基于Hypermesh的分析数据提取与处理方法

南京工程学院
本科毕业设计（论文）
题目：基于Hypermesh的分析数据提取与
处理方法
专业：车辆工程
班级：车辆工程111 学号：21511638
学生姓名：张云
指导教师：陈伟讲师
起迄日期：2015.3.2～2015.5.15
设计地点：车辆工程实验中心
Graduation Design (Thesis) Extraction and Analysis of data processing method based
on Hypermesh
By
Zhang Yun
Supervised by
Instructor. CHEN Wei
Nanjing Institute of Technology
June, 2015
摘要
目前世界各大著名客车公司都已经将有限元分析方法应用于客车的设计中，从最初的概念设计到最终的产品成型阶段始终贯穿有限元分析方法。

通过实践证明，运用有限元分析软件对客车的车身骨架进行结构分析可以得到更加准确的精确度，由于这一方法具有减低客车研发的成本，缩短客车研发周期等优点，基本上所有的客车公司已将有限元方法作为客车研发过程中的一个重要方法。

本论文针对有限元分析软件虽然可以得出详细而精确的分析结果，但却没有对于这些结果文件进行数据提取与分析的情况，开发出基于Hypermesh d的数据提取与处理方法。

本文深入介绍了有限元法以及常用有限元分析软件，并通过具体实例，掌握Hypermesh的基本操作。

同时通过查阅资料与实操演练，掌握Fortran编译器Intel Visual Fortran的基本操作，最后通过对有限元分析软件Hypermesh等的结果文件zhidonggaijin.bdf和zhidonggaijin.f06进行分析，设计出以Fortran语言为基础的的数据提取与分析处理程序，最终生成可执行文件，并且能够生成所需文件。

程序输出的文件可直接作为后期车身改良与优化的数据依据。

关键词：车身；数据提取分析；有限元；Fortran；二次开发
ABSTRACT
At present,world famous bus companies have already applide finite element analysis method to the design of passenger cars from the initial design concept to the final product . Practice proves that using finite element analysis software for structure analysis of bus body frame can get more accurate precision. Because this method has many advantages such as reduce passenger car research costs and shorten the development cycle of passenger car , virtually all bus companies have taken the finite element method as an important means of passenger car development process.
Finite element analysis software can draw a detailed and accurate results, but it does not have the function of extraction and analysis of data, According to this situation ,this thesis has developed a kind of data extraction and processing methods based on Hypermeshd. This thesis delves into the finite element method and the finite element analysis software , I master the basic operations of Hypermesh by means of practical examples. Meanwhile through check out the information and practical exercises, I have mastered the basic operations of Fortran compiler Intel Visual Fortran. Finally, this theis designes a program based on the Fortran language for data extraction and analysis and build the executable file which is able to generate the required files by analysizing the outcome document of finite element analysis software Hypermesh zhidonggaijin.bdf and zhidonggaijin.f06. Program output files can be directly used as body modification and optimization in the future.
Keywords：Bus Body, Data Extraction and Analysis, Finite Element, Fortran, Secondary Development
目录
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 研究背景 (1)
1.3 论文课题的研究内容与意义 (2)
1.3.1 研究内容 (2)
1.3.2 基于Hypermesh二次开发的研究意义 (2)
1.4 有限元分析及其软件二次开发的历史发展 (3)
1.5 Hypermesh软件的基本特点 (3)
1.6 国内外发展现状 (4)
1.7 本文的结构 (4)
第二章有限元法概论及软件介绍 (5)
2.1 引言 (5)
2.2 有限元方法概述 (5)
2.2.1 有限元法的孕育过程及诞生和发展 (5)
2.2.2 有限元法的概念 (6)
2.2.3 有限元法的应用 (7)
2.2.4 有限元分析几个需要注意的重要问题 (7)
2.3 有限元软件介绍 (8)
2.3.1 软件概述 (8)
2.3.2 软件操作举例 (10)
2.4 本章小结 (17)
第三章Fortran与HYPERMESH二次开发在客车车身结构分析中的应用 (18)
3.1 Fortran概述 (18)
3.1.1 引言 (18)
3.1.2 历史发展 (18)
3.2 Fortran编译器的操作 (19)
3.2.1 创建工程，添加代码 (19)
3.2.2 如何编译 (20)
3.3 Hypermesh与客车有限元分析 (23)
3.4 客车车架的有限元分析 (23)
3.5 本章小结 (24)
第四章数据提取分析的应用程序 (25)
4.1 引言 (25)
4.2 程序设计 (25)
4.2.1 程序所要实现的功能 (25)
4.2.2 程序各部分功能说明 (26)
4.2.3 程序运行展示 (35)
4.2.4 本程序的创新 (37)
4.3 本章小结 (37)
第五章结论与展望 (38)
5.1 结论 (38)
5.2 展望 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录 A：完整程序代码 (41)
第一章绪论
1.1 引言
从诞生第一辆汽车到今天已经经历了一百多年的时间了，汽车作为当今世界最重要的交通工具之一，在这一期间的发展，对人类的日常生活产生了深刻地改变，它不仅使人们的生活带变得方便，而且也正是由于整个汽车工业的变革发展，才从真正意义上促进了世界的迅猛发展。

客车作为汽车各种类中的一种，它改变了公众出行方式的同时，也使得国家的经济实力与发展水平迅速发展。

如今的客车处于日新月异发展的时代，世界各主要客车制造厂也顺应时代的潮流，不断革新技术，制造出高水平高质量的新型现代客车。

随着社会与时代的不断进步，人们在享受更高生活水平的同时，也对生活质量产生了越来越高的要求。

在公共交通出行领域，判断客车质量的标准与条件，主要体现在安全、环保、快捷等方面，现代社会的客车的生产制造也逐渐引发社会各界关注与重视[1]。

具有研发和制造质量可靠，性能优越的新型客车已成为世界各客车公司在当前市场经济时代立于不败之地的关键。

而客车车身则是客车至关重要的部分。

图1-1说明了近些年汽车工业发展概况：
图1-1
1.2 研究背景
随着企业在汽车市场所面临的竞争的日益加剧，汽车更新迭代的速度的愈来愈快，企业为了生存与经营，就更迫切的需要新技术作为手段进行汽车的研发。

而有限元数值模拟技术的出现无疑就是这么一种新技术，满足企业这种需求。

它使汽车研发的效率大大提高，比如提升了产品质量、缩短了设计周期、提高了产品竞争力，所以，正是由于计算机技术和计算方法的随着时代进行快速的变革与发展，有限元法才能更好的发展与传播，所以才会在工程设计和科学研究领域受到前所未有的重视，并且已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，汽车工业在广泛使用有限元法后，其设计水平已经发生了质的飞跃。

目前有限元分析软件已经成为汽车性能分析过程中不可或缺的工具之一。

然而，包括前处理、求解器及后处理模块的通用CAE软件只具备通用的功能，但在特定的分析过程中，需要对分析运算结果进行统计、分类和特殊处理。

这就需要开发出一种数据提取程序，提取分析结果文件中的信息，适当予以加工，再生成后期可读取的的文件。

由于有限元分析软件的结果文件数据规模大，重复操作多，在CAE分析流程中占了很大一部分时间，并且容易出现操作失误，不易追溯，延误分析的时间。

以往对于结果数据的统计分析基本靠人工去完成，此程序的开发便将这一工作移交于计算机处理，避免人工误差和人力资源的耗费，进而提高了企业的生产效率和技术水平。

因此通过此程序的开发可以实现现有商用软件Hypermesh的二次开发。

1.3 论文课题的研究内容与意义
1.3.1 研究内容
本论文研究主要内容如下：
1)熟悉Hypermesh软件的应用范围和其主要特点，与此同时掌握有限元软件Hypermesh的基本操作，包括网格划分，载荷施加，求解器，Hyperview结果观看等。

2)研究Hypermesh分析结果也就是通过RADIOSS求解后文件格式及数据格式；
3)系统学习Fortran语言，掌握其编程格式与一般方法同时学会使用Intel visual Fortran编译器；
4)设计从结果文件信息的提取、整理、存储方式；
5)编写并调试可读取、整理、写入结果文件的程序；
6)整体调试，并能生成有效的可执行文件；
1.3.2 基于Hypermesh二次开发的研究意义
针对客车车身有限元模型经过Hypermesh有限元分析所求解得出的结果文件设计出一种分析数据提取与处理方法的意义体现在以下几个方面:
1)通过基于Hypermesh有限元软件的二次开发，首先提高了CAE软件的使用效率使其效率更高。

2)因为通用的CAE软件只具备通用的功能，但在特定的分析过程中，需要对分析运算结果进行统计、分类和特殊处理，常用的有限元软件是无法满足的，本程序的开发设计可以满足了用户对于软件的独特需求。

3)由于结果文件数据规模大，重复操作多，在CAE分析流程中占了很大一部分时间，而且容易出现操作失误，不易追溯，延误分析的时间。

以往对于结果数据的统计分析基本靠人工去完成，此程序的开发便将这一工作移交于计算机处理，从而减少人工所需的时间和精力，进而提高了企业的生产效率和技术水平。

1.4 有限元分析及其软件二次开发的历史发展
汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平，它能够最广泛的带动工业，航空、航天等领域的高精尖科技转化为规模产业的唯一途径就是通过汽车工业，所以在发达国家，汽车工业是或曾是作为国民经济支柱型产业。

20世纪70年代，NASTRAN被引入到以有限元分析为基础的汽车结构设计与分析中去，标志着有限元真正应用的时代开始。

过去的这60多年，通过不断发展和自身的完善，己经形成了相当成熟的理论体系[2]。

尤其是1945～1955这十年间发展起来一种结构分析矩阵（位移）法，而这种方法可以说是有限元分析法的雏形，克拉夫（Clough）于1960年首先引用“有限单元法”这一名词并成功将其用于飞机结构的分析[3]。

从20世纪60年代后期开始，伽辽金(Galerkin)法出现并被广泛用于确定单元特性和建立有限元求解方程，从而可以解决虽然已知问题的微分方程和边界条件，但变分的泛函尚未找到或者根本就不存在的情况的存在，而这种问题的解决，使得有限元法的应用领域进一步的扩大了。

由于有限元法具有在数值计算领域的优势，而且历经发展已经成为当今工程分析领域最广泛采用的计算方法，再加上它优秀的通用性和有效性等特点，在工程技术界的关注变得越来越多[4]。

有限元软件是使用有限元方法解决各种科学问题和工程问题的载体工具，它的出现终于将有限元法与生产力联系到了一起，直接推动了人类社会的发展。

计算机的普及与计算机技术的快速发展，使相对应用于工程分析的软硬件也做出相应的改变以适应发展。

目前被世界各大汽车公司广泛采用的FEM（有限元方法）分析软件有:NASTRAN、ANSYS、DYNA、ABAQUS、SAP和Hypermesh等[5]。

1.5 Hypermesh软件的基本特点
Hypermesh作为一个高效的前后处理软件，它具有以下特点：
（1）通过对模型进行高性能的有限元建模和后处理，有效缩短工程分析周期。

（2）提供直观的图形用户界面和丰富先进的特性，使学习效率更高。

（3）提供了可以直接输入CAD几何模型及有限元模型的功能，避免了重复建模
的工作从而节约时间。

（4）软件有着高速度、高质量的自动网格划分的能力，几何的有限元建模过程变得简单又快速。

1.6 国内外发展现状
因此仅仅前处理的技术提高在特定的分析过程中是不够的，这就需要对分析运算结果进行统计、分类和特殊处理，基于Hypermesh进行二次开发。

国内在汽车的分析中一般仅限于强度和刚度的静态分析，在动态分析上起步较晚，相关研究较少。

对汽车零件有限元分析结果文件的再次处理相关的二次开发的有关研究就更少了。

目前，国外对于新车型开发的周期已经大幅缩短，仅需两到三年，这与采用现代车身结构设计方法是密不可分的。

已有许多国外著名企业根据自身实际情况，开发出了一套适用于企业自身产品设计与分析的CAE流程的自动化系统，并已经取得了巨大成效，为企业带来了良好的经济效益与市场竞争力。

Scania利用Altair-HyperWorks工程软件平台，同时利用了二次开发技术实现产品开发设计，其开发的仿真模型的自动装配系统，将装配得到的模型直接用于有限元分析，使得仿真分析效率迅速提高；M&M公司通过Altair-HyperWorks平台进行标准化的CAE流程的定制来进行生产实践，从而实现了流程自动化，同时又在后处理方面应用流程自动化进行后处理，经实际检验，这比手工操作节省了约40%的时间。

由此可见二次开发的意义之大。

因此需要开发出一种数据提取程序，提取分析结果文件中的信息，适当予以加工，使得整个有限元软件可以被更好地利用。

1.7 本文的结构
本文以有限元分析方法的研发工程项目作为应用背景，对基于Hypermesh数据提取与分析技术进行了研究。

全文共分为六章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了论文的研究背景，研究内容，课题的意义，及发展现状；
第二章重点介绍了有限元法的相关概念原理与历史发展，同时介绍了本论文所涉及的有限元软件Hypermesh；
第三章对本程序所使用的计算机语言Fortran进行了研究，给出了其常用编译器的使用方法
第四章针对本课题所采用的客车车身有限元分析数据，交代了数据的产生过程
第五章完成了本论文的主体工作，程序的设计，并对各部分功能作了详细说明。

第六章对全文作了总结与展望，总结不足。

第二章有限元法概论及软件介绍
2.1 引言
计算机辅助工程（CAE)作为一门新兴发展起来的科学技术经历了从高不可及的云端，到各大企业在设计新品时重要的一环。

在传统意义上，所指的CAE 是指在工程设计中的分析计算与仿真模拟，它具体包含了结构与过程的优化与设计、运动学/动力学仿真模拟、工程数值的分析计算、强度/寿命的评估与计算，以及对未来产品的可用/可靠性进行早期的验证，以便获得合格的产品产出。

在企业信息技术高速发展的同时，CAE软件与CAD、CAM、CAPP、PDM、ERP一起，已经作为主导技术并支持工程行业和制造企业信息化的发展[6]，它在以下方面发挥了巨大的作用：（1）提高工程和产品的设计质量与标准（2）降低开发和研究的巨大成本（3）缩短新产品开发周期，节约人力物力。

然而CAE 技术正是因为有限元分析的诞生才能得以出现并发展，在有限元法刚刚诞生出现时，几乎所有的CAE软件都是以有限元法为基础理论来进行计算求解的。

因此，CAE软件在这半个世纪的发展是基于在有限元法的发展。

2.2 有限元方法概述
2.2. 1 有限元法的孕育过程及诞生和发展
牛顿(Newton)与莱布尼茨(Leibniz G. W.) 缔造了伟大的积分法，通过积分法可以证明运算整体可以通过对局部进行累加。

虽然有限元法与积分法不同，一个有限划分一个无限划分，但积分运算确实启发了有限元法，并成为了它的理论基础[7]。

而后100多年，又出现了一位天才数学家，高斯成功的提出加权余值法及线性代数方程组的求解方法。

其中，后者就被用来作为有限元法所得代数方程的解决办法。

拉格朗日也对其进行补充，做出了巨大贡献。

数学家瑞利和里兹于19世纪末到28世纪初之间提出了一种概念，即对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。

1915年，广泛应用于有限元的伽辽金法又数学家伽辽金提出，这种方法实质就是选择性展开函数中形函数。

真正意义上第一次出现有限元的做法，是1943年，数学家库朗德提出了可以在定义域内分片地展开函数来表达其上的未知函数，这种方法实质就是有限元的思想[7]。

每当一个时代迫切需要一种技术，那么新技术就会应运而生，而每一个新技术在出现后都会经历历史的重重严苛考验。

在20世纪40年代，航空工业得到了
快速迅猛的发展，这一发展使工业对飞机内部结构设计的要求变得越来越高，即要满足刚度好、重量轻、强度高等特点，这就迫使人们需要进行更加精确的设计和分析计算。

有限元分析的方法也在这一背景下得到了巨大发展。

早期出现了一些实验的求解方法与专题论文，它全部或局部内容成功的促进了有限元技术的产生，首先在应用数学界第一篇有限元论文是1943年Courant R 发表的《Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibration》一文，文中阐述了其把三角形区域的多项式函数作为辅助工具来求解扭转问题近似解的过程，然而由于技术原因限制，当时计算机还未问世，所以文章并未引起反响。

1956年，波音公司的两名工程师（M.J.Turner和L.J.Topp）联合两名工程学教授，R.W.Clough (土木工程教授)和H.C.Martin (航空工程教授) 一起在航空科技期刊上共同发表一篇计算飞机机翼的强度的论文而这个计算方法就是采用了有限元技术，名为《Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures》，文中把这种解法命名为刚性法(Stiffness)，工程学界普遍将其视为有限元法的开端。

1960年，在美国土木工程学会(ASCE)的计算机会议上，Ray W. Clough教授正式发表了另一篇名为《The Finite Element in Plane Stress Analysis》的论文，这标志着有限元法的应用范围第一次从飞机航空工业扩展到了土木工程领域，同时有限元法(Finite Element Method)作为一个专业名词首次正式提出。

从“限元法(Finite Element Method)”这个名词第一次在人类科技历史上出现，到如今在其工程上的广泛应用，历经三十多年，理论和算法已经趋于完美和成熟。

有限元法最初的名称是矩阵近似法，且多用于于航空工业如航空器的结构强度的计算，然而后来它的实用性、有效性和方便性等优点逐渐引起了力学研究领域科学家们的兴趣。

再经过仅仅数十年的不懈努力后，也同时伴随着计算机技术的爆炸式发展和世界性普及，有限元法迅速渗透到几乎所有的科学领域，并且到目前为止，已然成为了在工程问题分析计算应用领域最为有效且广泛使用的主要计算方法。

除此以外，计算机技术的变革与迅速发展，也使得有限元法中那些光靠人工是难以完成的工作，比如将大量且繁琐的计算工作移交给计算机去迅速且准确的实现。

因此，我们可以说计算机技术的快速发展在很大程度上对有限元法的建立和发展起到了促进作用，缺它不可。

2.2.2 有限元法的概念
有限元法(FEA，Finite Element Analysis)的核心思想细分复杂的问题并且将其等价的用较为简单的问题进行替换后，使问题化繁为简，再来求解[8]。

它将求解域分成许多小的互连子域，而这些互联子域就是有限元，将其切分，每一个单元去都能假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导并求解这个域总的满足条
件(比如结构的平衡条件)，从而使复杂的问题被简化解决了。

这个解不是精确解，
因为实际的复杂问题用较简单的问题代替时难免存在误差。

基于大多数实际工程问题并不能得到一个准确解的事实，有限元法有着计算精度高的优势，因此可以用于对各种复杂形状的工程问题进行有效且准确的计算和分析。

2.2.3 有限元法的应用
伴随着现代计算机技术的持续创新与快速发展，有限元分析在现代工程设计和数值分析领域，已经受到了特别重视并且成为解决复杂工程分析与工程计算问题的有效途径。

现在有限元分析计算法已经遍布渗透至几乎所有的设计制造领域，它的广泛使用使各个领域的设计水平发生了质的改变与飞跃，包括航空航天、国防军工、汽车设计、土木建筑、石化能源以及科学研究等，并且主要表现在以下几个方面：(1)增强产品的可靠性；(2)可找出产品在设计阶段存在的潜在问题并合理规避；(3)经过有限元分析与计算，优化产品的设计方案；(4)使产品投向市场速度加快，从而适应市场的要求；(5)对在投向生产之前对试验的方案进行模拟，这样可以降低因实际试验所产生成本经费。

现代汽车通常具有精密与复杂的机械结构，然而早期对汽车关键结构的静力学的分析大多只是采用一些工程数学上的方法来分析，这就带来了分析的正确性和效率的难以提高[9]，对汽车的设计以及后期改进优化起不到太多帮助。

采用了有限元法之后，不但可以对车身、车架等结构完成静力学的分析，而且还能对汽车的动力性进行动力学分析，因此现如今有限元法已经作为一种设计和改进汽车
的重要计算工具。

2.2.4 有限元分析几个需要注意的重要问题
在运用有限元方法对客车车身骨架进行结构分析时，应该注意如下三方面的问题
(1)建立精确模型
建立精确的模型就是将由实际模型中提炼出来的复杂力学模型进行一些简单化的处理后的所得到模型，在简化的同时必须保证所建立的有限元模型与原几何模型等效，在建立有限元模型的过程中需注意准确的控制算法参数、恰当选择的单元类型，合理的划分有限元网格，从而使所建立的有限元模型符合计算所需要的精确度。

(2)准确施加载荷
准确施加载荷就是对所研究的对象，从对象实际运行过程来确定所需加载的载荷的位置、大小和加载方式等，从而确保载荷值准确可靠。

(3)正确加载边界条件约束
正确加载边界条件约束就是在明确结构的边界条件与各部件之间的约束关系的基础上找出替换约束的等效方式，从而确保计算模型中的边界条件与实际结
构相符合。

2.3 有限元软件介绍
本文有限元分析前后处理主要使用了Hypermesh，故这里主要介绍Hypermesh相关知识。

2.3.1 软件概述
HyperWorks 是美国Altair（澳汰尔）公司开发的一种高性能的能够为用户提供功能全面的CAE 平台[10]。

它满足了用户对于高性能前后处理技术需求，有效提高CAE 工程师的工作效率，真正让企业实现CAE 所驱动的创新设计。

此款软件可以广泛应用于机械制造、土木工程、航天航空、汽车交通等行业且该款软件可以在大多数的巨型机以及PC 机上运行，这使得用户可以很方便的选择使用。

同时HyperWorks 又是一个创新、开放的CAE 平台，集成了众多的设计与分析所需的工具，具有友好的用户界面，该软件一直与时俱进，不断的完善自身功能，目前该款软件已能提供五大类解决方案，一共18大模块，以紧跟CAE 技术发展的未来趋势。

在本文中主要用到如下模块：
（1）Hypermesh 模块
Hypermesh 软件模块有着强大的有限元前处理功能和后处理功能，由于其实用性和兼容性非常优秀所以被被工程师们所广泛采用，它提供了直接访问各行各业的CAD 数据模型并以此生产有限元模型，提供了强大的几何清理功能来清理复杂的几何模型，使得用户可以建立更复杂各合乎实际情况的模型，从而可以提高有限元模型的质量，这些都充分显示了Hypermesh 在有限元分析过程中的巨大优越性，其具体主要特点如下：
1）几乎能兼容各种CAD、CAE 软件，并且能直接输入有限元分析之前就已经建立的CAD几何模型及CAE有限元模型，从而减少了建立新模型所需要的时间和模型开发的成本，进而降低了整车有限元分析所需的时间与费用并且增加了软件的可操作性；
2）用户界面相当简单直观，但其功能强大且其涉及范围极广，以此降低了用户学习和使用的难度，提高了产品的使用效率和实际生产率；
3）在几何清理方面具有高效快速等优点，可以恰当对复杂模型进行合理简化，从而提高了建模效率；
4）具有高质量的自动网格划分功能，从而可以使用户快速对模型进行网格划分；5）与各种有限元求解工具有着良好的兼容性，支持多种不同的求解计算器的输入与输出，从而可以使用户根据自己的需求选择合适的求解工具；
6)Hypermesh 允许客户自定义其菜单系统，创建宏自动处理，从而增加了软件使用的灵活性。