基于C#的汽車耐久仿真開發(fā)及應(yīng)用

張富+謝冰清+黃星星

摘 要：本文首先簡要介紹了常用的汽車可靠耐久仿真分析流程，提出仿真分析過程中存在的主要問題，引出汽車耐久仿真自動化技術(shù)的必要性；在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了汽車可靠耐久仿真自動化系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容：開發(fā)思路、系統(tǒng)功能模塊、開發(fā)環(huán)境、開發(fā)流程、數(shù)據(jù)字典等，繼而展示該系統(tǒng)的成果頁面，最后以底盤零部件、白車身焊接總成等耐久性能仿真分析及與試驗對標(biāo)情況為例，描述了該系統(tǒng)的應(yīng)用情況，驗證了該技術(shù)的實用價值。

關(guān)鍵詞：可靠耐久仿真；自動化；方案

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

汽車產(chǎn)品的耐久性是影響其競爭力的重要因素之一，同時其開發(fā)周期與成本迫切需要，在產(chǎn)品概念設(shè)計階段對其耐久性能進(jìn)行控制，汽車設(shè)計廠商通過可靠耐久仿真手段來提高汽車產(chǎn)品耐久性能，耐久性能仿真分析是對動態(tài)應(yīng)力和零部件進(jìn)行早期疲勞壽命估計的一種系統(tǒng)方法。

目前常見的汽車構(gòu)件的疲勞仿真分析流程如圖1所示，由圖1中可見，可靠耐久仿真分析流程中工作工時主要集中在兩個部分：第一部分是通過CAD軟件將數(shù)模轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型，并進(jìn)行靜力學(xué)或動力學(xué)求解；第二部分是通過疲勞仿真軟件對汽車構(gòu)件進(jìn)行壽命估算。

汽車可靠耐久性能仿真分析，除有限元模型基礎(chǔ)網(wǎng)格劃分、提交有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力計算、壽命計算外，還有很多工作手工完成，操作復(fù)雜，工作量龐大，且容易出錯。此外，軟件之間未集成，在耐久仿真分析過程中，數(shù)據(jù)之間的流轉(zhuǎn)和傳遞途徑?jīng)]有固化。

1 解決方案

汽車可靠耐久仿真自動化系統(tǒng)建設(shè)，可以用來解決CAE仿真工程師面臨的煩惱，通過對耐久性能仿真分析對象的材料、屬性、局部坐標(biāo)系、載荷、載荷步等操作自動化，大大提高耐久性能仿真分析效率。自動化系統(tǒng)主要包括三大功能：有限元模型及疲勞分析模型前處理操作自動化、已完成的仿真分析任務(wù)提取相關(guān)信息生成數(shù)據(jù)庫表單、耐久性能仿真分析任務(wù)與其指導(dǎo)性文件（流程、方法、設(shè)計/試驗/仿真標(biāo)準(zhǔn)）。

此系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大幅壓縮人工仿真可控部分的時間，顯著縮短了可靠耐久仿真分析周期，解決汽車零部件及系統(tǒng)耐久性能仿真對有限元模型材料、屬性、加載、輸出等求解計算所需的大量重復(fù)性軟件操作，避免仿真分析工程師可能的操作不規(guī)范引起的誤操作所帶來的麻煩，把更多的時間用在結(jié)果優(yōu)化、指導(dǎo)設(shè)計改進(jìn)等更有意義的工作中。

1.1 整體方案概述

本文通過Hypermesh TCL、Microsoft visual studio c#開發(fā)軟件，Excel作為后臺數(shù)據(jù)庫，開發(fā)一套應(yīng)用自動化應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)各軟件間操作從手工到自動的轉(zhuǎn)變；通過建立耐久仿真數(shù)據(jù)庫模型，實現(xiàn)耐久仿真數(shù)據(jù)庫與仿真任務(wù)之間雙項的互為輸入，建立成熟仿真經(jīng)驗傳遞通道；通過多軟件集成，實現(xiàn)不同軟件間數(shù)據(jù)在同一平臺下的有效流轉(zhuǎn)；通過可靠耐久仿真分析任務(wù)與相應(yīng)的流程、方法、設(shè)計/試驗/仿真標(biāo)準(zhǔn)等集中管理平臺，加速掌耐久仿真分析技術(shù)。

本系統(tǒng)開發(fā)工具，如圖2所示。

1.2 具體步驟

1.2.1 實現(xiàn)手工到自動的轉(zhuǎn)變

本系統(tǒng)實現(xiàn)由手工操作到自動化轉(zhuǎn)變的模塊，見表1。

1.2.2 實現(xiàn)成熟耐久仿真經(jīng)驗傳遞

實現(xiàn)成熟耐久仿真經(jīng)驗傳遞，具體來說，就是將已經(jīng)完成求解計算的有限元文件中的材料、屬性、局部坐標(biāo)系、載荷、載荷步、輸出等相關(guān)信息，通過本系統(tǒng)自動提取出來，放入反向數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表單中，作為后續(xù)類似耐久仿真分析任務(wù)的數(shù)據(jù)輸入，以便快速生成能夠提交求解器求解計算的有限元前處理文件。本系統(tǒng)提供的耐久仿真分析任務(wù)與相應(yīng)的仿真分析流程、分析方法、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)/試驗標(biāo)準(zhǔn)/仿真標(biāo)準(zhǔn)，以及具體的臺架/路譜/臨時工況仿真分類任務(wù)結(jié)合起來，集中管理，以便任何一個員工在開始一個新的耐久仿真分析任務(wù)時，能夠快速找到該任務(wù)的分析流程、方法及標(biāo)準(zhǔn)文件，這對于順利完成一個耐久仿真分析任務(wù)，有著非常有價值的指導(dǎo)意義。本系統(tǒng)涵蓋了截至目前為止所有的耐久仿真分析任務(wù)的相關(guān)信息，表2為本系統(tǒng)所管理的耐久仿真分析任務(wù)與指導(dǎo)性文件表單示例。

2 開發(fā)簡述

2.1 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)核心開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2008 C#，是微軟公司推出的一種簡潔、類型安全的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，開發(fā)人員可以通過它編寫在.NET Framework上運(yùn)行的各種安全可靠的應(yīng)用程序。使用C#，可以創(chuàng)建傳統(tǒng)的Windows客戶端應(yīng)用程序、XML Web Services、分布式組件、客戶端—服務(wù)器應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序以及很多其他類型的程序。endprint

TCL（Tool Command Language）是一種解釋執(zhí)行的腳本語言（Scripting Language）。我們不光可以直接應(yīng)用TCL自身的固有命令，還可以定義自己的過程，提高語言應(yīng)用性。最重要的是，TCL語言與HyperWorks平臺是無縫連接的。

用Excel作為本系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫，主要考慮它的易用性。Excel使用起來非常簡單，自己用或發(fā)給別人，都能方便打開使用。

本系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫由正向數(shù)據(jù)庫和反向數(shù)據(jù)庫兩部分組成。正向數(shù)據(jù)庫提供耐久仿真分析前處理工作的手工到自動的轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)支撐，反向數(shù)據(jù)庫則將已完成的耐久性能仿真分析數(shù)據(jù)信息提取出來，生成數(shù)據(jù)庫表單，作為后續(xù)類似耐久仿真分析任務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便快速生成可提交求解計算的仿真求解文件，從而實現(xiàn)仿真分析方法的固化及仿真經(jīng)驗傳遞。

圖3為本系統(tǒng)開發(fā)界面，表3為本系統(tǒng)后臺正向數(shù)據(jù)庫表單。

2.2 開發(fā)流程

開發(fā)過程主要考慮Hypermesh、Femfat兩套軟件的自動化、成熟仿真經(jīng)驗的核心數(shù)據(jù)提取形成數(shù)據(jù)庫表單，以及耐久分析任務(wù)相關(guān)聯(lián)的流程、方法、設(shè)計/試驗標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用的集中統(tǒng)一管理工作。圖4為本系統(tǒng)開發(fā)流程圖。

2.3 數(shù)據(jù)字典

具體開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)字典部分，信息較多，略。圖5為本系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)字典的部分內(nèi)容。

3 成果展示

所形成的可靠耐久仿真分析自動化系統(tǒng)，主要包括主界面、Hypermesh基礎(chǔ)數(shù)據(jù)定義介面、數(shù)據(jù)生成界面、局部坐標(biāo)系定義界面、載荷及邊界處理界面、一鍵式完成界面、生成仿真數(shù)據(jù)庫表單等。

3.1 功能模塊界面（圖6～圖11）

3.2 耐久仿真分析方法及流程幫助文檔（圖12）

3.3 自動化系統(tǒng)應(yīng)用舉例

本文以某乘用車項目開發(fā)中扭力梁、橫向穩(wěn)定桿及白車身的自動化系統(tǒng)應(yīng)用情況舉例，并將仿真分析結(jié)果與試驗進(jìn)行對標(biāo)，驗證自動化系統(tǒng)的功能與精度，同時，將部件仿真分析項目周期由原來的20周縮短至4周完成，應(yīng)用情況如圖13所示。

結(jié)語

本文簡要介紹了常見的汽車可靠耐久仿真分析流程，提出仿真分析過程中存在的主要問題，引出汽車耐久仿真自動化技術(shù)的必要性；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了汽車可靠耐久仿真自動化系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容并展示該系統(tǒng)的成果頁面，繼而以自動化系統(tǒng)在某乘用車項目開發(fā)中的應(yīng)用情況驗證了該技術(shù)的實用價值。

與此同時，本系統(tǒng)需要進(jìn)一步的完善和加強(qiáng)應(yīng)用覆蓋面及部件仿真分析功能，包括試驗對標(biāo)及測試數(shù)據(jù)，提高自動化系統(tǒng)使用率和效率，此外，在系統(tǒng)幫助文檔的編寫方面還需要投入更多精力，使企業(yè)新員工通過了解本系統(tǒng)的功能能迅速掌握耐久仿真分析方法和分析流程，加速工程師技能成長。

參考文獻(xiàn)

[1]余志生.汽車?yán)碚摚ǖ谌妫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京：國防科技出版社，2003.

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

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