客车车身骨架有限元建模的自动化工具开发

沈辉

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门　361023）



客车车身骨架有限元建模的自动化工具开发

沈辉

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

摘要：以HyperMesh软件为平台，应用tcl k脚本语言开发了一套客车车身骨架壳单元模型的有限元自动化建模工具。相比传统的手工建模，该工具能够显著缩短建模周期，简化繁琐的手工操作步骤，大大提升建模效率。实际应用表明，车身CAD模型的精度越高，则程序的自动化程度越高。

关键词：客车车身骨架；有限元建模；二次开发；自动化工具

CAE分析过程分为三步：前处理、计算、后处理[1]。由于汽车结构复杂，CAE工程师将近一半的时间用于前处理[2]。为了提高前处理效率，许多企业（如福特、奇瑞、一汽、北汽等）根据自身产品特点及经验积累，在商用有限元软件的基础上通过二次开发以及流程定制实现前后处理过程的自动化。通过定制的自动化流程，减少了重复劳动，大大降低了有限元前处理时间；同时提升了分析的效率及精度，保证分析的一致性。CAE分析自动化建模、分析流程定制等二次开发技术已经成为CAE技术发展的新潮流[3-8]。

1　自动化建模工具介绍

目前几乎所有的自动化建模、分析流程都是针对轿车开发的，能够适用于或针对客车仿真建模的二次开发技术很少。这是因为客车车身骨架的制造及焊接等工艺与轿车完全不同，故有限元建模流程也不同。同时由于国内客车行业CAE分析技术起步较晚，关于客车的二次开发技术也相对更落后。本文以HyperMesh通用化前处理软件为平台，通过其tcl k脚本语言[9]接口二次开发，编写了一套客车车身壳单元模型的有限元自动化建模工具，同时编制了可视化窗口界面以便操作。运用此工具进行客车车身建模，与传统手工建模方法相比，能够显著缩短建模周期，提升效率。

客车车身骨架是由一系列的方钢拼焊而成的空间杆系结构[10]，主要分为前围骨架、后围骨架、左侧围骨架、右侧围骨架、顶盖骨架、底架六大总成。车身骨架有限元建模采用的单元形式主要分梁单元和壳单元两种。目前国内客车厂大多采用壳单元进行建模，这是因为壳单元比梁单元的计算精度高。但这也使得前处理工作量大，方钢的连接工作繁琐，建模周期长。

为缩短壳单元建模周期，本文开发了针对客车车身的自动化建模工具及流程，具体如图1所示。此工具包括的批处理模块主要有：抽中面、自动分组模块；方钢自动切割及连接模块；焊缝自动连接模块；螺栓、铆钉自动连接模块。其中自动划分网格模块直接调用Hyper-Work BatchMesher工具。

图1　客车车身自动化建模工具及流程

2　自动建模工具主要功能

2.1抽中面及自动分组模块

采用壳单元建模，首先需对实体模型进行抽中面，并将中面按照厚度进行分组。客车骨架由大量方钢以及钣件构成，手动抽取中面、测量厚度、分组是一项重复、繁琐、耗时的工作，而通过自动化工具既能节省一半以上时间，又能降低人为错误发生率，大大提高了效率。抽中面、自动分组模块的程序流程图如图2所示。

图2　抽中面及自动分组模块的程序流程图

2.2方钢自动切割及连接模块

骨架方钢的焊接简化方法分为两种：一种为相交方刚的焊接，在有限元模型中通常采用共节点形式简化；另一种为平行方刚的焊接，采用刚性连接单元简化。刚性连接单元在有限元网格划分后创建，对网格要求较低。若采用共节点连接，则需保证连接面上的方钢间的节点对齐，否则连接后单元质量无法满足。而保证节点对齐的唯一途径就是在划分网格之前对连接的方钢几何面进行切割。整车骨架由成百上千根方钢构成，若对所有方钢逐一进行手动切割、共节点操作，将花费大量的时间。因此，实现方钢切割、连接的自动化是自动化建模的最重要一环。

方钢切割及连接模块的程序流程如图3所示。首先选择需要进行切割连接的方钢，程序将根据几何特征统计方钢自由端面的总数，接着对所有端面进行重复循环的搜索目标面、切割操作。当最后一个端面结束后，再进行方钢的连接操作。

图3　方钢自动切割及连接模块的程序流程图

切割及连接模块的操作界面提供了两种操作方式：一种面对面操作（surfaces to surfaces），即在给定目标面的前提下进行切割连接。这种方式无需搜索方钢端面的最近面，故运行效率高、速度快，主要用于局部操作；另一种是批处理方式（batch option），即对所有方钢进行处理。此方法需在选中的所有几何面中搜索方钢端面的最近面，如果选取的方钢量大，程序搜索将需要更长时间，运行效率较低。为此，特别提供了分块处理功能，用户只需设定分块数量，然后输入每一块所包含的方钢，程序将按照设定的分块顺序逐一进行切割操作。由于每个分块之间是相互独立的，故能够有效提升程序运行效率，分块越多，程序执行的时间越短。

图4为方刚自动切割连接的实例。图4（a）为切割前每根方刚是相互独立自由的，并且方钢间的搭接复杂；采用本文开发的自动切割连接工具进行处理，则可快速、高效地完成方钢之间的切割和连接操作，效果如图4（b）所示。所有方刚自动完成了切割和连接，并且效果与预期一致。

图4　方钢自动切割连接效果图

2.3焊缝自动连接模块

焊接是客车车身结构最主要的连接方式[11]，实现焊接的自动化是自动化建模不可或缺的模块。焊缝自动连接模块的子程序主要有单个塞焊孔连接，塞焊孔批量连接、焊缝连接以及满焊连接。

传统连接方法需对塞焊孔逐一地选取节点创建连接单元。选取节点过程中经常由于视角不对而无法准确选取节点，需要不断调整视角，使得传统方法效率低下。塞焊孔批处理功能正是为了解决这些困扰而编写的，用户只需要设定容差以及塞焊孔最大尺寸等参数即可自动、快速、准确地完成所有塞焊孔连接。图5（a）所示为全承载底架后悬结构的钣件与方刚之间通过大量塞焊孔塞焊连接；执行本批处理连接程序后，所有塞焊孔都自动完成了连接（图5（b））。

图5　塞焊孔批量连接效果图

平行方钢之间的焊接主要通过刚性单元模拟，车身各总成之间的连接以这种方式为主。在CAE仿真过程中，这类焊缝的模拟应遵循焊接工艺关于焊缝长度、焊缝间距的要求。为此专门开发了针对此类焊缝的自动连接程序，用户只需设置焊缝长度以及焊缝间距等参数，程序将按照给定的参数自动创建方钢的连接。程序执行效果如图6所示。图中焊缝长度为50 mm，焊缝间距设为150 mm，图中标注的圆圈节点即为刚性单元的节点。

图6　平行方钢焊缝自动连接效果图

2.4螺栓和铆接自动连接模块

有限元前处理时，对于螺栓连接和铆接连接的模拟主要有刚性连接单元和梁单元两种方式。相比刚性连接单元，采用梁单元模拟需设置梁单元截面属性以及单元方向，故在不考虑螺栓、铆钉受力的情况下基本上都直接采用刚性连接单元进行简化。对于手动进行螺栓、铆钉连接来说，无论采用哪种模拟方式，只要螺栓或铆钉达到一定数量，都会是一项繁琐、耗时的工作。因此，对于存在大量螺栓、铆钉的客车来说，开发一套实现螺栓、铆钉自动连接的程序是非常必要的。

螺栓、铆钉自动连接模块的操作界面中，根据目前常用的模拟方式提供了刚性连接单元和梁单元两种模型。用户只需设置好连接参数，即可轻松、快速、准确实现螺栓、铆钉的自动连接。此程序除了能完成两层板的连接外，还能够自动识别并完成多层板的连接。当采用梁单元模型时，程序还能够根据螺栓孔半径自动创建与梁单元关联的截面属性及单元方向。以图7（a）所示的多层板为例，其中既有两层板的螺栓连接，又有三层和四层板的螺栓连接。运用rigid和beam单元分别对其进行批处理操作，连接后的效果分别如图7（b）、（c）所示。

图7　螺栓自动连接效果图

3结束语

本文基于HyperMesh通用化前处理平台，借助其tcl k语言接口，开发了一套能够实现客车车身有限元自动化建模的工具。通过实际应用发现，相比传统手工建模，按照此套自动化流程进行建模，可以显著缩短建模周期，大大提升建模效率，同时可以解放双手，避免繁琐、重复的手工操作。实践表明，车身CAD模型的精度越高，程序的自动化程度也越高。

参考文献：

[1]靳春梅，樊灵.CAE模拟分析在汽车数字化开发中的应用及展望[J].上海汽车，2008（12）：14-16.

[2]杜鹃.基于有限元分析的大客车车身结构强度优化[D].西安：长安大学，2009.

[3]朱金光，冷峻，刘安宁，等.CAE分析在企业技术创新中的初步探索与实践[J].农业装备与车辆工程，2008（10）：35-37.

[4]孙静，黄雪飞，李慧萍，等.基于HyperWorks的流程自动化系统开发与应用[J].铁路计算机应用，2012，21（12）：30-33.

[5]霍福祥，董嘉林，武斌.流程自动化提高发动机仿真建模效率[C]. Altair 2007大中国区用户技术大会论文集，2007.

[6]曹文刚，范超.基于HyperWorks的CAE流程自动化系统设计开发[J].工程图学学报，2011，32（1）：16-21.

[7]熊珍兵，罗会信.基于HyperMesh的有限元前处理技术[J].排灌机械，2006，24（3）：35-38.

[8]陆善彬，吕婕，陈伟，等.基于HyperMesh二次开发的无铆钉铆接有限元快速建模[J].图学学报，2014，35（5）：804-808.

[9] Ousterhout J K，JonesK.Tcl/Tk入门经典[M].2版.张元章，译.北京：清华大学出版社，2010.

[10]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[11]刘凯.客车车身六大片骨架的焊接结构及工艺探讨[J].汽车实用技术，2013（12）：104-106.

修改稿日期：2015-05-15

Development of Automation Tool for Bus / Coach Body Frame Finite Element Modeling

Shen Hui
（Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd, Xiamen 361023, China）

Abstract：An automation tool for bus / coach body frame finite element modeling with shell elements is developed by using the tcl k programming language based on HyperMesh software. Compared with the traditional manual modeling method, the automation tool can remarkably shorten the modeling period, simplify the complex manual operation, greatlyimprove the modelingefficiency. The actual application shows that ifthe accuracyofthe body CAD model is higher, the automation level ofthe tool is higher.

Key words:bus / coach bodyframe; finite element modeling; secondarydevelopment; automation tool

作者简介：沈辉（1985-），男，硕士；工程师；主要从事客车结构的CAE分析工作。

中图分类号：U463.82+2

文献标志码：B

文章编号：1006-3331（2016）01-0040-03