基于C#的汽車耐久仿真開發及應用

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的必要性；在此基礎上詳細介紹了汽車可靠耐久仿真自動化系統建設的內容：開發思路、系統功能模塊、開發環境、開發流程、數據字典等，繼而展示該系統的成果頁面，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情況為例，描述了該系統的應用情況，驗證了該技術的實用價值。

關鍵詞：可靠耐久仿真；自動化；方案

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：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

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

目前常見的汽車構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軟件將數模轉化為有限元網格模型，并進行靜力學或動力學求解；第二部分是通過疲勞仿真軟件對汽車構件進行壽命估算。

汽車可靠耐久性能仿真分析，除有限元模型基礎網格劃分、提交有限元軟件進行應力計算、壽命計算外，還有很多工作手工完成，操作復雜，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，數據之間的流轉和傳遞途徑沒有固化。

1 解決方案

汽車可靠耐久仿真自動化系統建設，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提取相關信息生成數據庫表單、耐久性能仿真分析任務與其指導性文件（流程、方法、設計/試驗/仿真標準）。

此系統的應用，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性軟件操作，避免仿真分析工程師可能的操作不規范引起的誤操作所帶來的麻煩，把更多的時間用在結果優化、指導設計改進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#開發軟件，Excel作為后臺數據庫，開發一套應用自動化應用系統，實現各軟件間操作從手工到自動的轉變；通過建立耐久仿真數據庫模型，實現耐久仿真數據庫與仿真任務之間雙項的互為輸入，建立成熟仿真經驗傳遞通道；通過多軟件集成，實現不同軟件間數據在同一平臺下的有效流轉；通過可靠耐久仿真分析任務與相應的流程、方法、設計/試驗/仿真標準等集中管理平臺，加速掌耐久仿真分析技術。

本系統開發工具，如圖2所示。

1.2 具體步驟

1.2.1 實現手工到自動的轉變

本系統實現由手工操作到自動化轉變的模塊，見表1。

1.2.2 實現成熟耐久仿真經驗傳遞

實現成熟耐久仿真經驗傳遞，具體來說，就是將已經完成求解計算的有限元文件中的材料、屬性、局部坐標系、載荷、載荷步、輸出等相關信息，通過本系統自動提取出來，放入反向數據庫相應的數據庫表單中，作為后續類似耐久仿真分析任務的數據輸入，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。本系統提供的耐久仿真分析任務與相應的仿真分析流程、分析方法、設計標準/試驗標準/仿真標準，以及具體的臺架/路譜/臨時工況仿真分類任務結合起來，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時，能夠快速找到該任務的分析流程、方法及標準文件，這對于順利完成一個耐久仿真分析任務，有著非常有價值的指導意義。本系統涵蓋了截至目前為止所有的耐久仿真分析任務的相關信息，表2為本系統所管理的耐久仿真分析任務與指導性文件表單示例。

2 開發簡述

2.1 開發環境

本系統核心開發工具是Microsoft Visual Studio 2008 C#，是微軟公司推出的一種簡潔、類型安全的面向對象的編程語言，開發人員可以通過它編寫在.NET Framework上運行的各種安全可靠的應用程序。使用C#，可以創建傳統的Windows客戶端應用程序、XML Web Services、分布式組件、客戶端—服務器應用程序、數據庫應用程序以及很多其他類型的程序。endprint

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

用Excel作為本系統的后臺數據庫，主要考慮它的易用性。Excel使用起來非常簡單，自己用或發給別人，都能方便打開使用。

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

圖3為本系統開發界面，表3為本系統后臺正向數據庫表單。

2.2 開發流程

開發過程主要考慮Hypermesh、Femfat兩套軟件的自動化、成熟仿真經驗的核心數據提取形成數據庫表單，以及耐久分析任務相關聯的流程、方法、設計/試驗標準及應用的集中統一管理工作。圖4為本系統開發流程圖。

2.3 數據字典

具體開發過程中的數據字典部分，信息較多，略。圖5為本系統開發的數據字典的部分內容。

3 成果展示

所形成的可靠耐久仿真分析自動化系統，主要包括主界面、Hypermesh基礎數據定義介面、數據生成界面、局部坐標系定義界面、載荷及邊界處理界面、一鍵式完成界面、生成仿真數據庫表單等。

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 自動化系統應用舉例

本文以某乘用車項目開發中扭力梁、橫向穩定桿及白車身的自動化系統應用情況舉例，并將仿真分析結果與試驗進行對標，驗證自動化系統的功能與精度，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，應用情況如圖13所示。

結語

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的必要性；在此基礎上，詳細介紹了汽車可靠耐久仿真自動化系統建設的內容并展示該系統的成果頁面，繼而以自動化系統在某乘用車項目開發中的應用情況驗證了該技術的實用價值。

與此同時，本系統需要進一步的完善和加強應用覆蓋面及部件仿真分析功能，包括試驗對標及測試數據，提高自動化系統使用率和效率，此外，在系統幫助文檔的編寫方面還需要投入更多精力，使企業新員工通過了解本系統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

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[2]姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京：國防科技出版社，2003.

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