基于TCL語言的CAE流程自動化系統設計

LU Tian-yu, KONG Xiao

0 引言

在一般CAE分析過程中，前處理過程一直是占用時間最多的環節，一般均大于70%，而且大多數情況是手動操作、重復操作。因此，如果能夠通過二次開發設計出一套CAE分析標準流程，必然能夠提升CAE工程師的工作效率，大大縮短工作時間。另外，通過自主開發的流程自動化系統，能夠固定分析流程與規范，使得計算結果得到較高的一致性，適合在企業里推廣。

HyperWorks 是一個高度開放性的 CAE平臺，用戶根據自己的需求可以有多種途徑編制自動化程序。 HyperWorks CAE流程自動化系統的開發依托于多種工具，包括Process Manager、Process Studio、Tcl/Tk語言、HTML語言以及HyperWorks所提供的功能函數等[1]。

本文將介紹用于主模型底座分析及優化而編制的流程自動化系統。該系統借助于HyperWorks的二次開發工具，通過調用編譯的TCL程序，自動實現主模型底座分析以及優化。

1 TCL語言介紹

TCL語言是一種很通用的腳本語言，它幾乎在所有的平臺上都可以解釋運行，功能強大。主要用于發布命令給一些交互程序如文本編輯器、調試器和shell。它有一個簡單的語法和很強可擴充性，可以創建新的過程以增強其內建命令的能力。

另外，TCL可以被嵌入應用程序，TCL的庫包含了一個分析器、用于執行內建命令的例程和可以使你擴充（定義新的過程）的庫函數。應用程序可以產生TCL命令并執行，命令可以由用戶產生，也可以從用戶接口的一個輸入中讀取（按鈕或菜單等）[2]。

由于其功能強大且簡單易學，故TCL經常被用于快速原型開發、腳本編程、GUI和測試等方面。

2 檢具底座CAE分析流程概述

圖1為某檢具底座有限元分析模型，本文中針對該檢具底座進行的CAE分析主要為線性靜態分析和模態分析，線性靜態分析的目的是研究檢具底座在承受上部檢具重量時底座所發生的變形，模態分析的目的是為了得到底座的固有頻率，為了防止在運輸過程中由于發生共振現象導致結構損壞，底座的固有頻率須高于通常交通工具運輸的基頻20Hz[3]。

圖1 底座有限元模型

在進行了CAE分析之后，考慮到檢具底座在原有方案中存在的比較笨重的缺陷，采用HyperWorks軟件的尺寸優化功能對底座某些壁厚參數進行優化，以達到結構輕量化的目的。

3 CAE流程自動化系統設計與開發

針對上文所說的CAE分析過程，本文中的CAE流程自動化系統設計了若干個模塊來實現這些功能。下面將介紹本文中的流程自動化系統的結構與實現方式。

3.1 HyperWorks CAE流程自動化系統的結構

本文中的CAE流程自動化系統主要分為兩大部分：前處理模塊以及尺寸優化模塊。

其中，前處理模塊的作用是對從CAD軟件中導入的幾何文件進行處理，主要包括幾何清理、網格劃分，邊界條件設定等，其目的是建立有限元分析模型，從而進行靜態和動態性能分析。對于本文中所述的檢具底座CAE流程自動化系統來說，靜態性能分析目的是模擬底座在承受其上部分檢具重量情況下發生的變形；動態性能分析是計算底座固有頻率，防止結構在運輸過程中由于發生共振現象導致結構損壞。

尺寸優化模塊的作用是對底座進行尺寸優化，在控制最大位移的前提下，進行輕量化工作，最終使其重量達到最小。

CAE流程自動化系統的界面如圖2所示，本系統以流程樹的形式在HyperWorks界面中顯示，針對流程樹中的每一個步驟，都會有相應的面板與其對應。下面將會介紹流程樹功能模塊的設計方法。

圖2 CAE流程自動化系統界面

3.2 功能模塊的設計

3.2.1 前處理模塊的設計

在進行底座有限元分析的實際應用中，前處理是CAE分析中占用時間最長的步驟，前處理工作完成的質量對結果有著很重要的影響。因此，如果能夠快速準確地完成前處理工作將大大提高工作效率和工作質量。一個完整的前處理流程包括對底座模型進行幾何清理、建立材料和組件集、網格劃分。其流程圖如圖3所示。

圖3 前處理流程圖

在實際工作中，操作人員只需要用到HyperMesh眾多功能的某幾項功能，在尋找這些功能面板時，需要尋找多次，進行多次點擊才能定位這些功能面板。這樣就大大增加了工作時間，效率低下。再者，考慮到實際操作過程中可能存在操作不規范的現象，容易造成重復操作或者誤操作。因此，前處理模塊的設計目的就在于解決這些問題。

模塊功能的實現，主要采用兩種形式：自定義功能面板和調用HyperMesh原有功能面板。

1）自定義功能面板

以創建材料屬性功能為例。在HyperMesh中，正常的創建材料屬性的步驟為：選擇“Materials”下拉菜單，點擊“creat”，然后彈出材料面板，接著在面板的“name”欄輸入材料名稱，選擇材料類型為“ISOTROPIC”，選擇材料卡片為“MAT1”，然后點擊“creat/edit”，最后在彈出菜單中輸入材料的彈性模量、泊松比和密度。這樣一個過程是比較繁瑣的。針對這個現象，本文設計了一個快捷材料創建面板，如圖4所示。

圖4 材料創建面板

此材料創建面板主要有三個功能，首先是創建自定義材料屬性和名稱，即用戶只在文本框中需輸入材料名稱和材料屬性，點擊“creat material”，就能自動完成材料創建工作；其次就是一鍵式材料創建，針對企業中檢具底座的材料，設計了兩個一鍵式創建按鈕，只需點擊此按鈕，就能快速創建這兩種材料，無需任何其他操作，這樣就大大方便了材料屬性創建工作，通過事先設定好材料屬性，也杜絕了由于輸錯數據而造成的操作失誤，圖5為已經創建好的Q235鋼的材料屬性卡片；最后就是材料查看功能，通過該功能，用戶能夠查看已經創建好的材料，同時也支持刪除材料功能，該功能的面板如圖6所示，此功能是通過運行HyperMesh自帶腳本文件實現的。

圖5 Q235材料屬性卡片

圖6 材料查看面板

由此可以看出，通過使用自定義面板，能快速實現某項功能，免去了很多繁瑣的工作，為操作人員節約了大量時間，提高了工作效率，同時杜絕了一些意外的操作失誤發生。

2）調用原有面板

在HyperMesh中，部分面板功能已經非常簡潔，操作起來也是比較方便，對于這樣的面板，只需要建立一個調用按鈕，直接調用該面板。

HyperMesh中某個面板的功能主要是通過這兩個命令來實現的：hm_callpanel panelName、hm_setpanelproc ProcName，其中參數panelName是要被調用的面板名稱，參數ProcName是包括了hm_callpanel命令的“過程”名稱[4]。例如要調用solids面板的代碼示例是：

proc ::callsolid {} {

hm_callpanel solids

return

}

hm_setpanelproc callsolid

調用HyperMesh原有面板后，可以利用此面板上HyperMesh提供的所有操作，比自己定義功能全面、強大。

以上兩個例子說明了前處理模塊是如何設計與實現的，可以看出，通過使用CAE流程自動化系統，大大減少了前處理所需要的時間，與傳統方式相比，有較大簡化，同時通過命令的集成，減少了人工參與，降低了出錯的可能性。另外，此系統對操作人員的要求不高，只需要根據系統的提示進行操作，有一定CAE分析基礎的人員均可輕松完成整個分析流程。

3.2.2 尺寸優化模塊的設計

尺寸優化模塊的設計與前處理類似，通過自定義面板和調用面板結合的方法，來實現對底座模型進行尺寸優化。利用HyperWorks進行尺寸優化的步驟如圖7所示。

圖7 尺寸優化流程

在進行底座尺寸優化時，選取了底座某點的位移響應，將其作為優化約束條件，即最大位移在一定范圍內，選取底座總體積作為體積響應，將其作為目標函數，以達到體積最小化的目標。這些步驟在尺寸優化模塊中均可以方便得實現。

4 CAE流程自動化系統應用實例

對某檢具底座進行靜力分析及模態分析，根據實際情況進行加載。在前處理過程中，幾何導入、幾何清理，網格劃分，創建邊界條件等一系列功能均在系統中完成。只要按照流程樹的引導，每一步完成之后點擊“next”，就可以一步一步順利得完成整個前處理工作。圖8為網格劃分界面，軟件會提示用戶選擇需要劃分的面并輸入網格尺寸，就可以完成網格劃分。圖9為分析卡片創建界面，只要將對應數據輸入文本框中，點擊“creat”就可完成創建工作。圖10為工況創建界面，用戶可以瀏覽已經建立的載荷集合器，然后將他們組合成實際的工況。最終建立好的分析模型如圖11所示，只要將其提交至求解器，就能完成整個分析過程，得到分析結果。由此可見，通過使用該系統，將大大縮短進行前處理的實際，全面提高工作效率。

圖8 網格劃分

圖9 分析卡片創建界面

圖10 工況創建界面

圖11 最終完成的分析模型

5 結論

通過對HyperWorks進行二次開發，針對企業實際情況開發的CAE流程自動化系統，可以大幅度提升工作效率，同時減少人工參與，降低出錯概率。同時，通過引導式的操作以及高度集成化的命令，降低了進行分析工作的難度，只要按照提示可以輕松完成整個操作流程。

[1] 張勝蘭,鄭科黎,等.基于HyperWorks的結構優化與設計技術(第1版)[M].北京:機械工業出版社,2007.

[2] 奧斯德奧特,瓊斯.Tcl/Tk入門經典(第二版)[M].北京:清華大學出版社,2010.

[3] 劉乘,盧杰,陳滿儒.運輸包裝件振動特性的計算機仿真[J].包裝工程,2002,(4).

[4] HyperMesh,OptiStruct and Batch Mesher.Altair HyperWorks Help[CP/OL]2007.