基于Creo和Hyperworks二次开发的支架厚度尺寸优化平台

董 廷

(金龙联合汽车工业(苏州)有限公司，江苏 苏州 215000)

客车产品中有很多采用不同板厚的支架类零件，在传统的设计中都是根据经验选择板材的厚度，这就可能造成板材的厚度过剩或不够。如果每个支架都由CAE工程师通过人工优化设计来确定最佳厚度，会带来很大的工作量。本文基于Creo和Hyperworks软件开发出一个支架厚度尺寸自动优化平台，可对支架类零件进行快速尺寸优化。

1 优化平台开发

为减少优化分析工作量，提高程序的易用性，所有的操作均在三维CAD平台完成。通过对Creo CAD平台的二次开发[1-2]，将获得的数据传送到计算机服务器[3-4]，在其后台调用脚本控制Hyperworks的运行，最终将优化结果返回CAD平台供设计工程师查看。

1.1 数据结构设计

需要从 Creo CAD平台获取的分析数据如下：采用STP中间格式存储的支架三维数模；支架固定面的对角点坐标值；安装孔的中心点坐标及半径值；加载值的大小和方向X、Y、Z；材料的许用应力值大小。

支架的固定面只需获得距离最大的对角点坐标即可，后期在Hypermesh的前处理脚本中通过* createmark命令的by box方法获得整个约束面的所有节点坐标。由于支架均是通过安装孔用螺栓与部件连接，所以可以将部件的重量均分到所有的安装孔中，通过RBE2单元模拟螺栓连接结构，采用集中载荷进行加载。孔周边的加载节点可以通过孔中心点坐标和半径输入数据，使用* createmark的by sphere方法获得。力的方向通过选择X、Y、Z传递到服务器中，如果沿坐标轴负向则加载值为负数。由于我司所使用的支架材料均为Q235，材料的数据直接通过脚本设置，不需要前端输入。

1.2 程序界面设计

图1 程序界面

程序前端采用Creo三维CAD软件提供的二次开发语言WebLink进行设计。WebLink是可以直接在Creo内置浏览器中运行的脚本语言，采用Javascript语法，便于与服务器进行交互。程序界面直接使用HTML语言设计，效果如图1所示。支架的固定面和安装孔按钮，调用WebLink中pfcBaseSession类下的Select方法进行交互选择。在当前窗口的模型中分别选择支架的固定面和安装孔。固定面可以通过选择曲面的对角顶点来指定。如果将整个曲面作为固定面，也可以直接选择相应的曲面，提交后使用pfcSurface类下的GetXYZExtents方法获取曲面的对角顶点坐标。安装孔直接通过孔的中心点来指定。所有的三维点最终都通过pfcPoint3D类获取其坐标值。

点击提交后，通过Javascript脚本将所有的数据转换成TCL字典格式上传至服务器供后台求解使用[5-6]。当前活动窗口中的三维数模则通过WebLink中pfcModel类下的Export方法转换成STP格式文件，并上传到服务器。

1.3 优化前处理脚本开发

支架的前处理采用Hypermesh提供的TCL语言编写控制脚本[7-9]，具体方法为：

1) 使用* geomimport命令导入模型。

2) 使用* midsurface_extract和* automesh命令抽取中面并自动划分网格。

3) 使用* collectorcreate命令创建材料和壳单元的单元属性，或者使用* feinputwithdata2命令直接从标准的企业材料库和单元库中加载。

4) 使用TCL的read 命令读取CAD平台提交的字典数据，并使用dict字典处理命令将数据转换成边界条件输入数据。

5) 使用* loadcreate和* loadstepscreate命令创建边界条件和载荷步。

1.4 尺寸优化脚本开发

尺寸优化的设计变量为支架的厚度，通过壳单元的厚度属性进行控制[10-11]，同时还需要定义支架厚度的初始尺寸和最大/最小尺寸界限。定义方式如下：

* sizedesvarcreatewithddvalfield“Size1”6.0 2.0 2.0 -1 0

其中，第2、3、4个参数分别为：支架厚度的最大/最小尺寸界限6.0 mm/2.0 mm和支架的初始厚度2.0 mm。再通过下面的命令进行设计变量和设计属性的关联。

* dvprelcreate“Size1_th”properties 1 1 4 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1

约束条件为最大应力不超过许用应力，先定义应力响应：

* optiresponsecreate“stress”9 1 0 18 0 1 6 0 0 0 1 7 1 6

再定义约束条件：

* opticonstraintcreate“stress”2 1 0 $allowable_stress 1 1

其中，第5个参数$allowable_stress为材料的许用应力大小，由用户输入。

优化的目标是支架的体积最小，先定义体积响应：

* optiresponsecreate“volume”2 0 0 0 0 0 6 0 0 0 1 6 1 6

再定义目标函数：

* optiobjectivecreate 1 0 0

其中，第2个参数0为目标函数的类型，即0代表所选择的目标函数为支架的体积最小值函数。

完成有限元分析数据的前处理和优化参数的设置后，使用Hypermesh的* feoutputwithdata命令输出可供Hyperworks中的Optistruct求解器调用的.fem求解文件。

2 程序算例

通过上述开发的支架尺寸优化平台对图2(a)所示的散热器固定支架进行厚度尺寸优化。支架焊接在车身截面骨架上，支架的固定面和安装孔中心均通过选择相应关键点的方式提交输入数据。

(a)散热器固定支架

(b)支架的应力云图

水箱质量75 kg，由4个固定点进行固定，考虑到动态载荷，加速度设置为2倍重力加速度，每个支架受力375 N，方向垂直向下。支架材料为Q235，屈服应力为235 MPa，安全系数设置为3，则材料的许用应力设置为78 MPa。

在开发的程序界面中选择固定面和安装孔并设置相关数据，然后提交计算。在服务器后台调用Hypermesh的批处理程序即可生成求解文件，批处理调用命令如下：

hmbatch.exe -tcl <脚本文件>

命令中的脚本文件即为上面用TCL语言编写的流程控制脚本。生成求解文件后再调用Optistruct求解器进行计算。

计算完成后Optistruct软件会在求解目录中自动生成包含支架优化后的最终厚度的prop属性文件和html格式的计算报告。从计算报告中可以看出，优化分析共进行了4次迭代运算，支架的最终厚度为3.1 mm，最后一个迭代步中支架的最大应力为78 MPa，和设置的材料许用应力相同。图2(b)为支架厚度最终优化结果的应力分布云图。

3 结束语

本文联合三维设计软件Creo和有限元分析软件Hyperworks开发出了对支架厚度自动进行尺寸优化的平台，并设计了CAD软件和CAE软件之间的数据交互方法。对于结构相似、分析流程统一的其他零部件也可以按此方法开发出相应的快速分析软件，从而提高设计效率。