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HyperMesh二次开发在变速箱拓扑优化设计中的应用研究

2022/8/17    来源:Altair    作者:杨述松  杨毅超  柯君  亢慧      
关键字:HyperMesh  变速箱  拓扑优化  
本文利用HyperMesh软件的二次开发功能,编写了变速箱拓扑优化分析自动化专用辅助程序,提高了工作效率并固化了流程。

1 概述

       汽车轻量化设计是汽车设计制造的发展方向。汽车零部件轻量化设计,不是简单的减轻重量,牺牲强度和刚度,而是保证零部件强度、刚度和NVH性能的前提下减少其自身质量。通过仿真优化技术可以大大缩短产品设计周期,减少实验次数,同时在不牺牲零部件各项性能指标前提下,达到质量的最小化目的。本文通过HyperMesh软件的拓扑优化技术,对变速器箱体进行拓扑优化流程二次开发,以达到规范流程、简化操作、缩短产品开发周期的目的。

2 HyperMesh二次开发简介

       一般的CAE分析可以分为前处理、求解和后处理三个方面,对于大多数CAE分析前处理将花掉一半以上时间,而且这些时间许多都花费在重复性的手动操作或者数据输入上。所以,对于固定的产品类型建立一套分析流程,并运用二次开发的方式把流程自动化,这样能提高工程师的工作效率,缩短工作时间。

       HyperMesh二次开发是指在HyperMesh基础上,使用其提供的TCL接口函数进行编程,扩展HyperMesh本身功能,以满足用户高级使用需求。HyperMesh的应用程序里嵌入了TCL/TK语言,通过TCL编写的脚本能调用HyperMesh应用程序的命令,可以实现数据逻辑或条件控制。基于这种思路可以进行软件前处理的二次开发,其中包括用户自定义的流程、控制面板以及图形化界面等开发工作。HyperMesh发布和提供软件的同时,也会发布其二次开发的相关API函数及其参考帮助文档,在HyperWorks2017下提供了HyperWorks Desktop Reference Guide文档用以记录和说明二次开发的方法和提供API函数。

       API函数大致分为以下几种:

       (1)TCL GUI函数;

       (2)TCL Modify函数;

       (3)TCL Query函数;

       (4)宏菜单函数。

       HyperMesh软件所进行的二次开发,具有开放的软件架构体系,可实现仿真设计的流程化、自动化、标准化,从而大大提高仿真设计的效率和精确程度。

3 应用实例—拓扑优化设计

       3.1 变速器箱体拓扑优化设计模型

       箱体拓扑优化设计有三个要素,即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是发生改变从而提高性能的一组参数;目标函数要求最优的设计性能,是关于设计变量的函数;约束条件是对设计的限制,是对设计变量和其他性能的要求。优化数学模型可表述为:

优化数学模型


       其中,X=(x1,x2,…,xn)是设计变量,如箱体设计空间里每个单元的密度等,f(X)是设计目标,如箱体的力学性能或质量,g(X)和h(X)是需要进行约束的设计响应,如箱体工作时的强度和刚度进行约束。

       本文变速器箱体优化设计中,优化模型定义如下:

       (1)设计变量

       变速器箱体设计空间里每个单元的密度。

       (2)目标函数

       变速器箱体的刚度最大。

       (3)约束条件

       变速器箱体轴承孔刚度约束、变速器箱体的强度约束、变速器箱体的自由模态约束、变速器箱体的约束模态约束、变速器箱体的质量约束等。

       3.2 变速器箱体拓扑优化设计模型

       本文利用TCL/TK的便捷特性,按照由TCL脚本控制HyperMesh宏命令的创建过程,对变速器箱体拓扑优化流程进行二次开发。

       流程固有设置是在后台自动完成,仅在必要的环节加入相应的对话框引导用户进行设置,并对一些非常规操作进行提示。让第一次接触这类分析流程的工程师也能快速准确的完成分析设置工作。现将详细的开发过程介绍如下。变速器箱体拓扑优化的主要内容包括创建分析载荷、创建分析工况、创建设计变量、创建约束条件、创建目标函数。每一项内容都为拓扑优化分析中必须完成的步骤,这些步骤中许多操作繁琐且重复较多。在开发过程中,对这些操作进行整合,以减少重复性操作,这样不仅能提高效率,而且能降低人为出错的机率。变速器箱体拓扑优化设计流程面板如图1所示。

变速器箱体拓扑优化设计流程面板

图1 变速器箱体拓扑优化设计流程面板


       只做常规分析时只需点击创建分析载荷和创建分析工况按钮,就能创建变速器箱体强度、刚度、自由模态和约束模态分析。点击创建设计变量按钮,弹出对话框如图2所示,其中包括选择设计空间、选择与设计空间相连的非设计空间、最小成员尺寸和拔模方向,通过一个面板完成设计变量创建工作。

变速器箱体拓扑优化设计变量创建面板

图2 变速器箱体拓扑优化设计变量创建面板


       点击创建约束条件按钮,创建变速器箱体拓扑优化约束条件,弹出对话框如图3所示,其中包括创建刚度约束、创建强度约束、创建自由模态约束、创建约束模态约束、创建质量约束。通过该面板可以快速创建所有约束,降低人为出错的机率。

变速器箱体拓扑优化约束条件创建面板

图3 变速器箱体拓扑优化约束条件创建面板


       3.3 变速器箱体拓扑优化分析结果

       拓扑优化的目的是要寻求材料的最佳传力路径,以优化结构的某些性能或减轻结构的重量,通过多次迭代,在满足所有性能的条件下,达到变速器箱体的刚度最大,得到材料的最佳分布和加筋方案如图4所示,其中红色为非设计空间,蓝色为设计空间,黑色线条为建议加筋的方案。

变速器箱体拓扑优化结果示意图

图4 变速器箱体拓扑优化结果示意图


4 小结和展望

       实践表明,变速器CAE分析中的许多应用都可以通过开发提高工作效率和规范性。HyperMesh是一个通用性很强的平台软件,在此平台上进行二次开发,可以适应多个专业的分析需求。本文实例中介绍的开发方法,不涉及求解器技术,均为一些脚本处理,相对简单、适用,易于掌握和推广。

       近年来,CAE软件的功能扩展、专业定制逐渐成为趋势,CAE技术逐渐向流程自动化、平台化方向发展,进一步的发展趋势可能是CAE分析的知识管理。为此,国外有许多软件公司和咨询公司都在进行专业化的功能开发,已经有一些比较成熟的产品。对国内汽车企业而言,CAE分析任务越来越多、在开发流程中的作用日益突出,CAE应用技术正在经历从量变到质变的提升过程。目前,国内企业急需提升的能力是CAE分析流程的专业定制,以提高工作效率和规范程度,然后将逐渐发展到CAE分析平台技术。

责任编辑:程玥
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