基于HyperMesh的钢结构仿真流程自动化定制

黄翔

摘要：本文基于HyperMesh对钢结构主要分析流程进行二次开发定制，通过该开发可有效提高仿真分析效率，提升仿真分析能力，为钢结构开发积累必要设计分析经验。

关键词：HyperMesh 钢结构 仿真流程 自动化

0 引言

在钢结构仿真分析中，有限元前处理要占整个分析流程约80%的时间，而且分析结果的准确性依赖于网格划分和载荷工况的选取等，因此高性能的前处理可以大大缩短分析流程的时间及成本。在当前企业钢结构仿真分析中，由于没有固定的分析流程和相关标准，当前仿真分析人员的大部分时间都被花在了一些重复性工作上，效率不高；同时具有较多项目经验的仿真人员的经验也无法很好地继承下来并传递给新员工，这对企业都会造成浪费并严重影响企业实力的提升。因此，钢结构仿真分析中常用结构和连接的建模、加载等共性技巧和规范亟需固化下来。

为了达到该目标，笔者利用通用的仿真前处理工具HyperMesh软件来进行仿真流程自动化系统开发二次开发和定制。仿真流程自动化系统开发主要包括以下功能和内容：①标准静力学分析流程固化。②在自动化平台中可以实时调用管理企业基础数据库中的材料。③针对动态分析等复杂流程建立半自动化流程，并可以实时导入标准载荷。④建立常用部件标准分析流程，在流程各个步骤中可以选择模型和进行参数修改。⑤建立常用连接的模型库。

1 钢结构仿真流程自动化设计

1.1 HyperMesh及其二次开发技术 HyperMesh是由Altair公司开发的一款针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件，能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，与多种CAD和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。该软件因其优秀的前处理技术被越来越多的钢结构分析人员使用。HyperMesh提供了多种开发工具，使用户能够将之很好地运用到现有的工程设计中。其主要的二次开发工具包括：基本的宏命令、用户化定制工具配置、HyperMesh界面输出模块、输入数据转化器、结果数据转化器。

1.2 系统设计 本仿真流程自动化系统采用TCL/TK在HyperMesh中建立用户化定制方案，并通过HyperMesh中调用Process Manager来实现结构仿真分析的自动化流程。结构仿真流程自动化系统设计的功能包括从模型导入到求解分析整个过程，将流程划分为模型导入、几何清理、网格划分、连接导入、定义材料、单元类型设置、定义模板、加载和定义载荷步骤、求解和后处理等功能模块。并实现功能模块的集成以及整个分析流程的自动化。因此，本仿真流程自动化系统是根据功能将力学分析按照顺序划分为多个功能模块，用以指导用户逐步地完成分析，各功能模块分别具有独立的功能。本系统采用UML（统一模型语一言工具）进行需求分析和软件框架开发方案的系统分析。

1.3 仿真流程自动化系统的实现

1.3.1 基本仿真流程定制。模型输入模块主要功能是从建立的模型数据库中导入连接部件几何模型。因为自动化流程系统采用主连接器文件或宏文件的形式对部件进行连接，这就要求导入模型的ID值与文件必须相对应，因此在导入模型的同时也必须赋予部件相应的ID值。定义材料采用的方式与模型导入类似，从建立好的材料数据库中导入各种材料属性。单元统一按Optistruct来定义，针对不同求解器列出相应单元名称。不同的分析类型需不同的求解设置，因此首先进行分析类型的选择，选定后自动跳转到相应求解类型的子流程中进行求解设置和载荷步设定。在子流程中采用自动与手动两种方式实现，自动方式在流程界面中进行相关设置即可，手动方式将在流程中设计一个引导程序，自动跳转到HyperMesh中相关界面进行设置，各求解类型子流程中根据不同求解类型进行相应设置。

1.3.2 连接方式定制。各种机械连接的仿真一直是钢结构有限元分析的一个难点，需要行业结构特点及功能试验进行适当的简化。本文主要以焊接球连接以及螺栓连接为例进行说明。缝焊相对于点焊要容易处理，缝焊焊缝的模拟方法通常采用以下方式：①三维实体单元模拟焊缝几何形状。②几何连接。③节点耦合。把焊缝连接的几何体的相对应节点直接耦合连接。④梁单元或杆单元模拟焊缝连接。螺栓连接由于存在预紧力与接触面间的摩擦力，螺栓连接使有限元模拟变得复杂。由于算法与计算规模的限制，在螺栓联接结构的有限元分析中，常常采用简化模型。简化模型从整体结构承载出发，给出了有限元仿真中螺栓联接的简化方法：①螺栓联接的两部件的相应节点融合成一个节点。②弹簧元模拟螺栓。③采用杆单元与梁单元连接。

2 总结和讨论

本文基于HyperMesh进行钢结构仿真分析的二次开发，制定客户化的仿真流程。在本文的客户化制定中，对于一般力学分析类型，进行了统一的流程规范，通过该定制可以使得分析人员从重复工作中解脱出来，提高分析效率。通过客户化定制，将日常工程工作中常用的载荷曲线，典型材料等加入到了软件中，可以即时调用，从而大大提高了分析的效率和能力。另外，对于复杂的钢结构刚强度分析，一般分析之前需要对结构进行结构分析或者叫经验分析，在本客戶化定制中，对于获得实践验证的典型结构的力学分析经验进行了流程固化，从而大大降低了复杂问题分析中不同分析人员之间的能力差异所造成的影响。该分析流程固化的标准制定是针对不同钢结构特点而进行的，同时需要结合工程实践长期积累总结。

参考文献：

[1]张胜兰等.基于Hyperworks的结构优化设计技术.机械工业出版社，2007.

[2]Altair Engineering Ltd，Altair HyperMesh Reference Manual，2007.

[3]屈晓峰.基于TCL语言的HyperMesh平台二次开发范例.Altail2010技术大会论文集.