0 前言

    基于二次開發(fā)，將有限元建模過程抽取出來，編寫成規(guī)范化的程序，可以極大地提高建模的效率，節(jié)省人力成本，縮短開發(fā)周期，同時減少乃至避免模型錯誤，提高模型的規(guī)范化以及極大地便于后期模型的維護、更新以及優(yōu)化。本文以在HyperMesh的前處理環(huán)境下，基于TCL/TK，討論前處理建模二次開發(fā)的可能性以及優(yōu)越性。

1 基于TCL/TK的手機整機跌落分析的二次開發(fā)

1.1模型描述

    一部手機的模型規(guī)模大致在200-300個部件之間（有限元模型模擬要求），完成整機的模型網(wǎng)格化后，就需要通過BOM表建立部件的材料、屬性以及邊界條件。在HypeMesh（Abaqus Template）中，部件（Component）、屬性（Property）、材料（Material）三者的連接關(guān)系如下：

圖1 部件、屬性與材料的連接關(guān)系

    在整機跌落分析中，我們需要建立的邊界條件是，在規(guī)定的特定的規(guī)范下，例如1.5m高度自由跌落，通過跌落高度，計算出整機快要接觸地面時的初始速度。計算公式為：

公式一 手機跌落分析初始速度計算公式

    此外，地面簡化為剛體，并且約束地面所有自由度。

1.2二次開發(fā)思路

    首先，我們需要建立標準的材料庫，以便于我們在后期自動調(diào)用。

    通過對于跌落模型的分析，我們可以通過BOM表中的材料與部件的對應(yīng)關(guān)系，通過編程，針對模型中的每一個部件去BOM表中查找對應(yīng)的材料信息，然后循環(huán)調(diào)用，導(dǎo)入我們模型中所需要的材料信息以及厚度信息。然后通過單元類型綜合厚度信息，建立與之對應(yīng)的屬性并且將屬性賦予部件。

    實際上，根據(jù)分析和經(jīng)驗，建立屬性和導(dǎo)入材料是在這個過程中是最繁重的工作內(nèi)容，通過這樣一個循環(huán)調(diào)用的過程，則可以在無人干預(yù)的情況下，快速自動并且無差錯的完成這項耗時耗力的工作。

1.3代碼實現(xiàn)

    代碼實現(xiàn)分為兩個部分：GUI部分以及過程實現(xiàn)部分。

    其中，GUI部分如下圖所示：

圖2 GUI部分

    通過上圖，將整個的整機跌落建模過程固化的一個面板中，可以極大地提高建模效率，簡化操作。

1.4建模示例

    以某整機跌落分析為例，模型網(wǎng)格化后模型情況如下圖所示：

圖3 手機跌落分析有限元模型

    其簡單的BOM表如下：

圖4 手機零部件BOM表

    材料庫如下圖所示：

圖5 材料庫清單

    通過以上二次開發(fā)插件完成后的模型如下圖所示：

圖6 通過TCL二次開發(fā)后的界面

1.5小結(jié)

    通過以上建模示例可以看出，通過二次開發(fā)插件建模，在極大地提高建模效率的同時，所建立出來的模型是標準化的、規(guī)劃化的，這種方法建模，可以完全解決不同的工程師在建模習(xí)慣上的差異性。

2 二次開發(fā)在汽車整車結(jié)構(gòu)有限元模型中的應(yīng)用

    通過以上二次開發(fā)在手機跌落建模過程中的應(yīng)用，其優(yōu)越性是顯而易見的。不言自明的是，同樣的，二次開發(fā)在汽車整車有限元模型的建立過程中也大有用武之地。

    筆者在工作過程中，已經(jīng)將汽車開閉件的抗凹性分析流程化。抗凹分析的困難性在于測試點比較的多，當(dāng)你建好某一個測試點的模型時，在做其他的測試點則需要手動去移動壓頭，重新建立局部坐標系，更新載荷方向。如果一個開閉件的測試點達到七八個乃至十幾個，那么，四門兩蓋總共加起來就有五六十個測試點需要單獨建模，工作量可想而知。同時，由于是隱式分析（Abaqus），不同的建模差異，其模型的收斂性也是一個比較大的考驗。通過二次開發(fā)，可以很方便的解決上述問題。

    其二次開發(fā)思路與上述手機整機跌落類似，上述建立屬性和材料信息的代碼可以再這里重用。其他的部分，同樣也需要建立標準的壓頭庫，通過代碼編寫，自動在壓頭庫中選擇需要的壓頭并導(dǎo)入到現(xiàn)有模型中，然后只需要在目標測試點出選擇關(guān)鍵的一個單元，插件即可以自動完成包括重新定位、局部坐標系、接觸關(guān)系以及載荷加載、分析步的建立，根本不需要去手動干預(yù)。

    這樣建立出來的模型，除了測試點不同外，模型的其他部分完全相同，通過調(diào)節(jié)好壓頭的接觸關(guān)系，所建立出來的模型在收斂性上也是非常好的。

    二次開發(fā)在汽車建模中的另一個應(yīng)用是在懸架建模中。由于懸架的結(jié)構(gòu)比較的復(fù)雜，模型中包含很多的連接單元（connector單元），如彈簧單元、減震器、導(dǎo)向單元等等，連接單元的建立比較復(fù)雜，并且類型眾多，同時很多類型的連接單元都需要建立局部坐標系。如此復(fù)雜的模型，很容易建出差異巨大的模型和收斂性不好甚至的結(jié)果不準確的模型。所以，通過將懸架的建模過程流程化是很有必要的。

    在懸架的二次開發(fā)方面，只需要知道一些必要的硬點信息，同時將連接單元的類型信息賦予到節(jié)點編號當(dāng)中，然后通過代碼，解析出節(jié)點編號中所攜帶的信息，就可以自動化完成懸架其他所有的建模過程。

3 二次開發(fā)在其他可能的應(yīng)用場景中的應(yīng)用

    當(dāng)然，二次開發(fā)的應(yīng)用場景絕不僅僅只限于以上過程當(dāng)中，二次開發(fā)在提高工程師的建模效率和準確率上是有不可替代的地位的。例如，在用RigidBody做螺栓連接時，可能需要手動去一個一個選擇螺栓孔上的節(jié)點，通過簡單的二次開發(fā)，可以快速的只去選擇螺栓孔上的單一節(jié)點就完成整個RigidBody的建立。其思路是通過所選擇的螺栓孔上的節(jié)點信息，得到螺栓孔的自由邊，然后通過自由邊反過來得到螺栓孔上所有的節(jié)點，建立RigidBody；在比如對于CAD數(shù)據(jù)的處理，由于設(shè)計部門過來的幾何數(shù)據(jù)可能每個部件的名稱比較的凌亂，通過二次開發(fā)，去解析部件所在的Assembly，將部件的名稱修改為正確的名稱；另一個例子在整個汽車碰撞模型與結(jié)構(gòu)剛強度模型的轉(zhuǎn)化上。由于整車碰撞模型與結(jié)構(gòu)剛強度所使用的求解器不同或者其建模要求存在差異，所以在一些建模方法上也就存在相當(dāng)大的差異，可以通過二次開發(fā)的方法，很方便的將碰撞模型的建模轉(zhuǎn)化為剛強度分析中所要求的建模方法。比如對于白車身RigidBody的轉(zhuǎn)化，可能在碰撞模型當(dāng)中，RigidBody的independent node是建立在螺栓孔上的節(jié)點，而剛強度中RigidBody的independent node則要求建立螺栓孔的中心處，如果在拿到碰撞模型中的白車身部分的時候，需要轉(zhuǎn)化RigidBody。而白車身的螺栓連接何其多，大約有上千個，如果手動的一個一個去手動重建，其工作量可想而知，同時非常容易就會漏掉一些螺栓連接。通過二次開發(fā)可以非常快捷并且毫不遺漏的轉(zhuǎn)化這些RigidBody。

4 總結(jié)

    通過以上種種的簡單的討論，我們可以看出來二次開發(fā)對于有限元模型建模的重要性。它不僅可以極大地提高工程師的工作效率，將工程師從繁重單調(diào)的建模工作中解放出來，減少工程建模出錯的概率。另一個更加重要的好處就是，將建模的過程流程化后，所建立出來的模型不會因為不同的工程師、不同的項目、不同的時間而存在很大的差異，便于我們對于模型進行排錯、調(diào)試、維護以及更新。同時，在開發(fā)的不同階段，設(shè)計部門可能會對部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，而通過二次開發(fā)出來的模型更加有利于工程師對于之前自己所做模型的可讀性。

    當(dāng)然，二次開發(fā)是一個很大的概念，這里只是在筆者常用的工作環(huán)境下加以了簡單且粗略的討論。比如在其他的很多領(lǐng)域也會用到二次開發(fā)，比如Abaqus中利用二次開發(fā)對于模型結(jié)果進行后處理，通過二次開發(fā)建立自己所需要的本構(gòu)模型等等。

    實際上，二次開發(fā)都是在一定的平臺上實現(xiàn)的，它是軟件開發(fā)商在其自身的軟件功能上，給用戶提供的一個很好的擴展和定制化功能，絕大部分的軟件都會提供類似的擴展接口，比如Abaqus提供的Python接口，用戶子程序需要用到的Fortran接口，Ansa提供的C接口等等，其目的就是為了更好的為工程師的工作提供更大的想象空間以及便利性。

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本文標題：2014產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文：基于TCL二次開發(fā)有限元建模的流程化

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