基于C#的汽车耐久仿真开发及应用

张富+谢冰清+黄星星

摘 要：本文首先简要介绍了常用的汽车可靠耐久仿真分析流程，提出仿真分析过程中存在的主要问题，引出汽车耐久仿真自动化技术的必要性；在此基础上详细介绍了汽车可靠耐久仿真自动化系统建设的内容：开发思路、系统功能模块、开发环境、开发流程、数据字典等，继而展示该系统的成果页面，最后以底盘零部件、白车身焊接总成等耐久性能仿真分析及与试验对标情况为例，描述了该系统的应用情况，验证了该技术的实用价值。

关键词：可靠耐久仿真；自动化；方案

中图分类号：TP311 文献标志码：A

Abstract：This paper introduce the vehicle fatigue and reliability simulation status， then put forward the main problems of the simulation technology. To solve the problems， the automation system construction of the simulation process is quite necessary. Based on the fatigue simulation theory， this paper describes the process of the automation systems construction like the complete scheme plan， the develop idea， system function module and the automation system construction status. Finally this paper present the benefit the automation system brings by taking fatigue simulation and test standardfor example.

Keywords：Fatigue and reliability simulation；Automation；Scheme

汽车产品的耐久性是影响其竞争力的重要因素之一，同时其开发周期与成本迫切需要，在产品概念设计阶段对其耐久性能进行控制，汽车设计厂商通过可靠耐久仿真手段来提高汽车产品耐久性能，耐久性能仿真分析是对动态应力和零部件进行早期疲劳寿命估计的一种系统方法。

目前常见的汽车构件的疲劳仿真分析流程如图1所示，由图1中可见，可靠耐久仿真分析流程中工作工时主要集中在两个部分：第一部分是通过CAD软件将数模转化为有限元网格模型，并进行静力学或动力学求解；第二部分是通过疲劳仿真软件对汽车构件进行寿命估算。

汽车可靠耐久性能仿真分析，除有限元模型基础网格划分、提交有限元软件进行应力计算、寿命计算外，还有很多工作手工完成，操作复杂，工作量庞大，且容易出错。此外，软件之间未集成，在耐久仿真分析过程中，数据之间的流转和传递途径没有固化。

1 解决方案

汽车可靠耐久仿真自动化系统建设，可以用来解决CAE仿真工程师面临的烦恼，通过对耐久性能仿真分析对象的材料、属性、局部坐标系、载荷、载荷步等操作自动化，大大提高耐久性能仿真分析效率。自动化系统主要包括三大功能：有限元模型及疲劳分析模型前处理操作自动化、已完成的仿真分析任务提取相关信息生成数据库表单、耐久性能仿真分析任务与其指导性文件（流程、方法、设计/试验/仿真标准）。

此系统的应用，可以大幅压缩人工仿真可控部分的时间，显著缩短了可靠耐久仿真分析周期，解决汽车零部件及系统耐久性能仿真对有限元模型材料、属性、加载、输出等求解计算所需的大量重复性软件操作，避免仿真分析工程师可能的操作不规范引起的误操作所带来的麻烦，把更多的时间用在结果优化、指导设计改进等更有意义的工作中。

1.1 整体方案概述

本文通过Hypermesh TCL、Microsoft visual studio c#开发软件，Excel作为后台数据库，开发一套应用自动化应用系统，实现各软件间操作从手工到自动的转变；通过建立耐久仿真数据库模型，实现耐久仿真数据库与仿真任务之间双项的互为输入，建立成熟仿真经验传递通道；通过多软件集成，实现不同软件间数据在同一平台下的有效流转；通过可靠耐久仿真分析任务与相应的流程、方法、设计/试验/仿真标准等集中管理平台，加速掌耐久仿真分析技术。

本系统开发工具，如图2所示。

1.2 具体步骤

1.2.1 实现手工到自动的转变

本系统实现由手工操作到自动化转变的模块，见表1。

1.2.2 实现成熟耐久仿真经验传递

实现成熟耐久仿真经验传递，具体来说，就是将已经完成求解计算的有限元文件中的材料、属性、局部坐标系、载荷、载荷步、输出等相关信息，通过本系统自动提取出来，放入反向数据库相应的数据库表单中，作为后续类似耐久仿真分析任务的数据输入，以便快速生成能够提交求解器求解计算的有限元前处理文件。本系統提供的耐久仿真分析任务与相应的仿真分析流程、分析方法、设计标准/试验标准/仿真标准，以及具体的台架/路谱/临时工况仿真分类任务结合起来，集中管理，以便任何一个员工在开始一个新的耐久仿真分析任务时，能够快速找到该任务的分析流程、方法及标准文件，这对于顺利完成一个耐久仿真分析任务，有着非常有价值的指导意义。本系统涵盖了截至目前为止所有的耐久仿真分析任务的相关信息，表2为本系统所管理的耐久仿真分析任务与指导性文件表单示例。

2 开发简述

2.1 开发环境

本系统核心开发工具是Microsoft Visual Studio 2008 C#，是微软公司推出的一种简洁、类型安全的面向对象的编程语言，开发人员可以通过它编写在.NET Framework上运行的各种安全可靠的应用程序。使用C#，可以创建传统的Windows客户端应用程序、XML Web Services、分布式组件、客户端—服务器应用程序、数据库应用程序以及很多其他类型的程序。endprint

TCL（Tool Command Language）是一种解释执行的脚本語言（Scripting Language）。我们不光可以直接应用TCL自身的固有命令，还可以定义自己的过程，提高语言应用性。最重要的是，TCL语言与HyperWorks平台是无缝连接的。

用Excel作为本系统的后台数据库，主要考虑它的易用性。Excel使用起来非常简单，自己用或发给别人，都能方便打开使用。

本系统的后台数据库由正向数据库和反向数据库两部分组成。正向数据库提供耐久仿真分析前处理工作的手工到自动的转变数据支撑，反向数据库则将已完成的耐久性能仿真分析数据信息提取出来，生成数据库表单，作为后续类似耐久仿真分析任务的基础数据，以便快速生成可提交求解计算的仿真求解文件，从而实现仿真分析方法的固化及仿真经验传递。

图3为本系统开发界面，表3为本系统后台正向数据库表单。

2.2 开发流程

开发过程主要考虑Hypermesh、Femfat两套软件的自动化、成熟仿真经验的核心数据提取形成数据库表单，以及耐久分析任务相关联的流程、方法、设计/试验标准及应用的集中统一管理工作。图4为本系统开发流程图。

2.3 数据字典

具体开发过程中的数据字典部分，信息较多，略。图5为本系统开发的数据字典的部分内容。

3 成果展示

所形成的可靠耐久仿真分析自动化系统，主要包括主界面、Hypermesh基础数据定义介面、数据生成界面、局部坐标系定义界面、载荷及边界处理界面、一键式完成界面、生成仿真数据库表单等。

3.1 功能模块界面（图6～图11）

3.2 耐久仿真分析方法及流程帮助文档（图12）

3.3 自动化系统应用举例

本文以某乘用车项目开发中扭力梁、横向稳定杆及白车身的自动化系统应用情况举例，并将仿真分析结果与试验进行对标，验证自动化系统的功能与精度，同时，将部件仿真分析项目周期由原来的20周缩短至4周完成，应用情况如图13所示。

结语

本文简要介绍了常见的汽车可靠耐久仿真分析流程，提出仿真分析过程中存在的主要问题，引出汽车耐久仿真自动化技术的必要性；在此基础上，详细介绍了汽车可靠耐久仿真自动化系统建设的内容并展示该系统的成果页面，继而以自动化系统在某乘用车项目开发中的应用情况验证了该技术的实用价值。

与此同时，本系统需要进一步的完善和加强应用覆盖面及部件仿真分析功能，包括试验对标及测试数据，提高自动化系统使用率和效率，此外，在系统帮助文档的编写方面还需要投入更多精力，使企业新员工通过了解本系统的功能能迅速掌握耐久仿真分析方法和分析流程，加速工程师技能成长。

参考文献

[1]余志生.汽车理论（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：国防科技出版社，2003.

[3]“FEMFAT Users Manual”， Engineering Center Steyr GmbH & Co KG， 2012.

[4]“Microsoft visual studio c# Users Manual”，Microsoft Visual Studio， 2008.endprint