基于HyperWorks的转向桥CAE分析流程自动化研究与应用

文/张 岩（安徽合力股份有限公司）

叉车是广泛应用于工业中的流动式装卸搬运机械，属于工程机械。转向桥是叉车传动系统中的重要零部件，在叉车运动过程中，它会受到多种载荷的作用，容易受到破坏，造成失效，缩短整车的使用寿命[1]。工程上常采用有限元分析方法来模拟叉车转向桥在不同工况下的应力情形，可以大大降低产品开发周期和成本。但是CAE 软件对模型分析时，繁杂且重复性的前处理操作影响工作效率。本文基于Tcl/Tk 语言对HyperWorks 仿真软件进行二次开发，编制转向桥在不同工况下结构分析的流程化程序。经过二次开发后，简单繁琐的前处理操作由软件自动完成，提高工作效率，同时流程化和标准化的操作过程让水平存在差异的人分析出的结果保持高度一致性，极大地提高了企业CAE 分析的质量和效率[2]。

一、HyperWorks二次开发流程

1.HyperWorks二次开发概述

HyperWorks 二次开发是通过软件提供的应用程序接口 API（Application Programming Interface）函数，采用Tcl/Tk 语言编写有限元分析中各个步骤的命令流及创建图形界面，借助HyperWorks 中的Processing Manager 平台开发出CAE 分析流程自动化系统[3]。Tcl（Tool Command Language）是一种工具命令的脚本语言，用于编写各个操作步骤的命令。Tk（Toolkit）是图形工具集，用于定义Tcl 的命令，是用来创建和操控用户的使用界面。HyperWorks 二次开发的过程中，在满足分析结果符合要求的基础上，最大程度地减少用户的操作量，提高有限元分析的效率。

图1 二次开发软件操作流程

2.二次开发软件架构

前处理操作在传统CAE 分析过程中会占据大部分时间，操作步骤较多，二次开发就是将这些繁杂的过程简化，方便用户使用。简化的模块包括几何清理、材料属性创建、网格划分及不同工况下约束与载荷的施加等，只需几次点击按钮即可建立静态分析时所需要的有限元分析模型，图1 为具体操作的流程图。用户交互界面的设计主要使用HyperWorks GUI Toolkit（HWT）以及Tk GUI 创建功能集成面板，应用这些命令函数开发出符合用户需求的人机交互界面。

二、转向桥的CAE分析流程自动化

1.软件界面模块

图2 设计的软件界面

转向桥有限元分析过程中需要定义各项操作的基本参数，如单元尺寸、载荷大小、材料属性等。CAE 分析流程自动化采用配置文件形式定义默认参数，再根据具体模型情况通过用户界面调整，图2 是所设计的界面。

为尽量减少用户手动的操作过程，该CAE 分析流程自动化采用的是单一级别界面设计方式，界面中的不同模块可以实现不同的功能。几何模型预览模块支持多种类型文件（STEP、IGES、X_T）的导入，用于查看选中的几何文件是否为有待分析的几何模型；网格模型创建模块包括几何模型清理模块和网格划分两个子模块，前者对导入的几何模型根据参数进行自动化清理操作，后者对几何模型在布尔操作与面网格检测合格的基础上进行四面体网格和蜘蛛网格建立；典型工况创建模块包括材料及梁界面创建模块和工况创建模块两个子模块，前者需选择材料种类或者输入材料各参数以及主销和转向节等尺寸值，后者根据工况勾选选项创建一种或多种典型工况，随即模型会自动化创建各工况下载荷及约束。

2.转向桥CAE分析流程自动化过程

本研究以某叉车转向桥结构分析为例，分析在三种典型工况下的结构强度情况。依据实际受力情形，三种工况下转向桥的载荷和约束加载各不相同，软件会根据输入的参数自动建立等效梁单元来方便施加各种约束和载荷。

（1）前处理过程。运行Hypermesh 仿真软件，点击工具栏中的头像按钮，进入用户自定义界面，选择“OptiStruct”求解器；点击HyperMesh 工作界面中菜单栏中的“User”按钮，启动Automatic Process Manager 自动化流程工具，如图2 所示；在几何模型预览模块中，选择文件类型“STEP”，选择某叉车转向桥几何模型文件，点击“预览几何”按钮，显示出所选的几何模型，检查三维模型是否有缺失面等错误，如图3 所示；接着输入“几何清理模块”中的各项数值，进行模型简化处理，然后输入“网格划分模块”中单元尺寸数值，设置划分出的网格大小；选择“材料及梁界面创建模块”中材料种类或输入材料特性数值，定义主销、转向节、轮胎的半径值以及转向节轴向长度值，软件凭此数值来建立等效梁单元；在“工况创建模块”中勾选有待分析的工况，点击“创建有限元模型”按钮，划分出网格；网格划分完毕后，根据弹出对话框依次选择6个圆轴几何面，创建6 个蜘蛛网格，保证载荷均匀施加在表面上；执行完以上步骤后，便得到了叉车转向桥多工况有限元模型，如图4 所示。

图3 三维模型

图4 多工况有限元模型

（2）求解及后处理过程。转向桥CAE 分析流程自动化是体现在前处理阶段，求解与后处理的方法与常规操作相同。前处理完成后，点击“Analysis”,再点击“OptiStruct”求解，待出现“ANALYSIS COMPLETED”字样后，表示求解完成；然后点击“HyperView”，便可进行相关后处理工作，最后查看不同工况下的应力和变形云图，如图5 所示。

图5 应力和变形云图

三、结语

HyperWorks 软件的二次开发在叉车转向桥CAE 分析流程化和标准化的应用中，不仅操作过程简单，而且会显著提升CAE 分析的速度，节省了大量的工作时间，利于项目的快速推进。CAE 分析流程自动化保证了不同水平的人分析出的结果具有一致性，有效降低了CAE 建模分析的技术门槛。开发出的CAE 分析流程自动化软件可以将固有的经验保存下来，作为企业的核心技术不断延续和传承。