CAE軟件Hypermesh二次開發在汽車仿真行業的分析與應用

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荷在其表面產生壓痕的能力。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，經常出現的位置如圖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。在經濟型車輛的外覆蓋件中，最容易出現的就是張力松弛缺陷，直觀地表現為表面質地發軟，其根本原因就是表面的設計剛度不足。

圖1外覆蓋件抗凹陷性能

靜態載荷作用過程中，覆蓋件表面將表現三個明顯的剛度響應階段——彈性區、塑性平滑區與硬化區。在從第一響應區向第二響應區過渡時，在特定情況下可能發生失穩現象——油罐效應現象，即表現為載荷突然變小而出現大的滑移。這種失穩現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區段

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（靜態與動態載荷）而不發生大的變形。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，具體表現為無明顯的壓痕。

抗凹性是用戶選購新車的重要指標，抗凹性差導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生壓痕，影響外觀且易損傷銹蝕。通過抗凹分析發現汽車外板薄弱點，校驗其抗凹性能，給出優化建議和方案。

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

2、傳統抗凹性分析方法

抗凹分析的工作過程分為預分析和抗凹性分析兩步，首先通過預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系，對考察點逐個校核。

傳統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，設置接近二十多個參數，操作難以規范化，易出錯，如圖4所示。參數值的設置尚無統一規定，通常需對參數反復調整才能收斂，不同的參數值對計算結果有較大影響。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、操作復雜、正確性較低、費時較長等缺點。

圖3側圍考察點選取示意圖

圖4抗凹分析參數設置示意圖

3、HyperMesh二次開發工作目標

開發和應用外覆蓋件抗凹性自動化分析工具，實現以下功能：

（1）提供選擇考察點的有效方案，能夠快速準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）固化參數設置，能夠提供一套通用性好的分析參數數值，對于大多數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置，能夠根據簡單的用戶指令，在HyperMesh環境中自動實現預分析（用于薄弱點選擇）和抗凹性分析所需的各種操作設置，生成可直接提交求解器計算的文件。

4、HyperMesh二次開發實施方案

對HyperMesh軟件二次開發實現分析自動化，利用宏命令開發用戶界面，利用TCL腳本語言編程實現功能。

預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，根據線性擾動分析得到的法向位移結果確定薄弱點。

根據實際經驗固化抗凹性分析參數設置，總結多個項目的抗凹性分析設置，反復調整各參數進行計算，測試其對收斂性和計算結果的影響。

在實際項目中應用、調試和驗證，在實際項目中應用自動化工具，并與傳統分析方法詳細對比。根據使用者的反饋，修正bug，改進功能。

5、HyperMesh二次開發實施過程

二次開發實施過程分為方案制定、目標確定、開發調試、應用驗證四個階段。

方案制定首先確定技術路線，然后確定二次開發的主要功能，最后規劃二次開發的工作流程。

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

開發調試需固化各項參數設置，完成界面和主程序的開發，與傳統方法詳細比對和修正BUG改進功能。

應用驗證用于實際項目使用，驗證實際功能和效果并根據使用者反饋進一步改進。

圖5二次開發工作流程規劃

6、HyperMesh二次開發抗凹分析自動化工具

基于HyperMesh開發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。“Pre_UNDO”按鈕自動刪除Pre_Calc設置，僅剩余外邊界約束與考察點處局部坐標系。“Head_12mm”按鈕在考察點處進行抗凹分析所需的全部設置（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置（120mm剛性壓頭），能夠根據板材料厚自動調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系，。dat文件中的U3數值即為參考點沿外板法方向的位移值，無需進行坐標變化，實施的各項分析參數設置是基于多個實際項目經驗的總結，對于絕大多數情況均能保證良好精度和收斂性。“Head_UNDO”按鈕自動刪除Head_12mm或Head_120mm的所建立的抗凹分析設置。

圖6抗凹分析自動化工具

7、結論

傳統抗凹分析方法通常不能準確找到薄弱點，需進行幾十步操作，設置接近二十個參數，易出錯。參數設置難以統一，不同的參數對結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，鼠標僅需點擊數次即完成全部操作和設置，固化了根據經驗總結出的參數設置，利于不同車型之間的抗凹分析結果對比。3分鐘之內（不計計算機求解時間）即可完成全部設置。

HyperMesh二次開發抗凹分析自動化工具還具有簡單易用、選點正確、規范操作、收斂性好、結果準確等特點，推廣使用后每個項目可節省約500個工時。