基于新工科背景下Hyperworks 教學(xué)實踐與探索

洪騰蛟,丁鳳娟,陳豐,張華,曾其良，張立勇

(1.安徽科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽鳳陽 233100；2.Stamford International University Business Administration, Bangkok 10250, Thailand)

Hyperworks是安徽科技學(xué)院車輛工程專業(yè)的選修課，其主要教學(xué)內(nèi)容包括Hypermesh前處理、Optistruct求解器及Hyperview后處理。在新工科背景下，基于“新工科”教學(xué)理念的影響，安徽科技學(xué)院機械工程學(xué)院針對車輛工程專業(yè)學(xué)生開展Hyperworks課程教學(xué)實踐探索，以提高學(xué)生借助Hyperworks軟件進行汽車CAE分析能力，從而解決汽車領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，為社會培養(yǎng)綜合應(yīng)用型人才。Hyperworks課程實踐性較強，通過Hyperworks課程實踐能較好地幫助學(xué)生掌握汽車CAE分析方法，提升有限元分析能力。在課程學(xué)習(xí)過程中，大多數(shù)學(xué)生能夠較好地掌握hyperworks軟件中的命令（如quick edit，automesh，connectors等）的作用及使用方法，但在做有限元分析過程中不能將這些命令融會貫通。傳統(tǒng)教學(xué)模式“老師講，學(xué)生聽、填鴨式教學(xué)等”忽略了實踐教學(xué)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生解決汽車領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力欠佳。因此，傳統(tǒng)意義上的課程教學(xué)不符合“新工科”人才培養(yǎng)要求。

當(dāng)代，隨著人類可持續(xù)發(fā)展意識的增強和碳排放立法要求的提高，改變了傳統(tǒng)制造業(yè)。節(jié)能、減排已成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要趨勢，汽車工業(yè)要求車身部件能夠節(jié)約能耗降和減少汽車排放，汽車輕量化技術(shù)已被制造商所采用，用于控制設(shè)計和制造成本，實現(xiàn)減輕重量和提高汽車的燃油經(jīng)濟效益[1-3]。通過CAE技術(shù)對車身進行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計，改善車身結(jié)構(gòu)的成型工藝是實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑。在新的教育形勢下，基于Hyperworks的某MPV車門CAE分析的實踐教學(xué)，不僅培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握Hyperworks基本命令，而且培養(yǎng)學(xué)生掌握汽車CAE分析過程，使學(xué)生具備一定的工程項目基礎(chǔ)，為今后的工作積累經(jīng)驗，大大提升學(xué)生的就業(yè)率，最終滿足“新工科”培養(yǎng)要求。

車門是一個重要的車身部件，必須滿足包括剛度、強度、固有頻率、減重、低成本等多個設(shè)計要求。Hyperworks項目實踐教學(xué)中以某MPV車門為研究對象，基于Hyperworks軟件對車門進行剛度分析、模態(tài)分析和尺寸優(yōu)化設(shè)計，為車門結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化提供參考依據(jù)，同時培養(yǎng)學(xué)生運用Hyperworks軟件進行汽車CAE分析的能力。

一、車門有限元模型

（一）車門三維結(jié)構(gòu)

某MPV右前門三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，在這里需要給學(xué)生講解汽車車門“三明治”結(jié)構(gòu)，包括車門外板、內(nèi)板和加強板。安徽科技學(xué)院工程訓(xùn)練中心實驗室有汽車車門，學(xué)生可以去現(xiàn)場進行拆裝實訓(xùn)，從而了解汽車車門構(gòu)造，比如安裝孔的位置，加強板的位置和作用等等，以便于學(xué)生對車門進行CAE分析。

圖1 車門三維結(jié)構(gòu)圖

（二）有限元模型的建立

將由CATIA V5R20建立的某MPV右前門三維結(jié)構(gòu)模型文件另存為.igs格式，導(dǎo)入Hyperworks軟件中，再利用前處理器Hyermesh模塊并對右前門有限元模型進行幾何清理、模型簡化、孔處理、包邊處理等操作。授課教師將車門有限元模型通過QQ、微信或者郵箱等方式發(fā)送給每位同學(xué)，這里要求學(xué)生熟練掌握Hyperworks中的操作命令，獨立完成車門有限元分析，并將有限元分析過程和結(jié)果文件拷貝給授課教師。在Hyperworks實踐教學(xué)過程中，授課教師要按照課程大綱和教學(xué)日歷把汽車車門CAE分析用到的相關(guān)操作命令詳細講給學(xué)生聽，并進行現(xiàn)場演練。通過正向反饋，教師對學(xué)生薄弱知識點，能夠有針對性進行強化復(fù)習(xí)，學(xué)生對于不會使用的命令，應(yīng)反復(fù)練習(xí)。

1.幾何清理和模型簡化

在劃分網(wǎng)格前，利用H y p e r m e s h 模塊中的Midsurface功能對車門所有薄板零件抽取中面。由于所抽取的中面質(zhì)量較差，需使用幾何清理工具進行清理，包括縫合曲面、刪除重復(fù)面和冗余硬點及修復(fù)丟失或損壞面。幾何清理完成后，對模型進行簡化，簡化一些復(fù)雜的幾何特征并忽略對計算結(jié)果影響較小的幾何細節(jié)，以提高計算精度及網(wǎng)格的質(zhì)量。

2.孔的處理

對于車身部件的安裝孔、定位孔、工藝孔，在孔的位置上添加墊圈，使得孔位置周圍有一層單元，而且節(jié)點數(shù)盡量設(shè)置為偶數(shù)。授課教師要鼓勵學(xué)生多動手、多嘗試，比如孔的網(wǎng)格劃分加墊圈和不加墊圈，對車門網(wǎng)格劃分是否有影響。通過理論聯(lián)系實踐，不僅鍛煉學(xué)生的軟件操作熟練程度，而且能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識。

3.包邊處理

車門模型中，外板存在包邊工藝。如果采用Hypermesh中的自動劃分網(wǎng)格方法，在厚度方向網(wǎng)格質(zhì)量不能總滿足單元質(zhì)量要求。因此，包邊常用的處理方法將外板包邊邊界投影到內(nèi)板上，刪除外板包邊及外板包邊在內(nèi)板上的投影區(qū)域，利用2D-ruled命令生成包邊網(wǎng)格，并將網(wǎng)格移動到新建包邊部件層，包邊的厚度是內(nèi)外板厚度的兩倍。

4.車門連接方式

車門部件大多采用焊接工藝連接的，文章中采用ACM模型模擬車門焊點。根據(jù)給定的焊點位置圖，采用Hypermesh中Connectors-spot命令A(yù)CM（Shell gap）單元用來模擬焊點，焊核的直徑為6 mm。焊接完成后，焊點周圍的單元質(zhì)量趨于惡化，需要重新檢查單元質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格。此外，Hypermesh中提供多種方法模擬焊點，因此，授課教師需要鼓勵學(xué)生使用不同的操作命令去模擬焊點，引導(dǎo)學(xué)生做人不拘一格，不墨守成規(guī)，多多嘗試，條條大路通羅馬。

為減小汽車行駛過程中產(chǎn)生的振動和噪音，車門外板、窗口加強板等兩種金屬板之間采用膨脹膠連接。研究中采用六面體實體單元模擬膠粘過程，使用共節(jié)點來連接兩種金屬板。采用Hypermesh中Connectorsarea-adhesives 命令根據(jù)給定的膠粘位置圖創(chuàng)建相應(yīng)的連接單元。此外，有限元模型中采用剛性單元RBE2和梁單元模擬螺栓連接。

5.設(shè)置車門部件的材料和屬性（如表1、2）

表1 車門材料性能表

表2 車門部件主要性能參數(shù)

6.單元質(zhì)量檢查

某MPV右前門網(wǎng)格劃分完成后，需檢查QI單元質(zhì)量。如果單元質(zhì)量不佳，將會影響有限元求解精度，甚至導(dǎo)致有限元分析不收斂。因此，在建模過程中，根據(jù)表3所示的網(wǎng)格質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)檢查所有部件的單元質(zhì)量，并調(diào)整不合格的質(zhì)量元素，直至滿足質(zhì)量要求。引導(dǎo)學(xué)生在進行網(wǎng)格劃分時，要勇于直面錯誤，不能害怕失敗，每個細節(jié)都盡量做到完美，以滿足網(wǎng)格質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

表3 網(wǎng)格質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，單元尺寸在5～15 mm之間，平均尺寸為10mm。網(wǎng)格劃分采用混合模式，三角形單元的比例不大于5%。車門網(wǎng)格劃分完成后，共有85 181個單元，其中三角形單元1 243個，占1.45%，滿足需求。該有限元模型中有16個膠粘連接單元，粘膠連接采用六面體單元（PSOLID）模擬。經(jīng)檢驗，車門部件單元質(zhì)量符合技術(shù)要求。車門部件有限元模型如圖2所示。

圖2 車門有限元模型

二、車門模態(tài)分析

在自由約束條件下，利用Optistruct求解器對車門結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。在后處理模塊Hyperview中觀察車門各階模態(tài)振型及其對應(yīng)的固有頻率。提取車門的前六階非零頻率值如表4所示，車門的前6階振型如圖3所示。

表4 車門前6 階頻率值

圖3 車門前6 階振型

第一階振型是Y方向彎曲，最大變形發(fā)生在窗框上部的中間位置。第二階模態(tài)是整體彎曲。門外板的中心部分具有較大的振動彎曲，并且最大變形也發(fā)生在門外板的中心部分。第三階模態(tài)是車門內(nèi)板局部模態(tài)，并且內(nèi)板中部的振幅較大。第四階模態(tài)是車門外板的局部模態(tài)，門外板中部的振幅較大。第五階整體一階扭轉(zhuǎn)，最大變形發(fā)生在左上門。第六階模態(tài)是彎扭組合，主要表現(xiàn)為車門內(nèi)板的扭轉(zhuǎn)振動和車門外板的彎曲振動。最大的變形發(fā)生在門內(nèi)板的中間位置。車門的一階頻率超過38 Hz，一階彎曲頻率與一階扭轉(zhuǎn)頻率之差大于3 Hz，因此不會產(chǎn)生耦合，車門結(jié)構(gòu)滿足要求。

三、車門結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度分析

為了保證車內(nèi)乘客的安全和汽車的使用壽命，車門的結(jié)構(gòu)必須滿足一定的剛度要求。車門的靜態(tài)剛度是指門在靜態(tài)載荷作用下抵御變形的能力。根據(jù)車門所承受的靜態(tài)載荷，車門的靜剛度可分為下垂剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

（一）車門下垂剛度分析

車門下垂工況主要是分析車門在打開狀態(tài)下的垂向響應(yīng)。由于車門在使用過程中經(jīng)常打開，因此車門經(jīng)常處于懸掛狀態(tài)。對車門下垂剛度分析有助于控制間隙和防止鉸鏈疲勞失效。約束條件：在車門鉸鏈處約束df1～df66個自由度，鎖芯處約束Y向平動自由度；加載條件：鎖芯處施加800 N的Z向節(jié)點力。在設(shè)置了約束條件和載荷條件后，使用Optistruct進行分析，得到下垂工況下的車門位移云圖，如圖4所示。

圖4 車門下垂工況下位移云圖

（二）車門扭轉(zhuǎn)剛度分析

若車門的抗扭能力不足，車門構(gòu)件將會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，長此以往將會導(dǎo)致構(gòu)件開裂失效。其次，它會導(dǎo)致車門密封性急劇下降及振動異常等現(xiàn)象。因此，車門的扭轉(zhuǎn)剛度分析指標(biāo)分別為上部扭轉(zhuǎn)剛度和下部扭轉(zhuǎn)剛度。每個扭轉(zhuǎn)剛度的位移在上端和下端有兩個值，兩端的位移值都要滿足要求。上扭工況，條件約束：車門鉸鏈處約束df1～df66個自由度，鎖芯處約束df1～df33個自由度；載荷條件：在窗口下方50 mm處施加Y方向900 N節(jié)點力；下扭轉(zhuǎn)條件約束：門鉸處df1～df66個自由度，鎖芯處df1～df33個自由度；載荷條件：在車門下邊緣上方50 mm處施加Y方向900 N的節(jié)點力；在設(shè)置好約束和加載條件后，利用Optistruct求解器分析車門在上扭工況和下扭工況下的扭轉(zhuǎn)變形，車門剛度分析結(jié)果如表5所示，位移云圖分別如圖5和圖6所示。

表5 車門剛度分析結(jié)果

圖5 車門上扭工況下位移云圖

圖6 車門下扭工況下位移云圖

四、車門尺寸優(yōu)化

本文采用尺寸優(yōu)化方法對車門的局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其主要目標(biāo)是尋找最優(yōu)的車門厚度。優(yōu)化對象：車門左內(nèi)板；優(yōu)化目標(biāo)：質(zhì)量最??；約束條件：下垂工況下，作用點的位移小于4 mm；上扭工況下，上端位移小于8 mm，下端位移小于2 mm；下扭工況下，上端位移小于4 mm，下端位移小于2 mm。

根據(jù)上述目標(biāo)函數(shù)和約束條件，對車門內(nèi)板進行了尺寸優(yōu)化分析。最后得到車門左內(nèi)板的最佳厚度為1mm。優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。尺寸優(yōu)化后的車門剛度分析結(jié)果如表6所示，各工況下的位移云圖如圖8所示。

表6 優(yōu)化后某MPV 車門剛度分析結(jié)果

圖7 車門左內(nèi)板尺寸優(yōu)化

圖8 尺寸優(yōu)化后車門剛度分析位移云圖

五、結(jié)論

Hyperworks課程是車輛工程相關(guān)專業(yè)的選修課程，對于學(xué)生使用計算機進行汽車CAE分析的培養(yǎng)至關(guān)重要。研究中以某MPV右前門為例，運用Hyperworks軟件，從自由模態(tài)、下垂剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等三個方面對車門進行了CAE分析，重點探究新工科背景下Hyperworks課程實踐教學(xué)，注重工程項目實踐，旨在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識，培養(yǎng)應(yīng)用型綜合人才，最終滿足“新工科”要求的學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)。