬铝LC4共4种常用材料供用户选择,另外还提供了自定义选项,通过设置材料的密度、杨氏弹性模量以及泊松比来确定自定义材料属性的选项。

用户在系统平台中设置所需要的材料。如果用户设置的材料是在系统平台中选择的,那么系统直接将定义该材料的材料属性命令流写入.tcl命令流文件中;如果是自定义的材料,那么系统首先将材料的密度、杨氏弹性模量、泊松比同步到材料属性的数据库中,然后再将其写入.tcl命令流文件中。

2.3 约束和载荷设置

在对轴进行线性静力学分析的过程中,通过对轴自由度进行约束和在轴上不同位置施加载荷,获得轴在受到不同约束和不同位置及大小载荷的情况下轴的受力和变形,以确定轴的可靠性。

设置约束和载荷流程如图3所示。

图3 设置约束和载荷流程

由图3可知,建立约束和载荷的方法与参数化建模的方法类似,通过对轴类零件参数化静力学分析系统平台中不同复选按钮的勾选来实现对轴端不同方向上的自由度进行约束,通过点到轴左端面距离的设定来确定施力加载荷的位置,输入在X、Y、Z方向上点受到的载荷的大小,生成定义约束以及载荷方向与大小的命令流,同时同步到数据库中,然后再从数据库中调用将其写到.tcl命令流文件中,为后面调用HyperMesh 12.0生成.fem求解器文件做准备。

2.4 求解并保存

与调用HyperMesh 12.0参数化建模类似,在得到.fem求解器文件后,使用VB.NET中的Shell函数调用Radioss求解。程序代码如下:

Shell("D:Program FilesAltair12.0hwsolversscripts adioss.bat-dir" & " " & txtFilePathOpenFEM.Text & " " & "-outfile" & " " & txtFilePathSaveH3D.Text & "" & txtFileNameSaveH3D.Text, vbNormalFocus)

其中,D:Program FilesAltair12.0hwsolversscripts adioss.bat为Radioss软件的工作路径;-dir和-outfile为Radioss的启动选项,-dir指示.fem求解器文件路径,-outfile指示生成结果文件路径。若起始路径或结果文件路径是默认的,则不需要设置,通过VB.NET中的If…Else…语句将其调用方式设置如下:

Shell("D:Program FilesAltair12.0hwsolversscripts adioss.bat Shaft.fem", vbNormalFocus)

3 系统实现

基于以上技术原理,利用有限元分析软件HyperWorks 12.0的底层开发接口函数进行二次开发,运用VB.NET搭建出轴类零件参数化静力学分析系统平台,其基本操作界面如图4所示,主要由流程控制区、参数设置区和示图说明区3个工作区域组成。

图4 参数化建模界面

以某蜗杆轴的静力学分析为例,根据实际情况设计轴模型、选择材料以及施加约束与载荷,然后求解得到分析结果。

(1) 参数化建模。在参数设置区输入该蜗杆轴每段轴的直径和长度,示图说明区在图形上对参数设置区的尺寸进行标注(见图4)。

(2) 选择材料。在参数设置区选择材料,或者根据材料的密度、杨氏模量以及泊松比自定义材料,示图说明区实时更新显示用户在设定轴几何参数后的模型,如图5所示。

图5 模型选择材料界面

(3) 施加约束和载荷。在参数设置区对模型施加约束,同时参照示图说明区的提示在模型相应位置上施加载荷,如图6所示。

图6 模型施加约束和载荷界面

(4) 求解保存。在求解保存下设置结果文件保存路径和结果文件名,以便能够容易地找到结果文件,如图7所示。在触发开始求解按钮后开始求解。

图7 求解保存界面

通过HyperView可以查看保存路径下的结果文件,如图8所示,其中，图8a为该蜗杆轴受到静载荷后的应力云图；图8b为相应的位移云图。

图8 分析结果

4 结 论

本文运用VB.NET语言和HyperWorks中的Tcl API函数对HyperWorks 12.0进行二次开发,得到一个轴类零件参数化静力学分析系统平台,实现了参数化建模和分析,固化了分析流程,并以实例验证,得到如下结论。

(1) 该系统平台经过封装,可以不依赖于开发系统独立运行,运行环境为Windows 7(64位)及以上系统(只要安装有.NET Framework 4.5及以上版本)和Altair HyperWorks 12.0。

(2) 该系统平台实现了轴类零件静力学分析前处理过程的参数化,使得用户得以从建模、划分网格以及设置属性等繁琐、重复的CAE分析前处理中解放出来。

(3) 该系统平台固化了轴类零件的静力学分析知识和经验,实现了分析流程自动化,避免了分析人员在使用HyperWorks 12.0时会出现的失误。

(4) 该系统平台操作简单,并且是全中文操作界面,降低了分析人员的技术门槛。

[1] 曹文钢,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,2011,32(1):16-21.

[2] 尹安东,龚来智,王欢,等.基于HyperWorks的电动汽车车架有限元分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2014,37(1):6-9，77.

[3] SUN Y T,WANG S M.Ansys second development method and application in computer aided engineering [C]//The 7th International Conference on Computer-Aided Industrial Design and Conceptual Design.[S.l.]:IEEE,2006:186-188.

[4] 陆天宇,孔啸.基于TCL语言的CAE流程自动化系统设计[J].制造业自动化,2012,34(1):3-6.

[5] 郑国君,门永新,胡平,等.基于知识的CAE后处理流程化平台关键技术[J].机械工程学报,2011,47(17):112-118.

[6] 杨彩凤,刘志学,王阳合.轴系零件结构参数化设计的研究与开发[J].成都航空职业技术学院学报,2005,21(2):50-53.

[7] 孙妍.ANSYS在轴类零件有限元分析中的应用[J].机械工程师,2010(12):40-41.

[8] 欧贺国,方献军,洪清泉,等.RADIOSS理论基础与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2013.

(责任编辑 胡亚敏)

Research on parameterized FEM analysis platform based on HyperWorks

DONG Yinghui, YU Han

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

VB.NET language and the API functions which is provided by HyperWorks are used to solve the problem that HyperWorks is so complex that the users usually make mistakes and need to be trained for a long time. A Chinese parameterized and automated FEM analysis platform is developed for statics analysis of shaft parts based on various re-development experience of CAE software and re-development of HyperWorks. In the FEM analysis platform, the parameterized modeling, grid division and material selection can be made quickly as well as the boundary condition defined and the result solved and found. The statics analysis of a shaft parts is conducted by the FEM analysis platform and the result verifies that the parameterized FEM analysis platform has the properties such as automated process and guided analysis, and it can improve the efficiency of shaft parts design.

parameterization; statics analysis; VB.NET language; re-development of HyperWorks; shaft parts

2015-12-02；

2016-03-07

安徽省自然科学基金资助项目(090414161)

董迎晖(1969-),女,安徽合肥人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.003

TP391.9

A

1003-5060(2017)04-0443-05