保險杠抗壓分析流程自動化系統(tǒng)開發(fā)

沈輝 彭鴻 唐輝 管迪

摘要： 為提升汽車保險杠抗壓分析效率、減少重復(fù)性勞動、實(shí)現(xiàn)仿真分析流程的自動化，利用Python和VBS語言開發(fā)一套前、后處理自動化程序。此程序可實(shí)現(xiàn)RBE3單元創(chuàng)建、局部坐標(biāo)系創(chuàng)建、載荷創(chuàng)建、頭文件創(chuàng)建、后處理、結(jié)果診斷和報告編制等過程的自動化。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，與傳統(tǒng)人工分析相比，該程序可使仿真分析效率大幅提高。通過自動化程序進(jìn)行仿真，不僅可以保證保險杠抗壓分析的精度，同時還可以實(shí)現(xiàn)分析的標(biāo)準(zhǔn)化、保證分析的一致性。

關(guān)鍵詞： 保險杠; 仿真; 前處理; 后處理; 自動化

中圖分類號： TP391.92;U463.326 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： To improve the efficiency of automobile bumper pressure resistance analysis， reduce repetitive labor， and realize the process automation of simulation analysis， an automation system for pre-processing and post-processing is developed by using Python and VBS language. The automation of RBE3 unit creating， local coordinate system creating， load creating， header file creating， post-processing， result diagnosing and report compiling can be realized. The practical application results show that the program can greatly improve the efficiency of simulation analysis comparing with the traditional manual analysis method. Using this automatic program， not only the accuracy of bumper compression analysis can be ensured， but also the analysis standardization can be realized to ensure the consistency of analysis.

Key words： bumper; simulation; pre-processing; post-processing; automation

0 引 言

BETA軟件主要包括前處理軟件ANSA和后處理軟件META，其中ANSA是公認(rèn)的最快捷的CAE前處理軟件之一，具有很多獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)特色，在汽車、航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。BETA是高度開放的CAE平臺，提供基于Python的二次開發(fā)接口，方便用戶根據(jù)自身需求開發(fā)定制化的自動化程序。[1-3]Python是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，語法簡潔、第三方庫非常豐富。[4]

汽車保險杠的作用是緩和和吸收外界沖擊力，是車身前部和后部的防護(hù)裝置。[5]汽車保險杠設(shè)計不僅要考慮緩沖吸能效果，還要考慮其自身下沉、抗壓和抗拉等剛度性能[6]，因此保險杠的力學(xué)特性研究一直是學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員關(guān)注的課題[7-10]，部分學(xué)者以汽車外飾件為研究對象，使用Altair軟件開發(fā)抗凹分析的自動化流程[11-12]。

本文基于BETA提供的二次開發(fā)接口，利用Python和VBS語言開發(fā)一套汽車保險杠抗壓分析的前、后處理流程自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從前處理創(chuàng)建載荷到后處理報告輸出的自動化，特別是后處理操作自動化程度極高，可大大提升分析效率，減輕工程師的工作量。

1 開發(fā)背景

傳統(tǒng)保險杠抗壓仿真分析流程見圖1。仿真工程師的工作主要集中在前、后處理部分，其中前處理的主要工作是創(chuàng)建載荷工況，后處理的工作包括提取計算結(jié)果數(shù)據(jù)和編制分析報告。

根據(jù)保險杠抗壓分析標(biāo)準(zhǔn)，保險杠抗壓試驗(yàn)要求在整車狀態(tài)下使用直徑為40 mm的剛性圓柱壓頭，沿壓頭與保險杠蒙皮接觸面法線的方向施加規(guī)定大小的載荷，見圖2。

保險杠抗壓分析主要考察保險杠的薄弱區(qū)域，如格柵、大燈、輪罩襯套、腹板、霧燈外殼等周邊區(qū)域。保險杠結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，腹面遍布復(fù)雜的加強(qiáng)筋[13]，使CAE工程師確定加載范圍和加載節(jié)點(diǎn)的難度增大。保險杠抗壓分析規(guī)范中規(guī)定不同加載區(qū)域的考察標(biāo)準(zhǔn)不同，施加的載荷和結(jié)果的評價標(biāo)準(zhǔn)都不同，這也給工程師的載荷創(chuàng)建和結(jié)果診斷工作增加難度。除此之外，由于部分區(qū)域面積較大，考察點(diǎn)的數(shù)量往往達(dá)到數(shù)十個，大大增加分析工作量。保險杠抗壓分析前、后處理的工作量見表1。由此可知，單輪分析需耗費(fèi)工程師約2 d時間。

保險杠抗壓分析要對不同加載點(diǎn)進(jìn)行相同的重復(fù)性操作，為減少重復(fù)勞動、提升分析效率，有必要開發(fā)一款保險杠抗壓分析的前、后處理工具。

2 前處理自動化開發(fā)

2.1 程序開發(fā)思路

前處理程序架構(gòu)見圖3。為解決不同區(qū)域的載荷大小不同的問題，實(shí)現(xiàn)加載全部自動化，開發(fā)前期創(chuàng)建載荷數(shù)據(jù)庫，匯總載荷大小和方向等信息。前處理程序的開發(fā)思路是在ANSA中運(yùn)行Python程序，從載荷數(shù)據(jù)庫中讀取載荷信息，在加載點(diǎn)依次創(chuàng)建加載單元、法向坐標(biāo)系、載荷工況和頭文件等，具體開發(fā)流程見圖4。

若選取的原點(diǎn)是自由節(jié)點(diǎn)，則先通過內(nèi)置函數(shù)NearestNode獲取距原點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，然后以此節(jié)點(diǎn)為參照點(diǎn)，利用上述方法獲取法向矢量并創(chuàng)建法向坐標(biāo)系。

2.2.4 計算節(jié)點(diǎn)在原點(diǎn)法向的投影

當(dāng)在曲率較大的曲面（非平面）上加載時，為真實(shí)模擬壓頭與保險杠的接觸面，創(chuàng)建RBE3單元前需排除偏離原點(diǎn)法向距離較大的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@類節(jié)點(diǎn)實(shí)際不與壓頭直接接觸。節(jié)點(diǎn)在原點(diǎn)法向投影計算原理見圖6。對單元集elemset2的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)判斷，首先獲取節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)，計算其與原點(diǎn)的距離，然后計算其在原點(diǎn)法向的投影距離d。當(dāng)d大于臨界值（默認(rèn)為單元平均尺寸的1/5）時，節(jié)點(diǎn)i將被排除。

為方便后處理程序自動識別載荷相關(guān)信息，載荷工況采取固定格式命名：保險杠類型（前保/后保）_加載區(qū)域_加載點(diǎn)ID_局部坐標(biāo)系ID。

2.3 前處理實(shí)施效果

前處理的操作界面見圖7。操作界面簡潔友好，用戶只需選擇保險杠類型（前保/后保）和對應(yīng)加載區(qū)域，然后批量選擇加載點(diǎn)，即可自動完成載荷工況創(chuàng)建。以后保險杠的前處理為例，批量創(chuàng)建的載荷見圖8。應(yīng)用自動化工具進(jìn)行前處理操作，只需0.5 h即可完成載荷和頭文件的創(chuàng)建。

3 后處理自動化開發(fā)

3.1 程序開發(fā)思路

后處理程序開發(fā)的架構(gòu)見圖9。首先，在META中運(yùn)行Python程序，從數(shù)據(jù)庫中讀取結(jié)果目標(biāo)值等關(guān)鍵信息;然后，從計算結(jié)果中逐一提取加載點(diǎn)的數(shù)值結(jié)果并進(jìn)行診斷;最后，將數(shù)值結(jié)果和圖片輸出到本地文件夾。調(diào)用VBS程序讀取數(shù)值結(jié)果和圖片，自動寫入分析報告，并將結(jié)果錄入性能數(shù)據(jù)庫，形成性能知識庫。后處理程序開發(fā)流程見圖10。

3.2 后處理實(shí)施效果

自動后處理界面見圖11。界面操作簡單，用戶設(shè)置計算文件，點(diǎn)擊按鈕即可一鍵完成后處理并自動編制報告。以后保險杠為例，后處理效果見圖12。程序不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果提取、圖片輸出和分析報告生成等操作，還可以自動進(jìn)行結(jié)果診斷，并用紅、黃、藍(lán)三色標(biāo)識結(jié)果狀態(tài)。此外，程序還可以在模型中直接標(biāo)識數(shù)值結(jié)果和結(jié)果狀態(tài)，使工程師對計算結(jié)果狀態(tài)一目了然，快速識別風(fēng)險區(qū)域。運(yùn)用自動化工具進(jìn)行后保險杠后處理，整個過程不到5 min即可完成。

4 結(jié)束語

基于BETA的二次開發(fā)接口，開發(fā)汽車保險杠抗壓分析前、后處理程序，實(shí)現(xiàn)流程自動化。此程序集成ANSA、META和Office軟件，可自動創(chuàng)建RBE3單元、局部坐標(biāo)系、載荷和工況，自動完成后處理和分析報告編制。

實(shí)際案例測試結(jié)果表明，使用自動化工具可以實(shí)現(xiàn)40 min內(nèi)完成后保險杠的前、后處理工作的目標(biāo)，與傳統(tǒng)人工操作相比，效率提高90%以上，從而將工程師從繁瑣的操作中解放出來，使其能夠?qū)⒏嗟木ν度氲絻?yōu)化工作中。后處理程序不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果的自動診斷，還可以自動將數(shù)值結(jié)果寫入性能數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的知識積累。運(yùn)用該程序進(jìn)行分析，不僅能保證分析精度，同時還可以將保險杠抗壓分析流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，保證分析的一致性。

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（編輯 武曉英）