某越野车外覆盖件抗凹分析自动化流程开发

王传佩 肖介平 聂春红 王胜男

摘要：

针对越野车外覆盖件抗凹分析流程中考察点多、加载工况复杂、工作效率低的现状，采用TCL/TK语言和基于HyperMesh前处理平台，开发一套简单、高效、便捷的可视化CAE抗凹分析自动化流程。该流程主界面简单，可以按照需求自动完成网格细化、压头创建和工况分析，操作简便。以某越野车发动机盖抗凹分析为例，验证该抗凹分析自动化流程的高效率和分析结果的准确性。

关键词：

发动机盖; 抗凹分析; 自动化; TCL/TK; HyperMesh

中图分类号：  TP391.92; U463.832

文献标志码：  B

Development of automatic process for dent resistance analysis of offroad vehicle outer panel

WANG Chuanpei， XIAO Jieping， NIE Chunhong， WANG Shengnan

（BAIC Motor Group OffRaod Vehicle Company， Beijing 101300， China）

Abstract：

As to the issue that the inspection points number is large， the loading conditions are complex and the work efficiency is low in the dent resistance analysis process of the offroad vehicle outer panel， a set of visualization CAE dent resistance analysis automation process is developed by using TCL/TK language and HyperMesh preprocessing platform， which is simple， efficient and convenient. The main interface and the operation of the process are simple， and it can automatically complete the mesh refinement， the indenter creation and the working conditions analysis according to the requirements. Taking the dent resistance analysis of an offroad vehicle hood as an example， the efficiency of the automatic process and the accuracy of the analysis results are verified.

Key words：

hood; dent resistance analysis; automation; TCL/TK; HyperMesh

0 引 言

汽車外覆盖件的抗凹性能是整车外观品质最简单直观的反映。外覆盖件主要包括车门外板、翼子板、侧围外板、机盖外板、顶盖外板和行李箱（或尾门）外板等。抗凹性能一般包括抗凹刚度、抗凹稳定性和残余变形等。CAE技术已在各汽车企业中得到广泛应用，该技术可以将汽车研发中存在的问题暴露于物理样件制造之前，从而缩短产品开发周期、降低开发费用。但是，在CAE结构耐久仿真分析过程中，分析工况繁多、前处理用时长、重复操作多，导致CAE仿真分析效率较低，尤其在汽车外覆盖件的CAE抗凹分析流程中表现特别明显。[1]因此，在保证CAE仿真分析正确性和精确度的前提下，如何提高仿真分析效率是企业关注的重点问题之一。[24]目前，各企业在CAE汽车抗凹分析流程中主要存在以下问题：

（1）分析效率低。每个考察点都需要细化网格、创建指压探头、创建接触关系等，约占用工程师整个分析时间的60%～80%。

（2）分析结果一致性差。抗凹分析流程烦琐，不同工程师对模型的处理不同，即使同一工程师两次处理也不一定完全一致，导致结果没有可比性，分析结果的一致性差。

（3）操作复杂。为提高抗凹分析效率，有些企业借助HyperWorks中的Processing Manager平台开发抗凹分析系统[5]，但系统操作复杂、不易上手。

因此，本文拟开发一套简单、高效、便捷的可视化CAE汽车抗凹分析自动化流程。该流程无缝集成到HyperMesh中，不仅可以提高抗凹分析效率、保证分析结果的一致性，而且简单易用。

1 汽车抗凹分析自动化流程开发

开发抗凹分析自动化流程，就是将原有的分析流程通过自动化程序实现。[6]本文采用TCL/TK语言、利用HyperMesh软件进行系统开发。

1.1 语言环境

TCL语言与C++、Java语言相似，是一种脚本语言。与其他语言相比，TCL是一种解释语言，其解释器是C语言函数库，可以很容易地整合到应用程序中[5]，故将其选为开发语言。TK是用于开发图形用户界面（graphical user interface，GUI）的应用程序工具集，可协助TCL实现分析的可视化。

1.2 软件平台

HyperMesh软件是Altair公司HyperWorks软件的前处理模块，各大汽车企业均有采用。该软件是开放的CAE平台，集成各种设计与分析工具，具有强大的开发功能和高度开放性。[7]为方便用户二次开发，平台提供丰富的内置API函数。系统所涉及的程序均采用TCL语言编写。

1.3 自动化流程系统开发

大部分企业有自定义的网格建模规范，并且HyperWorks已经有专业的网格建模自动化平台。本文开发的自动化流程主要完成网格建模后的前处理工作。

企业现有的抗凹分析流程见图1。目前，在抗凹分析流程中，压头创建、网格细化、接触定义和工况定义等重复工作较多，耗时较大且容易出错，因此实现自动化流程尤为重要。在借鉴现有抗凹分析流程并重点考虑自动完成重复工作的基础上，设计抗凹分析自动化流程，见图2。

1.4 抗凹分析自动化流程功能实现

1.4.1 主界面开发

利用HyperMesh中API的Utility Menu命令函数*createbutton（ ），快速开发抗凹分析主界面，见图3。界面中的每个控件都可以调用后台函数，以实现各自功能。Import按钮可以调用平台的模型导入功能，Export按钮通过*feoutputwithdata（ ）将创建好的计算文件导出到目标文件夹中。

计算文件导出函数代码如下：

proc exportfunc { } {

set dir [tk_chooseDirectory initialdir ～ parent.abq_ dent title "Select Dir for Export *inp"] file mkdir $dir

set tamplate path"[hm_infoappinfo ALTAIR_HOME] /templates/feoutput/abaqus/standard.3d"

*retainmarkselections 0

*feoutputmergeincludefiles 0

*feoutputwithdata "$tamplatepath" "$dir/model.inp" 0 0 1 1 1}

1.4.2 自动网格细化

根据设计需要，选取外板薄弱部位作为考察点[8]。点击Select nodes & Refine elems按钮通过API的Modify函数*createmarkpanel（ ）选取考察点。逆时针选取3个点，以确定加载位置和加载方向。考察点周围80×80范围内的单元网格会通过API的Modify函数*refineelementsbysize（ ）细化到目标尺寸。

自动网格细化函数代码如下：

proc refinemesh_func { nodelist systid dent_field } {

set node1 [lindex $nodelist 0]

set node2 [lindex $nodelist 1]

set node3 [lindex $nodelist 2]

hm_getcrossreferencedentities nodes $node1 7 1 0 0

set elems [hm_getmark elems 1]

if { ！[llength $elems] } { return ""}

hm_getcrossreferencedentitiesmark elems 1 7 2 0 0

set comps [hm_getmark comps 2]

set comps_2 $comps

if { ！[llength $comps_2] } { return ""}

set elemlist [ selectrefinearea $systid $comps_2 $dent_field ]

if { ！[llength $elemlist] } { return ""}

*elementtype 104 7

*refineelementsbysize 1 $dent：：elem_size

set elemlist [ selectrefinearea $systid $comps_2 $dent_field ]

*elementtype 104 1

return $comps_2}

1.4.3 自动创建压头

按钮Dent resistance的主要功能是自動创建压头、自动建立接触对和自动定义工况。利用API的Modify函数*surfacespherefromthreepoints（ ）自动创建半球形几何压头，球心位于考察点法线方向、半径为12.5 mm，见图5。通过函数*automesh（ ）对创建的几何压头自动划分网格，见图6。利用API的Modify函数*collectorcreate（ ）为压头自动创建材料和属性。利用API的Modify函数*createmark（ ）和*interfacecreate（ ）自动创建压头与考察点细化网格的接触对。

1.4.4 自动创建工况

通过API的Modify函数*collectorcreate（ ）和*loadcreateonentity_curve（ ）自动创建边界约束和施加载荷力。抗凹分析的载荷从1 N逐渐增加到100 N，载荷曲线通过*xyplotmodifycurve（ ）自动生成，见图7。

通过API的Modify函数*loadstepscreate（ ）自动创建抗凹加载工况和卸载工况，见图8。

2 抗凹分析自动化流程应用

以某非承载式越野车发动机盖的抗凹分析为例（含2个加载点），约束发动机盖铰链和锁钩处的6个自由度，以半径为12.5 mm的刚性半球为压头模拟人类手指按压发动机盖外板的工况，当压力达到100 N时，要求加载点最大变形小于3.500 mm[7]。

2.1 抗凹分析模拟

启动HyperMesh软件，抗凹分析自动化流程自动运行。单击Utility中的User按钮，即可进入主界面。单击Import按钮，导入网格质量良好的发动机盖有限元模型。单击Select nodes & Refine elems按钮，逆时针选择3个节点，网格细化尺寸设定为2 mm，结果见图9。单击Dent resistance按钮，完成抗凹分析压头创建，见图10。单击Export按钮导出计算模型。

2.2 抗凹分析结果

将导出的计算模型提交Abaqus软件求解计算，得到发动机盖考察点的位移云图，见图11。考察点1在100 N压力下的最大位移为3.125 mm;考察点2在100 N压力下的最大位移为2.685 mm。

抗凹分析自动化流程是在现有抗凹分析流程的基础上，将烦琐的重复机械操作通过编写的程序自动完成，分析结果较原抗凹分析流程没有变化。抗凹分析结果与实验结果对比见表1，仿真与实验的力位移曲线见图12。仿真结果与实验结果基本相符，实验值稍大于仿真值，验证该抗凹分析自动化流程的可行性。

使用本文开发的抗凹分析自动化流程，工程师能在10 s内完成考察点抗凹计算文件的创建，与原抗凹分析流程至少需要10 min相比，工作效率大大提高。

3 结束语

在借鉴现有抗凹分析流程并重点考虑自动完成重复工作的基础上，开发新抗凹分析自动化流程。该流程可减少抗凹分析中重复性的工作，不仅可以保证抗凹分析结果的准确性，而且可以大大提高工作效率。抗凹分析自动化流程操作界面简单，即使没有CAE分析经验的普通工作人员也可轻松掌握。该系统还能减少人为因素对分析结果的影响，保证分析结果的一致性和准确性。

参考文献：

[1]陆志成. 基于Abaqus的汽车天窗顶盖刚度分析[J]. 计算机辅助工程， 2013， 22（S2）： 135137. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2013.z2.034.

[2] 韦永平， 邓国红， 杨鄂川， 等. 某乘用车车门抗凹陷性能分析及优化[J]. 重庆理工大学学报（自然科学版）， 2014， 28（3）： 2832. DOI： 10.3969/j.issn.16748425（z）.2014.03.006.

[3]魏樹森. 汽车开闭件屈曲、抗凹分析研究[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2007， 30（S1）： 136138. DOI： 10.3969/j.issn.10035060.2007.z1.032.

[4] 刘洁敏， 朱红平， 陈浩， 等. 浅谈车身外覆盖件抗凹性的提升改善方法[J]. 汽车实用技术， 2019（18）： 202205. DOI： 10.16638/j.cnki.16717988.2019.18.069.

[5] 苏占龙， 王霄， 刘会霞， 等. 汽车覆盖件CAE抗凹分析流程自动化系统研究[J]. 机电工程， 2015， 32（2）： 196200. DOI： 10.3969/j.issn.10014551.2015.02.008.

[6] 郑国君， 门永新， 胡平， 等. 车身覆盖件抗凹仿真分析流程自动化设计[C]// 第六届中国CAE工程分析技术年会论文集. 哈尔滨： 中国机械工程学会机械工业自动化分会， 2010： 333339.

[7] 曹文钢， 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）： 1621. DOI： 10.3969/j.issn.10030158.2011.01.004.

[8] 肖介平， 张立玲， 郁向东， 等. 轿车发动机盖抗凹性分析[C]// Altair 2009 HyperWorks技术大会论文集. 上海： Altair， 2009.

（编辑 武晓英）