Hypermesh有限元軟件對(duì)汽車CAE自動(dòng)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(jì)、驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的快速整改，從而實(shí)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的高科技企業(yè)，公司代理國(guó)外多款著名cae軟件，并提供軟件的銷售與培訓(xùn)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(guó)超過(guò)500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購(gòu)買cae軟件或咨詢服務(wù)請(qǐng)聯(lián)系在線客服，QQ：2039363860/4006046636。

 每個(gè)整車車型的研發(fā)過(guò)程中，大約需要4-5輪CAE分析，每輪分析所包含的分析項(xiàng)通常在400項(xiàng)以上。國(guó)內(nèi)整車企業(yè)的CAE團(tuán)隊(duì)一般只有幾十人的規(guī)模，要同時(shí)承擔(dān)多個(gè)車型的開發(fā)，工作任務(wù)相當(dāng)繁重。而且大多數(shù)分析項(xiàng)需要進(jìn)行繁瑣的操作和復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，易發(fā)生人為錯(cuò)誤，也不利于企業(yè)分析經(jīng)驗(yàn)的傳承。

 開發(fā)CAE自動(dòng)化工具后，用戶只需輸入簡(jiǎn)單指令，計(jì)算機(jī)便能夠按照規(guī)范要求自動(dòng)完成各種復(fù)雜操作，自動(dòng)設(shè)置根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提煉出的各項(xiàng)參數(shù)。從而將繁瑣的人工操作轉(zhuǎn)化為自動(dòng)實(shí)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(xiàng)中，80%以上是有限元結(jié)構(gòu)分析，涉及強(qiáng)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(xiàng)工作，然后導(dǎo)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(shí)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(yǔ)言，可進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

 因此，我們技術(shù)方案選定為基于TCL語(yǔ)言在HyperMesh平臺(tái)上二次開發(fā)。利用TCL語(yǔ)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(dòng)執(zhí)行多步命令，從而將CAE工程師的各種操作轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)CAE流程自動(dòng)化，達(dá)到提升效率和規(guī)范操作的目的。

 （2）開發(fā)理念

 CAE自動(dòng)化工具的開發(fā)理念是追求簡(jiǎn)潔高效和實(shí)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(dòng)化，而是針對(duì)重復(fù)性勞動(dòng)最多和最易發(fā)生人為錯(cuò)誤的工作環(huán)節(jié)進(jìn)行開發(fā)。自動(dòng)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(fù)雜的用戶界面。自動(dòng)化工具還應(yīng)具備一定的容錯(cuò)能力，允許用戶進(jìn)行必要的人工干預(yù)。

 （3）技術(shù)路線

 首先要選擇多個(gè)已完成或在研的項(xiàng)目，統(tǒng)計(jì)各工作項(xiàng)所耗的工時(shí)和出錯(cuò)率，依此來(lái)確定自動(dòng)化工具的開發(fā)重點(diǎn)。

 對(duì)于目標(biāo)工作項(xiàng)，需要解讀相關(guān)技術(shù)規(guī)范和總結(jié)多個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，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(yǔ)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(shí)利用TCL擴(kuò)展的TK工具箱建立圖形對(duì)話框，嵌入到程序腳本，實(shí)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(shí)際項(xiàng)目，對(duì)其易用性、效率和準(zhǔn)確度進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)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(dòng)化工具的界面應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔。如圖1所示，可以在Hypermesh用戶頁(yè)面下建立多個(gè)宏按鈕，每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)一個(gè)TCL腳本。點(diǎn)擊該按鈕即開始執(zhí)行程序腳本。

圖1CAE自動(dòng)化工具界面

 3、建模自動(dòng)化工具

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

 （1）功能模塊規(guī)劃

 建模自動(dòng)化工具的關(guān)鍵在于四個(gè)功能模塊：自動(dòng)劃分網(wǎng)格、自動(dòng)讀取BOM表中的材料及厚度、自動(dòng)為組件賦屬性、自動(dòng)生成焊點(diǎn)連接。開發(fā)出這四個(gè)功能模塊后，用戶只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，計(jì)算機(jī)便可自動(dòng)完成繁瑣重復(fù)的建模工作。

 對(duì)于一個(gè)完整的整車建模過(guò)程，包括接收數(shù)據(jù)（CATIA數(shù)據(jù)及BOM表）、數(shù)據(jù)導(dǎo)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(diǎn)等幾個(gè)部分。利用建模自動(dòng)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(dǎo)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(dòng)實(shí)現(xiàn)。每輪整車建模所需工時(shí)可由1400個(gè)小時(shí)以上縮減至400個(gè)小時(shí)，建模出錯(cuò)率將減少80%以上。

圖2自動(dòng)化建?；具^(guò)程

 （2）自動(dòng)劃分網(wǎng)格

 網(wǎng)格劃分自動(dòng)化工具基本要求：在彈出的組件面板中選定需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的組件，即能按照預(yù)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?jī)?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(jí)關(guān)系。

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

 （3）自動(dòng)讀取BOM表中的材料及厚度

 自動(dòng)讀BOM表工具基本要求：在彈出的組件面板中指定多個(gè)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(dòng)讀取BOM表中的材料牌號(hào)和料厚數(shù)據(jù)，并將材料牌號(hào)和料厚信息在組件命名中體現(xiàn)。

 例如A201車型的件號(hào)為5401286的鈑金件，Hypermesh中相應(yīng)的組件初始命名為N5401286，7zhuan.cn程序根據(jù)組件命名，在BOM中查找該鈑金件的材料牌號(hào)和料厚，將這個(gè)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(hào)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)是從BOM中讀取的。

 對(duì)于有些整車企業(yè)，準(zhǔn)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(shí)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(dòng)測(cè)定料厚，識(shí)別出的料厚同樣應(yīng)在組件命名中體現(xiàn)。

 （4）自動(dòng)為組件賦屬性

 自動(dòng)賦屬性工具基本要求：在彈出的組件面板中選擇多個(gè)組件，即可自動(dòng)為組件創(chuàng)建同名屬性，并根據(jù)組件名稱中的材料牌號(hào)和料厚信息，自動(dòng)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?yàn)槠渥詣?dòng)生成一個(gè)名稱同為N5401286_A201_00150_01_DC01屬性，并識(shí)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(méi)有則新建一種材料），最后自動(dòng)將材料卡片編號(hào)和料厚信息寫入屬性中。

 自動(dòng)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(dòng)生成焊點(diǎn)

 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(gè)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(diǎn)幾何一般都在Part命名中體現(xiàn)焊點(diǎn)層數(shù)和所連接的部件。7zhuan.cn焊點(diǎn)自動(dòng)生成工具應(yīng)提示用戶選擇存放Catia焊點(diǎn)幾何的組件，計(jì)算機(jī)即提取每個(gè)焊點(diǎn)的層數(shù)和連接關(guān)系信息，然后生成焊點(diǎn)Connector。

 4、分析自動(dòng)化工具

 （1）優(yōu)先開發(fā)的分析項(xiàng)

 我們應(yīng)該優(yōu)先選擇實(shí)施頻繁或者操作復(fù)雜的常規(guī)分析項(xiàng)進(jìn)行開發(fā)，如表1。

表1建議重點(diǎn)開發(fā)的分析項(xiàng)

 選定開發(fā)目標(biāo)后，應(yīng)在充分調(diào)研CAE工程師實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，確定程序的功能、運(yùn)行流程和操作界面，并且在實(shí)施項(xiàng)目工作中反復(fù)調(diào)試優(yōu)化。

 一般說(shuō)來(lái)，開發(fā)完成后，相應(yīng)分析項(xiàng)的操作時(shí)間可減少90%以上。

 （2）分析自動(dòng)化工具示例

 如白車身安裝點(diǎn)剛度分析，每次分析我們要操作六十多個(gè)安裝點(diǎn)。如圖3所示，每個(gè)安裝點(diǎn)都要逐個(gè)建立局部坐標(biāo)系，施加法向力，建立載荷集、載荷步，設(shè)置結(jié)果輸出選項(xiàng)。耗時(shí)較長(zhǎng)，易出錯(cuò)。采用自動(dòng)化工具后，用戶只需鼠標(biāo)選中所有安裝點(diǎn)，即可自動(dòng)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(diǎn)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(gè)鈑金件，需要對(duì)每個(gè)鈑金件分別建立設(shè)計(jì)變量并完成各種設(shè)置。靈敏度分析完成后，需要逐個(gè)查看零件號(hào)，人工對(duì)比哪個(gè)零件靈敏度高。所以通常只能選擇幾十個(gè)鈑金件進(jìn)行分析，并不能準(zhǔn)確找到白車身靈敏度較高零件。采用自動(dòng)化工具，只需要鼠標(biāo)圈選白車身所有鈑金件，就可以一次對(duì)幾百個(gè)鈑金件進(jìn)行靈敏度分析，工具程序還能自動(dòng)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)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(shí)間由30小時(shí)減少到1小時(shí)左右。

圖4靈敏度分析結(jié)果可視化處理

 （3）幾點(diǎn)建議

 自動(dòng)化工具的目標(biāo)用戶應(yīng)是有一定經(jīng)驗(yàn)的CAE專業(yè)人員。開發(fā)時(shí)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(píng)價(jià)和優(yōu)化方案的提出仍然依賴于工程師的理論和經(jīng)驗(yàn)。

 TCL程序應(yīng)簡(jiǎn)潔高效。盡量選擇宏按鈕方式，減少?gòu)?fù)雜用戶界面；應(yīng)當(dāng)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(fù)雜的運(yùn)算；不追求完全自動(dòng)化，而是實(shí)現(xiàn)人工操作與計(jì)算機(jī)自動(dòng)化的流暢結(jié)合。

 二次開發(fā)能力應(yīng)在團(tuán)隊(duì)所有成員中推廣。團(tuán)隊(duì)中少數(shù)成員承擔(dān)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(jiǎn)單的開發(fā)。

 5、應(yīng)用前景

 CAE自動(dòng)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(cuò)誤發(fā)生的機(jī)率，提升分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

 常規(guī)的CAE建模和分析工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，7zhuan.cn可推動(dòng)CAE工程師的工作重點(diǎn)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(yàn)積累，這些經(jīng)驗(yàn)可封裝到自動(dòng)化工具中，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的固化和傳承。CAE工程師只要按照規(guī)定的步驟進(jìn)行簡(jiǎn)單操作就能進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目工作，所以初級(jí)工程師也能完成高難度的分析項(xiàng)。

 基于Hypermesh開發(fā)的自動(dòng)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(jìn)行數(shù)次鼠標(biāo)點(diǎn)擊，工具程序即能自動(dòng)完成各種操作。因此我們開發(fā)的自動(dòng)化工具不僅適用于CAE專業(yè)工程師，未來(lái)也可在考慮其它專業(yè)（例如車身設(shè)計(jì)、底盤設(shè)計(jì)）適當(dāng)推廣。

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