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基于HyperWorks的模态分析自动化工具开发

2022/4/11    来源:Altair    作者:田磊  张立玲  刘明卓      
关键字:模态分析  HyperWorks  Tcl/Tk语言  
本文针对自由模态及约束模态分析,利用Tcl/Tk语言,在Altair公司的HyperWorks软件平台下开发了能够快速完成建模、求解、后处理的自动化工具,将分析时间缩短了50%以上,提高了分析效率和分析结果的一致性。
1 开发背景

       模态分析是CAE分析工作中经常要考察的内容之一,对于了解分析对象的固有频率有着重要作用,汽车开闭件、内外饰及车身等零部件及子系统的分析过程中,不仅要满足基本的刚度、强度及疲劳耐久性能要求,还要使其固有频率在适当的范围内,从而满足汽车NVH性能的需求。

       模态分析包括自由模态及约束模态等,在传统的手动操作过程中,主要包括设置求解卡片、调用求器解计算、后处理生成分析报告等工作步骤,约束模态分析还需要定义约束节点和被约束的自由度。模态分析过程中,最为繁琐的是后处理工作,研发人员需要逐个获取各阶模态的固有频率以及对应的模态振型图,之后再整理成分析报告,当设计方案发生变化时,都要重复上述过程。为了提高分析效率和分析结果的一致性,本文利用HyperWorks软件支持的编程语言进行二次开发,使繁琐复杂的手动操作由计算机程序自动完成。

2 开发目标

       模态分析过程中,CAE工程师需要指定所关注的频率范围和频率截取个数,例如只截取0-100Hz以内的模态信息,或者只截取某阶固有频率以下的模态信息,在生成分析报告的过程中,还会选择高于某一阶的模态进行截取,将对应的模态振型图及共振频率写入分析报告中,本文开发的自动分析工具将快速完成上述步骤,自动生成模型文件并调用求解器计算。除此之外,自动分析工具还能够以分析人员所期望的角度,将模态振型图写入分析报告中,方便计算结果的展示。

3 系统设计

       本文开发的自动分析工具中,需要用户首先指定分析对象、输出路径、频率截取范围等基本参数,根据需要选择分析的类型(自由模态或者约束模态),之后设置分析报告中的模态振型图的截取角度及范围,完成后自动导出求解文件并调用求解器完成计算,最终通过Visual Basic Script语言生成vbs文件,运行该文件便可以生成所需要的分析报告,这一分析流程如图1所示。

模态分析流程图

图1 模态分析流程图

       为了方便CAE分析人员使用,本文在HyperWorks软件中开发了用户操作界面,打开软件后会在左侧产生一个新的标签页,该标签页是一个由六个子类组成的分析系统,由顶层界面开始,可以逐层进入本文开发的模态分析自动化工具,如图2所示。

模态分析自动化工具的界面

图2 模态分析自动化工具的界面

4 关键技术问题及解决方法

       本文的开发过程中,一方面利用了HyperWorks软件提供的接口函数,另一方面针对一些问题编写了自定义的算法,这里对几个关键问题进行介绍。

       4.1 模态频率范围的选取

       模态分析的基本参数输入如图3所示,其中的三个编辑框分别用于填写分析频率范围、模态个数以及分析报告中的最低阶数,如图4所示。频率范围和模态个数用于导出计算文件时使用,而最低阶数用于在HyperView中截取该阶以上的模态振型图。

参数定义对话框

图3 参数定义对话框

模态阶数相关输入

图4 模态阶数相关输入

       4.2 模态约束节点及自由度选取

       当分析约束模态时,需要CAE工程师选择被约束的节点及其约束自由度,利用本文开发的工具,只需点击图2所示的“Select Constraint Nodes”按钮,便会自动弹出图5所示的选择节点对话框,图中以车门模型为例进行说明。当约束节点被选择完毕后,点击下一步的“Select Constraint Dofs”按钮,便弹出了图6所示的对话框,默认情况下,各节点的六个自由度全部被约束,如果需要放开某个方向上的自由度,只需取消勾选即可。在导出求解文件的过程中,将会根据用户的操作,在相关节点创建约束。

选择约束节点

图5 选择约束节点

选择约束自由度

图6 选择约束自由度

       4.3 模态振型图截取角度及范围

       在分析报告中,CAE工程师往往会根据构件的形状自定义模态振型图的角度(*.gif),本文开发的工具为此定义了一个决定截图角度及范围的步骤,如图7所示。当用户进行该步操作时,会弹出图中所示的对话框,其操作分为两步:(1)将模型调整到期望的角度,然后点击“Select Capture Angle”按钮,程序会读取当前的截取角度参数;(2)点击“Select Capture Scope”按钮,用户需要通过拖动鼠标的操作确定一个矩形区域,该区域即用户期望的截图范围,当HyperView的图形区与HyperMesh图形区具有不同的形状时,程序会根据用户所选的矩形区域,在HyperView中计算出合适的截取范围,图7展示了HyperView图形区的高宽比截然不同的两种情况。

截取参数输入对话框及其计算过程

图7 截取参数输入对话框及其计算过程

       4.4 后处理

       求解文件生成后,本文开发的自动分析工具会采用脚本的方式调用求解器进行计算,然后调用HyperView软件,根据用户输入的最小频率阶数读取结果文件中的各模态振型,并且将振型图保存为gif格式的图片;之后编写Visual Basic Script语言对应的可执行文件,该文件包含了各振型的频率及振型图信息,以及将这些结果写入分析报告哪些位置的信息;最后,运行上述文件便可以自动生成分析报告,如图8所示。

分析报告中的各阶模态信息及振型图

图8 分析报告中的各阶模态信息及振型图

5 分析与结论

       本文开发的模态分析自动化工具基于Altair公司的HyperWorks软件平台,采用Tcl/Tk语言开发,它可以协助CAE工程师快速完成自由模态及约束模态分析,并且将各模态振型图保存到分析报告中,据统计,该工具可以将分析时间缩短50%左右。使用者只需完成参数定义、截图设置等操作,便可由程序代码自动完成模型导入、卡片设置、导出模型、求解计算、后处理等工作,最终按照固定的模板生成分析报告,提高了分析效率和分析结果的一致性。
责任编辑:程玥
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