HyperMesh二次開(kāi)發(fā)在抗凹分析中的應(yīng)用

1 概述

    抗凹陷性能（簡(jiǎn)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(jiàn)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(duì)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(jì)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(jì)剛度不足。

圖1 外覆蓋件抗凹陷性能

    靜態(tài)載荷作用過(guò)程中，覆蓋件表面將表現(xiàn)三個(gè)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(guò)渡時(shí)，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(guò)程中多個(gè)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(jì)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(dòng)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(shí)，不發(fā)生過(guò)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(wú)明顯的壓痕。

    抗凹性是用戶選購(gòu)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(guò)抗凹分析發(fā)現(xiàn)汽車外板薄弱點(diǎn)，校驗(yàn)其抗凹性能，給出優(yōu)化建議和方案。

    本文利用TCL語(yǔ)言基于HyperMesh進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)抗凹分析自動(dòng)化工具，使抗凹分析流程自動(dòng)化、準(zhǔn)確化。

2 傳統(tǒng)抗凹性分析方法

    抗凹分析的工作過(guò)程分為預(yù)分析和抗凹性分析兩步，首先通過(guò)預(yù)分析篩選外表面的薄弱點(diǎn)作為考察點(diǎn)，然后進(jìn)行抗凹分析，建立壓頭模型與接觸關(guān)系，對(duì)考察點(diǎn)逐個(gè)校核。

    傳統(tǒng)抗凹分析方法一般采用均布?jí)簭?qiáng)或重力場(chǎng)法篩選考察點(diǎn)，通常不能準(zhǔn)確找到最薄弱的點(diǎn)，如圖3所示。需對(duì)主面、從面、接觸對(duì)、載荷步進(jìn)行幾十步操作，設(shè)置接近二十多個(gè)參數(shù)，操作難以規(guī)范化，易出錯(cuò)，如圖4所示。參數(shù)值的設(shè)置尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，通常需對(duì)參數(shù)反復(fù)調(diào)整才能收斂，不同的參數(shù)值對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響。需要2~3次試算，花費(fèi)工時(shí)較長(zhǎng)，每項(xiàng)分析需要4h~20h（不含求解計(jì)算時(shí)間）。存在考察點(diǎn)選取困難、操作復(fù)雜、正確性較低、費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

   

 圖3 側(cè)圍考察點(diǎn)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(kāi)發(fā)工作目標(biāo)

    開(kāi)發(fā)和應(yīng)用外覆蓋件抗凹性自動(dòng)化分析工具，實(shí)現(xiàn)以下功能：1、提供選擇考察點(diǎn)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(diǎn)。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(duì)于大多數(shù)情況均能保證計(jì)算收斂性和精度。3、自動(dòng)完成各種操作和設(shè)置，能夠根據(jù)簡(jiǎn)單的用戶指令，在HyperMesh環(huán)境中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)分析（用于薄弱點(diǎn)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(jì)算的文件。

4 HyperMesh二次開(kāi)發(fā)實(shí)施方案

    對(duì)HyperMesh軟件二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)分析自動(dòng)化，利用宏命令開(kāi)發(fā)用戶界面，利用TCL腳本語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)功能。

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

    根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)固化抗凹性分析參數(shù)設(shè)置，總結(jié)多個(gè)項(xiàng)目的抗凹性分析設(shè)置，反復(fù)調(diào)整各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，測(cè)試其對(duì)收斂性和計(jì)算結(jié)果的影響。

    在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用、調(diào)試和驗(yàn)證，在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用自動(dòng)化工具，并與傳統(tǒng)分析方法詳細(xì)對(duì)比。根據(jù)使用者的反饋，修正bug，改進(jìn)功能。

 5 HyperMesh二次開(kāi)發(fā)實(shí)施過(guò)程

    二次開(kāi)發(fā)實(shí)施過(guò)程分為方案制定、目標(biāo)確定、開(kāi)發(fā)調(diào)試、應(yīng)用驗(yàn)證四個(gè)階段。

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

    目標(biāo)確定需對(duì)各實(shí)際項(xiàng)目總結(jié)提煉，測(cè)試各種參數(shù)的影響，比對(duì)各種考察點(diǎn)選擇方案與各種壓頭模型和加載方案。

    開(kāi)發(fā)調(diào)試需固化各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，完成界面和主程序的開(kāi)發(fā)，與傳統(tǒng)方法詳細(xì)比對(duì)和修正BUG改進(jìn)功能。

    應(yīng)用驗(yàn)證用于實(shí)際項(xiàng)目使用，驗(yàn)證實(shí)際功能和效果并根據(jù)使用者反饋進(jìn)一步改進(jìn)。

圖5 二次開(kāi)發(fā)工作流程規(guī)劃

6 HyperMesh二次開(kāi)發(fā)抗凹分析自動(dòng)化工具

    基于HyperMesh開(kāi)發(fā)的抗凹分析自動(dòng)化工具如圖6所示。其中“Pre_Calc”按鈕用于查找薄弱點(diǎn)，為每個(gè)試算點(diǎn)建立一個(gè)loadstep，施加法向集中力進(jìn)行線性擾動(dòng)分析?！癙re_UNDO”按鈕自動(dòng)刪除Pre_Calc設(shè)置，僅剩余外邊界約束與考察點(diǎn)處局部坐標(biāo)系。“Head_12mm”按鈕在考察點(diǎn)處進(jìn)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(diǎn)處進(jìn)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(dòng)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(dòng)為剛性壓頭的參考點(diǎn)賦局部坐標(biāo)系，.dat文件中的U3數(shù)值即為參考點(diǎn)沿外板法方向的位移值，無(wú)需進(jìn)行坐標(biāo)變化，實(shí)施的各項(xiàng)分析參數(shù)設(shè)置是基于多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)，需進(jìn)行幾十步操作，設(shè)置接近二十個(gè)參數(shù)，易出錯(cuò)。參數(shù)設(shè)置難以統(tǒng)一，不同的參數(shù)對(duì)結(jié)果的精確性影響較大。通常需要2~3次試算，共需花費(fèi)工時(shí)4h~20h（不計(jì)計(jì)算機(jī)求解時(shí)間）。

    基于TCL編程的HyperMesh二次開(kāi)發(fā)抗凹分析自動(dòng)化工具能找到外板中的全部剛性較低的點(diǎn)，鼠標(biāo)僅需點(diǎn)擊數(shù)次即完成全部操作和設(shè)置，固化了根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(duì)比。3分鐘之內(nèi)（不計(jì)計(jì)算機(jī)求解時(shí)間）即可完成全部設(shè)置。

    HyperMesh二次開(kāi)發(fā)抗凹分析自動(dòng)化工具還具有簡(jiǎn)單易用、選點(diǎn)正確、規(guī)范操作、收斂性好、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)，推廣使用后每個(gè)項(xiàng)目可節(jié)省約500個(gè)工時(shí)。