基于HyperMesh的鋼結(jié)構(gòu)仿真流程自動化定制

2016-11-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在鋼結(jié)構(gòu)仿真分析中,有限元前處理要占整個分析流程約80%的時間,而且分析結(jié)果的準確性依賴于網(wǎng)格劃分和載荷工況的選取等,因此高性能的前處理可以大大縮短分析流程的時間及成本。在當前企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)仿真分析中,由于沒有固定的分析流程和相關(guān)標準,當前仿真分析人員的大部分時間都被花在了一些重復(fù)性工作上,效率不高;同時具有較多項目經(jīng)驗的仿真人員的經(jīng)驗也無法很好地繼承下來并傳遞給新員工,這對企業(yè)都會造成浪費并嚴重影響企業(yè)實力的提升。因此,鋼結(jié)構(gòu)仿真分析中常用結(jié)構(gòu)和連接的建模、加載等共性技巧和規(guī)范亟需固化下來。

為了達到該目標,筆者利用通用的仿真前處理工具HyperMesh軟件來進行仿真流程自動化系統(tǒng)開發(fā)二次開發(fā)和定制。仿真流程自動化系統(tǒng)開發(fā)主要包括以下功能和內(nèi)容:①標準靜力學分析流程固化。②在自動化平臺中可以實時調(diào)用管理企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的材料。③針對動態(tài)分析等復(fù)雜流程建立半自動化流程,并可以實時導(dǎo)入標準載荷。④建立常用部件標準分析流程,在流程各個步驟中可以選擇模型和進行參數(shù)修改。⑤建立常用連接的模型庫。

1 鋼結(jié)構(gòu)仿真流程自動化設(shè)計1.1 HyperMesh及其二次開發(fā)技術(shù)

HyperMesh是由Altair公司開發(fā)的一款針對有限元主流求解器的高性能有限元前后處理軟件,能夠建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模型,與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能。該軟件因其優(yōu)秀的前處理技術(shù)被越來越多的鋼結(jié)構(gòu)分析人員使用。HyperMesh提供了多種開發(fā)工具,使用戶能夠?qū)⒅芎玫剡\用到現(xiàn)有的工程設(shè)計中。其主要的二次開發(fā)工具包括:基本的宏命令、用戶化定制工具配置、HyperMesh界面輸出模塊、輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器、結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

本仿真流程自動化系統(tǒng)采用TCL/TK在HyperMesh中建立用戶化定制方案,并通過HyperMesh中調(diào)用Process Manager來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿真分析的自動化流程。結(jié)構(gòu)仿真流程自動化系統(tǒng)設(shè)計的功能包括從模型導(dǎo)入到求解分析整個過程,將流程劃分為模型導(dǎo)入、幾何清理、網(wǎng)格劃分、連接導(dǎo)入、定義材料、單元類型設(shè)置、定義模板、加載和定義載荷步驟、求解和后處理等功能模塊。并實現(xiàn)功能模塊的集成以及整個分析流程的自動化。因此,本仿真流程自動化系統(tǒng)是根據(jù)功能將力學分析按照順序劃分為多個功能模塊,用以指導(dǎo)用戶逐步地完成分析,各功能模塊分別具有獨立的功能。本系統(tǒng)采用UML(統(tǒng)一模型語一言工具)進行需求分析和軟件框架開發(fā)方案的系統(tǒng)分析。

1.3 仿真流程自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)1.3.1 基本仿真流程定制

模型輸入模塊主要功能是從建立的模型數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入連接部件幾何模型。因為自動化流程系統(tǒng)采用主連接器文件或宏文件的形式對部件進行連接,這就要求導(dǎo)入模型的ID值與文件必須相對應(yīng),因此在導(dǎo)入模型的同時也必須賦予部件相應(yīng)的ID值。定義材料采用的方式與模型導(dǎo)入類似,從建立好的材料數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入各種材料屬性。單元統(tǒng)一按Optistruct來定義,針對不同求解器列出相應(yīng)單元名稱。不同的分析類型需不同的求解設(shè)置,因此首先進行分析類型的選擇,選定后自動跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)求解類型的子流程中進行求解設(shè)置和載荷步設(shè)定。在子流程中采用自動與手動兩種方式實現(xiàn),自動方式在流程界面中進行相關(guān)設(shè)置即可,手動方式將在流程中設(shè)計一個引導(dǎo)程序,自動跳轉(zhuǎn)到HyperMesh中相關(guān)界面進行設(shè)置,各求解類型子流程中根據(jù)不同求解類型進行相應(yīng)設(shè)置。

1.3.2 連接方式定制

各種機械連接的仿真一直是鋼結(jié)構(gòu)有限元分析的一個難點,需要行業(yè)結(jié)構(gòu)特點及功能試驗進行適當?shù)暮喕?。本文主要以焊接球連接以及螺栓連接為例進行說明?？p焊相對于點焊要容易處理,縫焊焊縫的模擬方法通常采用以下方式:①三維實體單元模擬焊縫幾何形狀。②幾何連接。③節(jié)點耦合。把焊縫連接的幾何體的相對應(yīng)節(jié)點直接耦合連接。④梁單元或桿單元模擬焊縫連接。螺栓連接由于存在預(yù)緊力與接觸面間的摩擦力,螺栓連接使有限元模擬變得復(fù)雜。由于算法與計算規(guī)模的限制,在螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的有限元分析中,常常采用簡化模型。簡化模型從整體結(jié)構(gòu)承載出發(fā),給出了有限元仿真中螺栓聯(lián)接的簡化方法:①螺栓聯(lián)接的兩部件的相應(yīng)節(jié)點融合成一個節(jié)點。②彈簧元模擬螺栓。③采用桿單元與梁單元連接。

2 總結(jié)和討論

本文基于HyperMesh進行鋼結(jié)構(gòu)仿真分析的二次開發(fā),制定客戶化的仿真流程。在本文的客戶化制定中,對于一般力學分析類型,進行了統(tǒng)一的流程規(guī)范,通過該定制可以使得分析人員從重復(fù)工作中解脫出來,提高分析效率。通過客戶化定制,將日常工程工作中常用的載荷曲線,典型材料等加入到了軟件中,可以即時調(diào)用,從而大大提高了分析的效率和能力。另外,對于復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)剛強度分析,一般分析之前需要對結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析或者叫經(jīng)驗分析,在本客戶化定制中,對于獲得實踐驗證的典型結(jié)構(gòu)的力學分析經(jīng)驗進行了流程固化,從而大大降低了復(fù)雜問題分析中不同分析人員之間的能力差異所造成的影響。該分析流程固化的標準制定是針對不同鋼結(jié)構(gòu)特點而進行的,同時需要結(jié)合工程實踐長期積累總結(jié)。

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