CAE軟件Hypermesh二次開發(fā)在汽車仿真行業(yè)的分析與應(yīng)用

有限元科技

1、概述

抗凹陷性能（簡稱抗凹性）是指車身外表零件抵抗外加負(fù)荷在其表面產(chǎn)生壓痕的能力。轎車車身常見的表面缺陷（變形）有三種形式，即耳形塌陷、斜坡變形和張力松弛，經(jīng)常出現(xiàn)的位置如圖1所示。這些缺陷隱患處主要是加工成型中相對難以控制的部位，也是外覆蓋件抗凹陷分析與檢查的重要位置。在經(jīng)濟型車輛的外覆蓋件中，最容易出現(xiàn)的就是張力松弛缺陷，直觀地表現(xiàn)為表面質(zhì)地發(fā)軟，其根本原因就是表面的設(shè)計剛度不足。

圖1外覆蓋件抗凹陷性能

靜態(tài)載荷作用過程中，覆蓋件表面將表現(xiàn)三個明顯的剛度響應(yīng)階段——彈性區(qū)、塑性平滑區(qū)與硬化區(qū)。在從第一響應(yīng)區(qū)向第二響應(yīng)區(qū)過渡時，在特定情況下可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象——油罐效應(yīng)現(xiàn)象，即表現(xiàn)為載荷突然變小而出現(xiàn)大的滑移。這種失穩(wěn)現(xiàn)象的剛度變化曲線如圖2所示。

圖2靜力加載過程中多個剛度響應(yīng)區(qū)段

在日常的使用中，例如洗車、受小石子打擊等情況是不可避免的，因此設(shè)計中必須要求車身外覆蓋件的表面能夠承受一定的載荷（靜態(tài)與動態(tài)載荷）而不發(fā)生大的變形。車身表面的抗凹陷特性也就需要滿足以下條件：

（1）施加一定載荷時，不發(fā)生過大的變形，即表面抗凹陷剛度足夠；

（2）卸載后殘余變形小，具體表現(xiàn)為無明顯的壓痕。

抗凹性是用戶選購新車的重要指標(biāo)，抗凹性差導(dǎo)致車身外表掌壓剛度和指壓剛度低，影響用戶感受，而且車身表面易在外力作用下產(chǎn)生壓痕，影響外觀且易損傷銹蝕。通過抗凹分析發(fā)現(xiàn)汽車外板薄弱點，校驗其抗凹性能，給出優(yōu)化建議和方案。

本文利用TCL語言基于HyperMesh進行二次開發(fā)抗凹分析自動化工具，使抗凹分析流程自動化、準(zhǔn)確化。

2、傳統(tǒng)抗凹性分析方法

抗凹分析的工作過程分為預(yù)分析和抗凹性分析兩步，首先通過預(yù)分析篩選外表面的薄弱點作為考察點，然后進行抗凹分析，建立壓頭模型與接觸關(guān)系，對考察點逐個校核。

傳統(tǒng)抗凹分析方法一般采用均布壓強或重力場法篩選考察點，通常不能準(zhǔn)確找到最薄弱的點，如圖3所示。需對主面、從面、接觸對、載荷步進行幾十步操作，設(shè)置接近二十多個參數(shù)，操作難以規(guī)范化，易出錯，如圖4所示。參數(shù)值的設(shè)置尚無統(tǒng)一規(guī)定，通常需對參數(shù)反復(fù)調(diào)整才能收斂，不同的參數(shù)值對計算結(jié)果有較大影響。需要2~3次試算，花費工時較長，每項分析需要4h~20h（不含求解計算時間）。存在考察點選取困難、操作復(fù)雜、正確性較低、費時較長等缺點。

圖3側(cè)圍考察點選取示意圖

圖4抗凹分析參數(shù)設(shè)置示意圖

3、HyperMesh二次開發(fā)工作目標(biāo)

開發(fā)和應(yīng)用外覆蓋件抗凹性自動化分析工具，實現(xiàn)以下功能：

（1）提供選擇考察點的有效方案，能夠快速準(zhǔn)確地篩選出車身外表面抗凹性薄弱的位置，作為抗凹性分析的考察點。

（2）固化參數(shù)設(shè)置，能夠提供一套通用性好的分析參數(shù)數(shù)值，對于大多數(shù)情況均能保證計算收斂性和精度。

（3）自動完成各種操作和設(shè)置，能夠根據(jù)簡單的用戶指令，在HyperMesh環(huán)境中自動實現(xiàn)預(yù)分析（用于薄弱點選擇）和抗凹性分析所需的各種操作設(shè)置，生成可直接提交求解器計算的文件。

4、HyperMesh二次開發(fā)實施方案

對HyperMesh軟件二次開發(fā)實現(xiàn)分析自動化，利用宏命令開發(fā)用戶界面，利用TCL腳本語言編程實現(xiàn)功能。

預(yù)分析中采用單點加集中力法篩選薄弱點，在模型上選上百個點，每個點分別施加法向集中力建立載荷步進行線性擾動分析，根據(jù)線性擾動分析得到的法向位移結(jié)果確定薄弱點。

根據(jù)實際經(jīng)驗固化抗凹性分析參數(shù)設(shè)置，總結(jié)多個項目的抗凹性分析設(shè)置，反復(fù)調(diào)整各參數(shù)進行計算，測試其對收斂性和計算結(jié)果的影響。

在實際項目中應(yīng)用、調(diào)試和驗證，在實際項目中應(yīng)用自動化工具，并與傳統(tǒng)分析方法詳細對比。根據(jù)使用者的反饋，修正bug，改進功能。

5、HyperMesh二次開發(fā)實施過程

二次開發(fā)實施過程分為方案制定、目標(biāo)確定、開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用驗證四個階段。

方案制定首先確定技術(shù)路線，然后確定二次開發(fā)的主要功能，最后規(guī)劃二次開發(fā)的工作流程。

目標(biāo)確定需對各實際項目總結(jié)提煉，測試各種參數(shù)的影響，比對各種考察點選擇方案與各種壓頭模型和加載方案。

開發(fā)調(diào)試需固化各項參數(shù)設(shè)置，完成界面和主程序的開發(fā)，與傳統(tǒng)方法詳細比對和修正BUG改進功能。

應(yīng)用驗證用于實際項目使用，驗證實際功能和效果并根據(jù)使用者反饋進一步改進。

圖5二次開發(fā)工作流程規(guī)劃

6、HyperMesh二次開發(fā)抗凹分析自動化工具

基于HyperMesh開發(fā)的抗凹分析自動化工具如圖6所示。其中“Pre_Calc”按鈕用于查找薄弱點，為每個試算點建立一個loadstep，施加法向集中力進行線性擾動分析�！癙re_UNDO”按鈕自動刪除Pre_Calc設(shè)置，僅剩余外邊界約束與考察點處局部坐標(biāo)系�！癏ead_12mm”按鈕在考察點處進行抗凹分析所需的全部設(shè)置（12mm剛性壓頭），“Head_120mm”按鈕在考察點處進行抗凹分析所需的全部設(shè)置（120mm剛性壓頭），能夠根據(jù)板材料厚自動調(diào)整剛性壓頭初始位置，使剛性壓頭與板材的初始間隙為0，自動為剛性壓頭的參考點賦局部坐標(biāo)系，。dat文件中的U3數(shù)值即為參考點沿外板法方向的位移值，無需進行坐標(biāo)變化，實施的各項分析參數(shù)設(shè)置是基于多個實際項目經(jīng)驗的總結(jié)，對于絕大多數(shù)情況均能保證良好精度和收斂性�！癏ead_UNDO”按鈕自動刪除Head_12mm或Head_120mm的所建立的抗凹分析設(shè)置。

圖6抗凹分析自動化工具

7、結(jié)論

傳統(tǒng)抗凹分析方法通常不能準(zhǔn)確找到薄弱點，需進行幾十步操作，設(shè)置接近二十個參數(shù)，易出錯。參數(shù)設(shè)置難以統(tǒng)一，不同的參數(shù)對結(jié)果的精確性影響較大。通常需要2~3次試算，共需花費工時4h~20h（不計計算機求解時間）。

基于TCL編程的HyperMesh二次開發(fā)抗凹分析自動化工具能找到外板中的全部剛性較低的點，鼠標(biāo)僅需點擊數(shù)次即完成全部操作和設(shè)置，固化了根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出的參數(shù)設(shè)置，利于不同車型之間的抗凹分析結(jié)果對比。3分鐘之內(nèi)（不計計算機求解時間）即可完成全部設(shè)置。

HyperMesh二次開發(fā)抗凹分析自動化工具還具有簡單易用、選點正確、規(guī)范操作、收斂性好、結(jié)果準(zhǔn)確等特點，推廣使用后每個項目可節(jié)省約500個工時。