基于HyperWorks軟件的排氣系統(tǒng)強度分析流程自動化研究與應(yīng)用

蘇梅

針對某排氣系統(tǒng)28工況分析過程中加載及后處理操作占用時間長，重復(fù)性和繁瑣性工作多，在操作過程中容易產(chǎn)生人為輸入錯誤等問題，基于HyperWorks平臺，采用面向?qū)ο蟮墓ぞ呖刂普Z言（Tcl/Tk）進行二次開發(fā)，將傳統(tǒng)的計算機輔助工程（CAE）分析流程自動化，使簡單重復(fù)的工作通過電腦自動完成，可大大提高仿真速度，減少手動參與的操作，降低加載及后處理時出錯的概率，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，跟上產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐，使企業(yè)產(chǎn)品更具競爭力。關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);28工況分析;Tcl/Tk語言;二次開發(fā)

0 前言

在發(fā)動機行業(yè)中，排氣系統(tǒng)的計算機輔助工程（CAE）分析已經(jīng)形成了1套比較完整的流程，如自重分析、28工況分析[1]、系統(tǒng)模態(tài)分析、動態(tài)響應(yīng)力分析，以及掛鉤動剛度分析等。這些分析項流程比較固定，因此有利于進行二次開發(fā)。然而，在28工況分析中有28個工況，加載和后處理過程繁瑣且重復(fù)量大，非常耗時。因此，本文提出了針對某排氣系統(tǒng)的28工況分析方法，在任何負(fù)荷工況下，檢測整個排氣系統(tǒng)的應(yīng)力不能超出零件的承受范圍，且整個排氣系統(tǒng)不能與底盤周圍零部件有干涉，同時將28工況分析過程自動化，可以大大提高工作效率，避免重復(fù)性工作，減少人為錯誤，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，為企業(yè)節(jié)約開發(fā)成本。

目前，汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短，留給前期設(shè)計開發(fā)的時間更少，分析任務(wù)因此變得更加緊迫。很多企業(yè)都在利用HyperWorks軟件的二次開發(fā)功能來縮短開發(fā)流程?；舾Ｏ閇2]提出了發(fā)動機建模自動化流程，將發(fā)動機的建模時間縮短了78%;丁培林[3]提出了商用車駕駛室頂蓋踩踏分析流程的二次開發(fā)，將分析過程時間縮短了83%;鄭國君[4]提出了后處理流程化平臺的方法，也大大縮短了后處理的分析時間。本文對某排氣系統(tǒng)28工況分析的前處理加載過程及后處理輸出位移結(jié)果文件及應(yīng)力云圖的過程進行了二次開發(fā)，將加載過程與后處理過程所需時間從3 h降低到10 min，時間成本節(jié)省了94%。

工具命令語言（Tcl/Tk）是1種命令腳本語言，其中的工具集（Tk）是Tcl的1個擴展，用于開發(fā)圖形用戶界面[5]。它們同時也是解釋語言，其最大的優(yōu)點是快速開發(fā)，簡單易學(xué)，需要編寫的代碼也很少，新手很容易上手。Tcl/Tk均可支持HyperWorks軟件的前處理（Hypermesh）和后處理（Hyperview）。本文基于HyperWorks軟件平臺，采用Tcl/Tk，對某排氣系統(tǒng)28工況分析的前處理加載過程及后處理輸出位移結(jié)果文件及應(yīng)力云圖的過程進行二次開發(fā)，通過實例來說明二次開發(fā)在前處理的加載過程及后處理方面的優(yōu)勢。二次開發(fā)在前處理的網(wǎng)格劃分、螺栓剛性連接、零部件自動命名及材料屬性匹配等方面都有著巨大的優(yōu)勢[6]。

1 排氣系統(tǒng)建模

排氣系統(tǒng)一般由動力總成、波紋管、主消聲器、副消聲器、連接法蘭、管路、掛鉤及橡膠吊耳組成。其中，動力總成采用剛體模型建模，選取動力總成質(zhì)心及動力總成上任意3點，并通過梁單元（PBEAM）連接，并且質(zhì)心與排氣管的前端進氣法蘭螺栓孔通過剛性單元（RBE2）相連。排氣系統(tǒng)的薄壁結(jié)構(gòu)采用殼單元（SHELL）來模擬，連接法蘭采用六面體單元模擬，波紋管采用彈簧單元（CBUSH）進行模擬，并設(shè)置軸向平動剛度（Kx）、徑向平動剛度（Ky、Kz）、軸向扭轉(zhuǎn)剛度（Rx）與徑向扭轉(zhuǎn)剛度（Ry、Rz）共6個自由度方向的剛度。橡膠吊耳采用彈簧單元模擬，且設(shè)置Kx、Ky與Kz共3個平動自由度方向的剛度。此處的剛度應(yīng)考慮非線性。焊縫采用六面體單元（Hex）或五面體單元（Penta）連接。排氣系統(tǒng)模型如圖1所示。波紋管及橡膠吊耳的剛度參數(shù)如表1所示。

2 某排氣系統(tǒng)28工況分析流程

2.1 邊界條件

在圖1中，分析人員對排氣系統(tǒng)進行車身側(cè)掛鉤1～5共6個方向的自由度約束。動力總成上的輸入載荷可以通過以下2種方式得到：（1）借用類似量產(chǎn)車型的路譜負(fù)荷數(shù)據(jù);（2）通過ADAMS虛擬仿真軟件得到各個工況下任意3點的位移。本文采用第2種方法，在動力總成的3個點上施加強迫位移，同時在整個排氣系統(tǒng)上施加各個工況下的加速度。由于篇幅有限，本文只列出比較嚴(yán)苛的4個工況，具體工況的說明如表2所示。

2.2 分析流程

如圖1所示，邊界條件施加步驟可分為以下9步進行：（1）排氣系統(tǒng)掛鉤車身側(cè)約束所有自由度，此約束一般在調(diào)用其他模型時已經(jīng)存在;（2）創(chuàng)建各個橡膠吊耳剛度的非線性參數(shù);（3）設(shè)置非線性分析屬性NLPARM;（4）通過約束面板在動力總成上3點施加強迫位移;（5）通過SPCADD命令將步驟（1）與步驟（4）中的約束合并為總約束;（6）通過負(fù)荷集命令創(chuàng)建每個工況下的加速度;（7）創(chuàng)建28個負(fù)荷分析步;（8）通過OptiStruct程序進行求解。

2.3 分析結(jié)果

如圖2所示，在Y向施加3 G負(fù)荷與Z向施加4 G負(fù)荷的作用下，工況17的最大位移發(fā)生在主消聲器進氣管處，位移量為25.1 mm，與底盤的最小間隙為2.4 mm，沒有發(fā)生干涉，滿足設(shè)計目標(biāo)。如圖3所示，在Y向施加-3 G負(fù)荷與Z向施加-6 G負(fù)荷作用下，工況18的最大應(yīng)力發(fā)生在主消聲器進氣管折彎處，最大應(yīng)力值為137.3 MPa，沒有超過材料允許的應(yīng)力極限，滿足設(shè)計目標(biāo)。

3 28工況分析的前處理二次開發(fā)

28工況分析的二次開發(fā)流程如圖4所示。在程序運行過程中，依次對各個工況下的加載點進行加載。如圖5所示，在開發(fā)過程中也可以將所有前處理及后處理開發(fā)好的程序設(shè)置為宏命令，使得各種分析變得方便快捷。

在28個重復(fù)工況的邊界設(shè)置過程中，分析人員需要輸入200多個數(shù)據(jù)，將固定的分析流程自動化，不僅可以大大提高分析速度，而且可以提高輸入正確率，分析結(jié)果不容易受到人為輸入錯誤的影響。

4 28工況分析的后處理二次開發(fā)

在邊界設(shè)置好之后，分析人員可以進行求解，并可通過hyperview軟件查看結(jié)果：（1）輸出位移結(jié)果文件，導(dǎo)入Catia軟件，校核是否與底盤邊界干涉;（2）輸出應(yīng)力結(jié)果云圖，并根據(jù)報告格式要求修改相應(yīng)的云圖顯示。

在輸出位移結(jié)果文件與應(yīng)力云圖結(jié)果時，需要重復(fù)讀取28個工況的結(jié)果，人工工作的重復(fù)量大，因此有必要進行二次開發(fā)。圖6為自動化后的輸出位移結(jié)果文件流程圖。圖7為自動化后的輸出應(yīng)力結(jié)果流程圖與應(yīng)力云圖。

通過28工況分析的后處理二次開發(fā)，可以將后處理輸出位移結(jié)果文件與輸出應(yīng)力結(jié)果云圖的流程自動化，可大大縮短人工操作時間，提高分析人員的工作效率。

5 結(jié)論

在前期設(shè)計階段，分析人員快速地對排氣系統(tǒng)進行28工況分析，可提前預(yù)測排氣系統(tǒng)與底盤周邊零部件是否存在干涉的風(fēng)險，并可得知排氣系統(tǒng)的應(yīng)力薄弱位置，提前進行優(yōu)化設(shè)計，規(guī)避設(shè)計風(fēng)險。通過對28工況進行二次開發(fā)，將分析過程自動化，可以大大縮短前處理設(shè)置工況、后處理輸出位移結(jié)果、應(yīng)力結(jié)果云圖的時間，極大地提高了工作效率，并且減少了手動輸入數(shù)據(jù)的過程，避免了人為輸入差錯。同時，該二次開發(fā)屬于“黑匣子”狀態(tài)，可將重要技術(shù)掌握在本公司層面，從而避免技術(shù)參數(shù)的人為外泄。

[1]何存良，馮金芝，姚建明，王振東，鄭松林. 某汽車排氣系統(tǒng)吊鉤位置優(yōu)化及強度分析[J]. 內(nèi)燃機工程， 2016，37（05）：199-204.

[2]霍福祥，董嘉林，武斌. 流程自動化提高發(fā)動機仿真建模效率[C]. 2007 Altair大中國區(qū)用戶技術(shù)大會論文集，2007.

[3]丁培林，王君剛，郎寶永，蘇歡，孫國正. HyperWorks二次開發(fā)在商用車駕駛室頂蓋踩踏分析中的應(yīng)用[J]. 汽車科技，2019（04）：31-34.

[4]鄭國君，門永新，胡平，趙福全. 基于知識的CAE后處理流程化平臺關(guān)鍵技術(shù)[J]. 機械工程學(xué)報， 2011，47（17）：112-117.

[5]JOHN K， OUSTERHOUT K J. Tcl/Tk入門經(jīng)典（第二版）[M]. 張元章， 譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2010.10.

[6]孟祥杰，屈新田，席盛. 基于HyperWorks整車網(wǎng)格前處理仿真自動化研究[J]. 汽車科技， 2018（07）：34-39.