基于HyperMesh二次開發(fā)的無鉚釘鉚接有限元快速建模

陸善彬， 呂 婕， 陳 偉， 馮兆玄， 戚桂悅， 葉 輝

(1. 吉林大學汽車工程學院，吉林 長春 130025；2. 南京工程學院汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167)

基于HyperMesh二次開發(fā)的無鉚釘鉚接有限元快速建模

陸善彬1， 呂 婕1， 陳 偉2， 馮兆玄1， 戚桂悅1， 葉 輝1

(1. 吉林大學汽車工程學院，吉林 長春 130025；
2. 南京工程學院汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167)

目前采用約束單元 SPR2建立無鉚釘鉚接的簡化有限元模型，建模簡單，仿真精度較高，但HyperMesh 12.0版本不支持SPR2建模，導致了整車建模效率較低，因此本文應用Tcl/Tk 語言和 HyperWorks內置函數(shù)開發(fā)了整車鉚接SPR2的有限元快速建模模塊。并以某轎車鉚接建模為例，驗證了該模塊的可操作性。該模塊可根據(jù)用戶選擇的鉚接點自動識別連接板件，極大地提高了建模效率，同時可有效地避免軟件的升級更新，節(jié)約費用，并為其他新型連接的有限元快速建模提供了一種參考方法。

無鉚釘鉚接；二次開發(fā)；快速建模；Tcl/Tk

無鉚釘自沖鉚接[1-2]以其異種金屬連接的優(yōu)勢而被廣泛應用在車身結構的連接中。無鉚釘鉚接是一種機械連接技術，不需要額外的材料連接，是通過凸模將上板料壓入下板料形成鎖扣進行連接。雙層板鉚接斷面如圖1。在整車碰撞模擬中，為了減少仿真計算時間，需要建立無鉚釘鉚接的簡化有限元模型。無論在動態(tài)試驗還是靜態(tài)試驗中，在十字拉伸工況下，SPR2模型能夠較準確預測出失效點，同時在搭接剪切工況下，SPR2模型能模擬出韌性失效模式。因此，SPR2模型作為鉚接的簡化模型較為理想[3]。

圖1 雙層板鉚接的斷面

HyperMesh是一款應用廣泛，功能強大的有限元前處理軟件。目前我國大多數(shù)企業(yè)對于HyperMesh還只限于使用階段，而對HyperMesh二次開發(fā)的研究并不是很多[4]。曹文鋼和范超[5]運用Tcl/Tk語言和HyperWorks內置函數(shù)開發(fā)了CAE流程自動化系統(tǒng)，為產品設計、分析提供一種快捷方法。孫靜等[6]研究了 HyperWorks 流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)過程與關鍵技術，利用系統(tǒng)對鋁合金車體進行靜態(tài)強度分析。許宇能等[7]利用HyperMesh二次開發(fā)功能開發(fā)了行人保護模擬自動化前處理系統(tǒng)，實現(xiàn)自動劃分參考線、確定硬點和定位模型功能。目前HyperMesh 12.0版本可以建立點焊、膠粘、螺栓等多種連接方式的有限元模型，但不支持無鉚釘鉚接SPR2的建模，只能在所有建模工作結束后，通過文本編輯完成，導致SPR2建模繁瑣，尤其在整車建模環(huán)境下，建模效率極低。

針對SPR2建模繁瑣，整車鉚接效率低等問題，本文應用 HyperMesh二次開發(fā)功能開發(fā)整車無鉚釘鉚接SPR2有限元快速建模模塊，從而大大提高了建模的效率，避免頻繁的軟件升級更新，節(jié)省費用，并為其他新型連接方式的有限元快速建模提供參考。

1 基于Tcl/Tk的HyperMesh二次開發(fā)技術

HyperMesh 提供了Tcl接口，擴展軟件功能，以實現(xiàn)用戶的需求。Tcl(工具命令語言)是一種腳本語言，其語法固定，易于閱讀、平臺獨立且不需要編譯,可以作為一個獨立的應用程序或嵌入式應用程序。而Tk是Tcl的圖形界面工具包，用于定義Tcl命令、創(chuàng)建和操縱用戶界面部件[8]。

HyperMesh提供了兩種常見的功能函數(shù)，一種為“*”命令函數(shù)，如*createvector用于向量的創(chuàng)建。另一種為“hm”命令函數(shù)，如hm_getdistance可以測得兩節(jié)點間距離。

2 整車鉚接快速有限元建模模塊的實現(xiàn)

整車鉚接快速有限元建模模塊包括3個部分：文件導入、SPR2參數(shù)和局部調整區(qū)域參數(shù)，模塊界面如圖2。

圖2 模塊的界面

2.2 模塊關鍵技術

2.2.1 自動識別連接板件

在進行整車鉚接有限元建模時，用戶先在鉚接點位置建立節(jié)點。完成所有節(jié)點創(chuàng)建后，用戶定義上層板件，選擇對應的鉚接節(jié)點，模塊自動識別下層板件comp的ID號。

利用命令hm_getclosetnode在除上板以外comp的單元中找到離鉚接節(jié)點最近的節(jié)點，該節(jié)點所在的comp即為下板。

2.2.2 局部調整區(qū)域的確定

為了讓模擬結果更精準，需要調整鉚接點附近的殼單元屬性，一般鉚接成型后板材附近母材會發(fā)生硬化，屈服強度會增加，同時板材會減薄[3]。上層板料減薄和硬化較為明顯，因此將鉚接點上板周圍殼單元的屈服應力增大，殼單元厚度減小，作為局部調整區(qū)域。

紅色文化作為一種資源，既包括物質資源，也包括精神資源。紅色文化的物態(tài)類是指中國共產黨在革命斗爭與建設過程中所形成的革命精神、革命傳統(tǒng)、革命思想等文化的物質載體與物態(tài)表現(xiàn)，其表現(xiàn)形式多樣，有在革命戰(zhàn)爭年代為革命事業(yè)浴血奮戰(zhàn)、做出了偉大貢獻，甚至犧牲生命的革命前輩與革命先烈，作為歷史人物，他們的革命事跡也已融入紅色文化；有革命前輩與革命先烈在革命與戰(zhàn)爭年代使用過的物品以及居住、工作過的舊址，這些物品與舊址因其主人也成為紅色文化的重要組成部分；此外，革命與建設年代發(fā)生的重大事件與重要活動等也屬于紅色的范疇。

根據(jù)用戶選擇鉚接節(jié)點模塊可以自動建立局部調整區(qū)域，流程如圖3。區(qū)域近似為正方形，區(qū)域大小和壓邊圈尺寸有關，由用戶定義。模塊將具有相同屬性和材料的局部調整區(qū)域單元放一個comp中，并新建與其對應的屬性和材料，便于用戶編輯。

模塊先計算附近單元的尺寸，根據(jù)用戶定義的局部調整區(qū)域大小計算出區(qū)域邊長的單元個數(shù)。

當區(qū)域邊長的單元數(shù)為偶數(shù)時，利用離鉚接點最近的節(jié)點找到與其相連的單元，命名為偶數(shù)中心單元。

圖3 建立局部調整區(qū)域流程圖

若單元數(shù)為2，則中心單元為加強區(qū)單元，若單元數(shù)為4，則再尋找與中心單元相連的單元，中心單元以及與其相連的單元則為局部調整區(qū)域單元。若單元數(shù)為6,8,10,···,以此類推。

當區(qū)域邊長單元數(shù)為奇數(shù)時，模塊要求局部調整區(qū)域個數(shù)不能為 1。若個數(shù)為 1，鉚接點位置可能在局部調整區(qū)域的邊界，局部調整區(qū)域的作用不明顯，模塊會彈窗警告。若單元個數(shù)是3，在上板內找到與鉚接節(jié)點距離最小的單元即為奇數(shù)中心單元，奇數(shù)中心單元以及與其相連的單元則為局部調整區(qū)域單元。若單元個數(shù)5，則個數(shù)為3的局部調整區(qū)域及其相連的單元則為局部調整區(qū)域單元。若單元數(shù)為7,9,11,···,以此類推。

在搜索奇數(shù)中心單元時，對鉚接點向上板翻邊平面進行映射獲得映射節(jié)點，映射節(jié)點所在單元為奇數(shù)中心單元。流程如圖4所示。

圖4 尋找奇數(shù)單元流程圖

判斷映射點是否在單元內，如圖5，創(chuàng)建映射點與單元各節(jié)點N1, N2, N3, N4之間向量Vy1, Vy2, Vy3, Vy4，創(chuàng)建節(jié)點N2和N1的向量V21，N2和N3的 向 量 V23， 計 算 V1=Vy1×Vy2, V2=Vy2×Vy3, V3=Vy3×Vy4, V4=Vy4×Vy1, VNt=V21×V23。若映射點在單元內及邊界上，則 V1×VNt≥0，V2×VNt≥0，V3×VNt≥0，V4×VNt≥0，否則映射點在單元外。

圖5 判斷映射點在單元內

2.2.3 SPR2鉚接模型建立

利用關鍵字*CONSTRAINT-SPR2建立鉚接模型，卡片信息如圖6所示。

圖6 CONSTRAINT-SPR2卡片信息

MID和SID：分別為鉚釘連接的主從板comp的 ID號，用戶選擇主板，從板由模塊自動搜索獲得。

NSID：鉚接節(jié)點集的ID號。用戶可以一次性選擇多個鉚接節(jié)點來建立SPR2模型，對于連接相同板件的鉚接節(jié)點建立一個節(jié)點set集，以節(jié)點集中第一個節(jié)點ID號命名。

THICK：主從板件厚度之和。根據(jù)主從板comp的ID號，利用命令hm_getentityvalue，可以分別獲得主從板的厚度，并計算兩板件厚度之和。

其余參數(shù)由試驗獲得，用戶可以在模塊界面定義，如圖7(a)，雙擊任一參數(shù)，出現(xiàn)彈窗7(b)，用戶填入?yún)?shù)。點擊OK，完成參數(shù)輸入,如圖7(c)，點擊按鈕clear可以清除數(shù)據(jù)。

確定SPR2的所有參數(shù)后，模塊自動導出文件，覆蓋原文件，此時的.K文件(LS_Dyna的輸入文件)已經包含局部調整區(qū)域信息?？紤]到 HyperMesh 12.0版本沒有提供直接建立SPR2的模塊，模塊通過讀寫.K文件的方式創(chuàng)建SPR2鉚接模型。模塊利用Open命令打開文件，對文件進行逐行讀取，當讀取到“*end”時，文件的訪問位置為結尾處，將訪問位置設為最后一行首字符處，然后按照圖6卡片中格式將SPR2信息寫入.K文件，完成SPR2模型建立。

圖7 SPR2參數(shù)輸入界面

3 應用實例

利用某轎車的有限元模型進行整車無鉚釘鉚接有限元模型的建立，具體步驟如下：

(1) 在HyperMesh中調用.tcl文件，打開模塊界面，選擇模型所在目錄，導入模型。

(2) 在所有需要鉚接的部件之間建立鉚接節(jié)點，保證鉚接節(jié)點在兩層板的中心位置，整車及局部的鉚接節(jié)點如圖 8所示。選擇鉚接節(jié)點和上板comp的ID號，并在界面上填寫SPR2及局部調整區(qū)域的參數(shù)，具體參數(shù)如圖9所示。

圖8 整車及局部鉚接點圖

圖9 無鉚釘鉚接建模參數(shù)

(3) 點擊按鈕Connect，完成整車鉚接的SPR2模型建立，共創(chuàng)建730個鉚接點，整車及局部的鉚接建模如圖10，圖中黑色單元為局部調整區(qū)域。

圖10 整車及局部鉚接建模圖

需要說明的是，本文所選的鉚接點位置只是為了驗證本模塊而所建，實際生產時，鉚接點位置應以實際需要為準。

4 結 論

本文系統(tǒng)地介紹了整車鉚接快速有限元建模的開發(fā)流程及關鍵技術，用戶選擇鉚接點，輸入SPR2和局部調整區(qū)域參數(shù)，模塊自動建立整車鉚接有限元模型，解決了HyperMesh無法實現(xiàn)SPR2建模的問題，提高了SPR2建模的效率。利用模塊實現(xiàn)某轎車的無鉚釘鉚接的SPR2建模，驗證了模塊的有效性。

[1] Mucha J. The analysis of lock forming mechanism in the clinching joint [J]. Materials & Design, 2011, 32(10): 4943-4954.

[2] Jayasekara V, Min K H, Noh J H, Kim M T, Seo J M, Lee H Y, Hwang B B. Rigid-plastic and elastic-plastic finite element analysis on the clinching joint process of thin metal sheets [J]. Metals and Materials International, 2010, 16(2): 339-347.

[3] 周璐瑤, 呂 婕, 陸善彬, 葉 輝. 無鉚釘自沖鉚接有限元簡化模型建模方法研究[J]. 鍛壓技術, 2014, 39(5): 126-131.

[4] 朱金光, 冷 峻, 劉安寧, 張 鵬. CAE分析在企業(yè)技術創(chuàng)新中的初步探索與實踐[J]. 農業(yè)裝備與車輛工程, 2008(10): 35-37.

[5] 曹文剛, 范 超. 基于HyperWorks的CAE流程自動化系統(tǒng)設計開發(fā)[J]. 工程圖學學報, 2011, 32(1): 16-21.

[6] 孫 靜, 黃雪飛, 李慧萍, 米小珍, 王 楓. 基于HyperWorks的流程自動化系統(tǒng)開發(fā)與應用[J]. 鐵路計算機應用, 2012, 21(12): 30-33.

[7] 許宇能, 陸善彬, 葉 輝. 基于HyperMesh二次開發(fā)的汽車行人保護數(shù)值仿真自動化前處理系統(tǒng)[C]//Altair 2012 HyperWorks技術大會論文集, 上海, 2012: 1-9.

[8] Ousterhout J K, Jones K. Tcl/Tk入門經典[M]. 2版. 張元章, 譯. 北京: 清華大學出版社, 2010: 211.

Finite Element Fast Modeling of Clinching Joints Based on HyperMesh Secondary Development

Lu Shanbin1, Lv Jie1, Chen Wei2, Feng Zhaoxuan1, Qi Guiyue1, Ye Hui1
(1. Automotive Engineering College, Jilin University, Changchun Jilin 130025, China; 2. School of Automative&Rail Transit, Nanjing Institute of Technology, Nanjing Jiangsu 211167, China)

At present, the constraint element SPR2 is applied to establish a simplified finite element model of clinching joints for its simple way for modeling and accurate simulation. However, HyperMesh 12.0 version can not support SPR2 modeling, which leads to the low efficiency of vehicle modeling. Therefore the Tcl/Tk and the built-in function of HyperWorks are used to develop finite element fast modeling for the vehicle clinching joint of SPR2. A certain car riveting modeling is taken as an example to verify the availability of the module. The module can automatically identify the connected plates according to the nodes selected, which greatly improves the modeling efficiency, avoids the software updates and saves the cost, and it provides a reference method for other new joints fast modeling.

clinching joint; secondary development; fast modeling; Tcl/Tk

TP 311.52

A

2095-302X(2014)05-0804-05

2014-05-05；定稿日期：2014-06-13

國家自然科學基金資助項目(51105166)

陸善彬(1978–)，男，江蘇海門人，副教授，工學博士。主要研究方向為汽車碰撞安全性。E-mail：lusb@jlu.edu.cn