HyperWorks二次开发技术在汽车座椅构件拓扑优化过程中的应用

摘要：针对企业应用CAE软件分析时存在操作复杂以及成熟的分析流程难以标准化，阻碍技术推广等问题,运用TCL/TK程序设计技术和其它辅助工具，探索出基于HyperWorks软件的CAE流程自动化系统的二次开发技术。以某型号汽车座椅构件拓扑优化过程分析为例，表明开发的成果具有流程规范，操作简化等优势，缩短了产品研发周期,对企业此类系统的开发具有一定的指导意义。

1 概述

在整个CAE分析流程中，对模型的前处理一直是工程师消耗时间最多环节，对于同一类产品的分析，前后处理工作涉及大量重复性操作、手工操作。这些重复性工作不仅耗费时间，而且可能由于人为因素而产生遗漏和错误。因此，采用合适的工具，在现有软件的基础上进行二次开发，设计出一套CAE分析的标准流程，必然能够提升CAE工程师的工作效率，缩短产品开发周期，并且避免错误操作。另外，通过自主研发的流程自动化系统，可以将企业中成熟的产品分析流程固定化、标准化，便于技术在企业内部推广。

目前，Altair公司的一款CAE软件——HyperWorks在产品设计、研发、分析过程中得到了广泛的使用。本文介绍用于某型号汽车前排座椅构件结构拓扑优化而设计开发的自动化系统，该系统借助于HyperWorks软件中Process Studio模块下的开发环境，综合运用各种开发工具，完成针对某构件的拓扑优化过程以及分析验证工作。

2 汽车座椅构件拓扑优化过程简介

构拓扑优化在工程结构的初始设计阶段起着重要作用，汽车座椅构件拓扑优化设计是基于子结构法提出的一种新的结构优化方法。根据力的传递路径，提取构件上所受的载荷，单独施加到构件上进行优化，依照“反复验证，逐步逼优”的原则，最终得到构件材料分布的拓扑形态，总体流程图如图1所示。

由于汽车座椅构件在拓扑优化过程中需要反复验证，多次循环优化才能得到最优结构。这些重复性工作不仅耗费时间，而且还可能由于人为因素而产生遗漏和错误。因此设计开发出CAE分析的标准流程系统将有助于此类问题的解决。

本文所介绍的流程系统涵盖第3、4、5步的前后处理工作.

3 CAE流程自动化系统的结构

针对上文所说的CAE分析过程，本文中的CAE流程自动化系统主要分为三大部分：拓扑优化模块、整椅验证模块以及优化结果判定与输出模块，CAE流程自动化系统的界面如图2 所示。

拓扑优化模块的作用就是选择汽车座椅骨架中的构件，并对该构件模型进行处理，主要包括导入边界条件文件、几何模型检查与清理、拓扑优化过程的定义、后处理、输出优化后的模型等，其目的就是建立有限元分析模型，从而进行静态分析和结构拓扑优化，同时获取优化信息文件。

整椅验证模块的作用是对上一步优化后的构件模型，重新导入整椅模型中，重新进行静态分析后，来验证优化后的整椅模型在相同工况下是否满足国标要求。

优化结果判定与输出模块的作用是获取构件优化前后的分析文件，同时提取相关数据进行判定，以此决定优化循环的次数，同时在最后可以按照客户的要求，输出优化报告文件。

4 CAE流程自动化系统开发的详细设计

HyperWorks软件是一个高度开放性的CAE平台，用户可以根据自己的需求来设计开发自动化系统。HyperWorks中CAE流程自动化的开发可以运用于多种方法，包括自定义宏文件、Process Manager、Process Studio 、TCL/TK语言以及与C/C++语言的拓展集成等。

CAE软件功能模块多，且各项功能比较分散，大量的功能选项给操作人员带来很多不便,通过二次开发技术建立图形交互界面，可以很好地解决这个问题。CAE流程自动化系统中不同模块下人机交互界面的实现，主要采用两种形式：自定义功能面板和调用HyperMesh原有功能面板。

4.1 在Process Studio下自定义功能界面

Process Studio是一个流程编辑工具，是进行自动化系统设计的主要平台。它的主要功能是为用户提供一个可视化的编程环境，如图3所示，用户可以快速地设计流程树结构，编写程序代码。

流程树中每个节点是一个具体任务，都有相应图像用户界面（GUI）与用户形成交互。节点的具体表现形式是由不同的页（HWPM Page）来实现，用户可以编辑不同的控件，写入功能代码，同时根据要求来设置控件的属性及具体位置，并把它们有序地组织在一起就形成了“页”。

在流程树中通过组织不同的页以及各种控件按钮，如图4所示，便构成了用户交互的界面。

4.2 调用原有面板

在流程树的图形界面编写过程中，部分功能的实现可以通过调用HyperMesh原有面板来完成，而且这些面板功能简洁，操作方便。调用一个面板，只需要在编辑“页”时将调用命令添加至按钮事件中即可。

流程自动化系统中，调用HyperMesh中某个面板的功能主要通过这两个命令来实现：hm_callpane panelName、hm_setpanelproc ProcName，其中参数panelName 是要被调用的面板名称，参数ProcName是包括了hm_callpanel 命令的“过程”名称。例如要调用edges面板的代码示例是：

proc Calledge { } {

hm_callpanel edges

}

hm_setpanelproc Calledge

4.3 第三方应用程序的嵌入

TCL语言具有很强的可扩充性，提供其它高级语言的调用接口，可很容易地嵌入C/C++以及VB程序，与自动化系统组成一体。应用程序可能够产生TCL命令并执行，其中命令可以由用户产生，也可以从用户接口的输入中读取。

在汽车座椅构件在拓扑优化过程中，产生的数据信息文件多而繁杂，仅仅运用HyperWorks提供的二次开发平台很难实现多层数据之间的传递。因此，将应用程序嵌入流程中，不仅能够实现不同文件数据的提取与判定，同时还能控制优化报告的输出格式，应用程序界面如图5所示。

如图5所示，进入优化判定界面后，在第一行中输入“1”，即提取第一次优化后信息文件中的数据，点击“获取”，自动提取相关的数值，同时用户可以根据项目的需要自行更改优化目标中的数值。点击“判定”，软件会根据优化目标所设置的数值，进行计算判断，并提示是否达到优化目标。

如果优化未达到目标，流程返回起始点，开始新一轮的结构优化过程。如果优化已经达到既定目标，流程会根据用户的需要自动输出优化报告，优化报告格式如图所示6所示。

CAE流程自动化系统与常操常规方式相比，操作平台有较大简化，同时通过命令的集成，减少了人工参与，降低了出错的可能性，大大减少了前处理所需要的时间。

5 CAE流程自动化系统应用实例

针对汽车座椅构件拓扑优化设计的整个CAE分析过程，模型构件的选择，几何模型检查与清理、拓扑优化过程的定义、优化判定以及输出优化方案报告等一系列功能均在流程系统中完成。图7为座椅拓扑优化操作流程中导入座椅模型界面，从下拉菜单中选择文件类型，同时选取相应的模型文件，就可以直接导入模型。图8为拓扑优化定义参数变量界面，只需输入变量名称和单元最小优化尺寸，同时选择设计区域，就可以完成变量的定义。图9为优化判定界面，在面板中点击“Make the Judgement”，打开优化判定程序，输入优化的次序，可以从众多输出文件中提取相关数据，点击“判定”，就可以根据用户的要求进行判断，并弹出相应的提示。

操作人员只要按照流程树的操作提示，就可以顺利完成整个拓扑优化过程的工作，得到优化的结果。

6 结论

本文阐述了CAE流程自动化系统开发过程中相关技术与方法，通过深入地研究 HyperWorks在企业应用的特点，同时对座椅构件拓扑优化过程进行实例分析，验证了CAE流程自动化系统的实用性和方便性，提高了工作效率，缩短了企业产品设计分析周期，对企业此类系统的开发具有一定的参考和指导价值。

7 参考文献
[1] 奥斯德奥特,琼斯.Tcl/Tk 入门经典(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2010
[2] 陆天宇 孔啸.基于TCL语言的CAE流程自动化系统设计[B].制造业自动化，2012，01
[3] 曹文刚 范超.基于HyperWorks的CAE流程自动化系统设计开发[A].工程图学学报，2011，01
[4] 王坚，金革. Tcl/Tk 和C 语言的接口[J]. 计算机应用, 2000, 20(12)
[5] HyperMesh,OptiStruct and Batch Mesher.Altair HyperWorks Help 2011