基于 HyperMesh 平台开发汽车 CAE 自动化工具的思路

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。

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。

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。