1 前言
在汽车设计过程中,发动机罩刚度是一项重要的发动机罩性能,如发动机罩扭转刚度不足容易产生装配或疲劳等问题,发动机罩弯曲刚度不足易产生抖动及异响等。在设计前期必须及时CAE分析和优化,使发动机罩刚度满足设定的目标值,并需要在后期进行发动机罩样件刚度试验验证及对标分析。
随着汽车行业的迅猛发展,中国汽车的行业竞争日益白热化,提升新车研发效率,缩短新车开发周期,对于提升汽车企业的竞争力具有至关重要的作用。由于发动机罩刚度分析工况等设置比较复杂,传统的手动分析方法不仅费时,而且费力,已经不能满足现有的产品开发和效率提升需求。为了提高发动机罩刚度分析的效率,减少人为过程的错误及减少分析时间,本文以发动机罩刚度分析为例,根据发动机罩刚度分析流程及规范,制订了发动机罩刚度分析流程自动化策略,并实现了发动机罩刚度分析的流程自动化二次开发,大大提高了发动机罩刚度分析的效率和分析精度,提高了分析的一致性,并将CAE分析工程师从繁重的前处理工作中解放出来,有更多的时间和精力去优化发动机罩结构,设计出满足发动机罩性能的更轻的发动机罩。此外流程自动化降低了CAE分析人员的门槛,流程自动化不仅可以节约时间成本,还能降低人力资源成本,从而为公司节约更多的成本。
2 HyperMesh二次开发简介
HyperMesh提供了开放的二次开发语言环境,提供了丰富的API内置函数,方便用户进行用户进行二次开发定制及流程自动化定制。开发语言采用通俗易懂的Tcl语言,Tcl的全称是Tool Command Language。是一种工具命令语言,也是一种脚本语言,它提供的变成能力能够满足大多数应用程序的需求,Tcl和Tk一起为应用程序开发者和使用者提供了很多便利,其一就是快速开发,相比于C++等语言,应用程序所需的开发时间和代码数量要少很多,Tcl是一种解释性的语言,易于开发,并且是开源的和免费的,并且是可扩展的,可以扩展其本身没有的命令,因此广泛的被程序员和公司所接受,广泛的应用于各个领域。
HyperMesh界面开发采用Tk(toolkit)图形工具,Tk提供了大量的简单而又丰富的界面图形编程功能,让用户可以轻松的创建简单的图形界面,如框架、输入框、列表框、本文框、单选按钮、多选按钮、按钮、组合框、进度条等。通过Tcl和Tk,CAE分析流程可以进行固化,CAE分析可以像工厂流水线一样进行操作,另外HyperMesh提供了自带的Tk,使得图形界面更加丰富,更加漂亮。OptiStruct不仅是一款优秀的线性分析求解器,而且是一款优秀的优化软件,支持结构拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、形状优化、自由尺寸优化及复合材料优化等。
3 发动机罩刚度分析
3.1 发动机罩结构描述
发动机罩属于重要的车身覆盖件,是白车身的重要组成部分。发动机罩结构主要由内板、外板、锁扣、锁扣加强板、活动铰链、活动铰链加强板、固定铰链等几部分组成,其中外板为空间曲面板,其表面形状应主要取决于整车造型,体现整车的外形特征,一般是从整车造型的角度来设计得到;内板为筋条网格状布置的薄钢板,用来增加发动机罩结构的整体刚度。
发动机罩刚度是发动机罩不可或缺的重要性能指标之一,而发动机罩作为车身结构的重要部件,其性能直接影响着车身结构性能的好坏,甚至于影响整车开发过程中的成本高低以及整车品质的优劣。
3.2 发动机罩有限元模型的建立
图1为某款车型的发动机罩有限元分析模型。发动机罩主要由内外板及加强件等冲压钣金件组成,对于这些钣金件一般采用壳单元进行结构离散,以四边形单元为主,少量三角形单元为辅的;对于铰链,采用实体单元或者壳单元进行结构离散。对于网格质量严格按照质量标准进行控制,网格质量采用单元长宽比、单元最大最小尺寸控制,单元翘曲、单元雅可比、单元最大最小内角度、三角形比例等参数进行控制。并对一些重要的安装孔位置进行washer网格控制,内板和外板之间采用包边和粘胶进行连接,加强板和内板之间采用焊点进行连接,最终组成一个整体,如图一所示发动机罩模型中有70621个节点,65114个单元。
图1 发动机罩有限元分析模型
4 发动机罩刚度分析自动模块化实现
CAE流程自动化是汽车CAE发展成熟的必然趋势,把CAE人员从重复的操作劳动中解放出来,使得有更多精力在产品结构性能改进和优化上面,本文以发动机罩刚度分析为例进行流程自动化为例进行说明。
根据发动机罩的结构特点及其刚度分析的专有特性,特别指定了发动机罩刚度分析的自动化模块流程,如图2所示。并根据发动机罩的流程方案,实现了嵌入式分析流程界面定制,如图3所示。把发动机罩刚度分析流程自动化过程放置在一个界面当中,并增加一键式地将有限元模型前处理完成并自动提交计算。自动化分析流程将发动机罩刚度分析的所有操作整合到一起,CAE分析人员只需要按照从上到下的顺序进行按钮式操作就可以实现发动机罩分析的整个过程,并增加一键式操作,方便熟悉发动机罩刚度分析自动化流程的CAE人员减少操作。真正的提升发动机罩刚度分析的效率。
发动机罩刚度分析包含扭转刚度分析、侧向刚度分析、前端弯曲刚度分析、后端弯曲刚度分析等分析项目,本文基于HyperMesh软件平台,采用尽量减少界面交互的原则,进行发动机罩的流程自动化方案制定,实现了分析界面创建,输入参数定义,自动识别固定铰链和活动铰链,自动识别发动机罩的内外板,实现了模型固定铰链与活动铰链之间的连接,活动铰链与发动机罩内板之间的连接,自动连接模型位置调整,以及四种工况创建以及求解参数设置等,其中工况创建又包含约束及加载,局部坐标系创建,测量点定义等,最后提交给OptiStruct求解器求解,并为后处理提取刚度结果提供接口。
图2 发动机罩刚度自动化模块流程示意图
图3 发动机罩刚度分析嵌入式分析界面
5 结论及展望
本文基于HyperMesh开放的平台,实现了发动机罩刚度分析流程自动化,求解器采用OptiStruct软件。
发动机罩刚度分析流程自动化程序经过CAE分析工程师的反复不断的试用,对于CAE分析工程师在使用过程发现的问题和提出的意见建议进行不断的修改和改进,经过了反复多次的修改,最终交付给CAE分析工程师使用,发动机罩刚度分析流程自动化程序的实现大大缩短了发动机罩刚度分析前处理所需人工时间,发动机罩刚度分析前处理效率提升近70%。对公司来说大大节约了时间,人力成本,提高了工作效率,减少了工作中人为的遗漏和错误。
发动机罩刚度分析效率提升的另一大头就是后处理,因此下一步工作是进行发动机罩相应的后处理开发,以最大限度的提升发动机罩刚度分析的效率,为汽车开发设计效率提升做贡献。