基于Hypermesh平台开发汽车CAE自动化工具的思路

1 背景

目前CAE技术已经成为汽车研发的关键工具,CAE分析可加速优化设计、驱动问题的快速整改,从而实现研发成本的降低和研发周期的缩短。

每个整车车型的研发过程中,大约需要4-5轮CAE分析,每轮分析所包含的分析项通常在400项以上。国内整车企业的CAE团队一般只有几十人的规模,要同时承担多个车型的开发,工作任务相当繁重。而且大多数分析项需要进行繁琐的操作和复杂的参数设置,易发生人为错误,也不利于企业分析经验的传承。

开发CAE自动化工具后,用户只需输入简单指令,计算机便能够按照规范要求自动完成各种复杂操作,自动设置根据经验提炼出的各项参数。从而将繁琐的人工操作转化为自动实现。

2 总体思路

2.1 技术方案选择

整车企业的CAE分析项中,80%以上是有限元结构分析,涉及强度疲劳、NVH、碰撞安全等领域,而Atair.Hypermesh是汽车行业最常用的有限元前处理软件。汽车结构有限元分析一般都是在HyperMesh中完成网格划分、模型连接、边界条件设置、分析参数设置等各项工作,然后导出输入文件并提交求解。工程师做结构分析,绝大多数工时都是消耗在Hypermesh操作上。

HyperMesh也提供了用户子程序的接口,利用TCL脚本语言,可进行二次开发,实现功能扩展。

因此,我们技术方案选定为基于TCL语言在HyperMesh平台上二次开发。利用TCL语言组合各种HyperMesh命令,形成TCL程序脚本。在HyperMesh环境中调用该脚本,就能按照指定次序自动执行多步命令,从而将CAE工程师的各种操作转化为计算机自动操作,实现CAE流程自动化,达到提升效率和规范操作的目的。

2.2 开发理念

CAE自动化工具的开发理念是追求简洁高效和实用,最大限度地提升工作效率和质量。不追求所有环节的自动化,而是针对重复性劳动最多和最易发生人为错误的工作环节进行开发。自动化工具应尽量减少用户的操作步骤,尽量将参数设置固化,尽量避免使用复杂的用户界面。自动化工具还应具备一定的容错能力,允许用户进行必要的人工干预。

2.3 技术路线

首先要选择多个已完成或在研的项目,统计各工作项所耗的工时和出错率,依此来确定自动化工具的开发重点。

对于目标工作项,需要解读相关技术规范和总结多个项目的经验,确定正确的操作步骤和有良好通用性的参数设置,然后确定每步操作和设置所执行的HyperMesh命令。

用TCL语言编写程序,按需求调用各种HyperMesh命令,建立初步的程序脚本。必要时利用TCL扩展的TK工具箱建立图形对话框,嵌入到程序脚本,实现与用户的交互。

初步开发完成后,应由多名工程师将初步开发的工具程序试用于实际项目,对其易用性、效率和准确度进行对比评估。根据评估结果进一步优化程序功能、用户界面、操作步骤和参数设置。

2.4 用户界面

自动化工具的界面应尽量简洁。如图1所示,可以在Hypermesh用户页面下建立多个宏按钮,每个按钮对应一个TCL脚本。点击该按钮即开始执行程序脚本。

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图1 CAE自动化工具界面

3 建模自动化工具

每轮整车有限元建模大约需要工时1400个,而且有限元结构分析中的人为错误至少有60%来源于建模阶段,所以建模流程自动化应该作为我们的工作重点。当然,建模自动化工具的开发难度也远大于分析自动化工具。

3.1 功能模块规划

建模自动化工具的关键在于四个功能模块:自动划分网格、自动读取BOM表中的材料及厚度、自动为组件赋属性、自动生成焊点连接。开发出这四个功能模块后,用户只需进行简单的操作,计算机便可自动完成繁琐重复的建模工作。

对于一个完整的整车建模过程,包括接收数据(CATIA数据及BOM表)、数据导入Hypermesh软件、模型检查、网格划分、属性赋值、模型组装、建立焊点等几个部分。利用建模自动化工具的基本工作流程如下图2所示,只有开始的接受数据、导入Hypermesh和检查几何模型需要人工操作,其他环节都可以自动实现。每轮整车建模所需工时可由1400个小时以上缩减至400个小时,建模出错率将减少80%以上。

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图2 自动化建模基本过程

3.2 自动划分网格

网格划分自动化工具基本要求:在弹出的组件面板中选定需要划分网格的组件,即能按照预设的网格尺寸和质量要求,完成网格划分和网格质量优化工作;程序所有操作均应在HyperMesh主界面下完成;网格划分完成后,模型应保持原有的装配层级关系。

网格自动化工具调用Hypermesh自带的Batchmesher模块,同时应允许用户自由设定网格尺寸。

3.3 自动读取BOM表中的材料及厚度

自动读BOM表工具基本要求:在弹出的组件面板中指定多个组件,然后根据提示用户指定相关BOM表文件(Excel 格式),程序即自动读取BOM表中的材料牌号和料厚数据,并将材料牌号和料厚信息在组件命名中体现。

例如A201车型的件号为5401286的钣金件,Hypermesh中相应的组件初始命名为N5401286,程序根据组件命名,在BOM中查找该钣金件的材料牌号和料厚,将这个组件改名为N5401286_A201_00150_01_DC01。其中00150指的是料厚1.5mm,DC01为材料牌号,这两个数据是从BOM中读取的。


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