基于HyperWorks的CAE流程自动化系统设计开发 - 文章

基于HyperWorks的CAE流程自动化系统设计开发

作者：曹文钢范超

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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。

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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。

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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。

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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：

①右击HyperMesh的桌面图标；

②从弹出的菜单中选择Properties（属性）菜单项；

③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。

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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。

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此外，还应设置Process Tree的任务属性见图6。

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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。

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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：

①Using Tcl Script to Write Callbacks。

②Using 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）：

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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。

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图8 用户页