保險(xiǎn)杠抗壓分析流程自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

沈輝 彭鴻 唐輝 管迪

摘要： 為提升汽車(chē)保險(xiǎn)杠抗壓分析效率、減少重復(fù)性勞動(dòng)、實(shí)現(xiàn)仿真分析流程的自動(dòng)化，利用Python和VBS語(yǔ)言開(kāi)發(fā)一套前、后處理自動(dòng)化程序。此程序可實(shí)現(xiàn)RBE3單元?jiǎng)?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(bào)告編制等過(guò)程的自動(dòng)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(guò)自動(dòng)化程序進(jìn)行仿真，不僅可以保證保險(xiǎn)杠抗壓分析的精度，同時(shí)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(xiǎn)杠; 仿真; 前處理; 后處理; 自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)： 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(chē)、航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。BETA是高度開(kāi)放的CAE平臺(tái)，提供基于Python的二次開(kāi)發(fā)接口，方便用戶(hù)根據(jù)自身需求開(kāi)發(fā)定制化的自動(dòng)化程序。[1-3]Python是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，語(yǔ)法簡(jiǎn)潔、第三方庫(kù)非常豐富。[4]

汽車(chē)保險(xiǎn)杠的作用是緩和和吸收外界沖擊力，是車(chē)身前部和后部的防護(hù)裝置。[5]汽車(chē)保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(chē)外飾件為研究對(duì)象，使用Altair軟件開(kāi)發(fā)抗凹分析的自動(dòng)化流程[11-12]。

本文基于BETA提供的二次開(kāi)發(fā)接口，利用Python和VBS語(yǔ)言開(kāi)發(fā)一套汽車(chē)保險(xiǎn)杠抗壓分析的前、后處理流程自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從前處理創(chuàng)建載荷到后處理報(bào)告輸出的自動(dòng)化，特別是后處理操作自動(dòng)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(kāi)發(fā)背景

傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠抗壓仿真分析流程見(jiàn)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(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)和編制分析報(bào)告。

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

保險(xiǎn)杠抗壓分析主要考察保險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(píng)價(jià)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(gè)，大大增加分析工作量。保險(xiǎn)杠抗壓分析前、后處理的工作量見(jiàn)表1。由此可知，單輪分析需耗費(fèi)工程師約2 d時(shí)間。

保險(xiǎn)杠抗壓分析要對(duì)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(dòng)、提升分析效率，有必要開(kāi)發(fā)一款保險(xiǎn)杠抗壓分析的前、后處理工具。

2 前處理自動(dòng)化開(kāi)發(fā)

2.1 程序開(kāi)發(fā)思路

前處理程序架構(gòu)見(jiàn)圖3。為解決不同區(qū)域的載荷大小不同的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)加載全部自動(dòng)化，開(kāi)發(fā)前期創(chuàng)建載荷數(shù)據(jù)庫(kù)，匯總載荷大小和方向等信息。前處理程序的開(kāi)發(fā)思路是在A(yíng)NSA中運(yùn)行Python程序，從載荷數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖4。

若選取的原點(diǎn)是自由節(jié)點(diǎn)，則先通過(guò)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(jì)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(shí)，為真實(shí)模擬壓頭與保險(xiǎn)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(lèi)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(jì)算原理見(jiàn)圖6。對(duì)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(jì)算其與原點(diǎn)的距離，然后計(jì)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(shí)，節(jié)點(diǎn)i將被排除。

為方便后處理程序自動(dòng)識(shí)別載荷相關(guān)信息，載荷工況采取固定格式命名：保險(xiǎn)杠類(lèi)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(jiàn)圖7。操作界面簡(jiǎn)潔友好，用戶(hù)只需選擇保險(xiǎn)杠類(lèi)型（前保/后保）和對(duì)應(yīng)加載區(qū)域，然后批量選擇加載點(diǎn)，即可自動(dòng)完成載荷工況創(chuàng)建。以后保險(xiǎn)杠的前處理為例，批量創(chuàng)建的載荷見(jiàn)圖8。應(yīng)用自動(dòng)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(dòng)化開(kāi)發(fā)

3.1 程序開(kāi)發(fā)思路

后處理程序開(kāi)發(fā)的架構(gòu)見(jiàn)圖9。首先，在META中運(yùn)行Python程序，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取結(jié)果目標(biāo)值等關(guān)鍵信息;然后，從計(jì)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(dòng)寫(xiě)入分析報(bào)告，并將結(jié)果錄入性能數(shù)據(jù)庫(kù)，形成性能知識(shí)庫(kù)。后處理程序開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖10。

3.2 后處理實(shí)施效果

自動(dòng)后處理界面見(jiàn)圖11。界面操作簡(jiǎn)單，用戶(hù)設(shè)置計(jì)算文件，點(diǎn)擊按鈕即可一鍵完成后處理并自動(dòng)編制報(bào)告。以后保險(xiǎn)杠為例，后處理效果見(jiàn)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(bào)告生成等操作，還可以自動(dòng)進(jìn)行結(jié)果診斷，并用紅、黃、藍(lán)三色標(biāo)識(shí)結(jié)果狀態(tài)。此外，程序還可以在模型中直接標(biāo)識(shí)數(shù)值結(jié)果和結(jié)果狀態(tài)，使工程師對(duì)計(jì)算結(jié)果狀態(tài)一目了然，快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。運(yùn)用自動(dòng)化工具進(jìn)行后保險(xiǎn)杠后處理，整個(gè)過(guò)程不到5 min即可完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于BETA的二次開(kāi)發(fā)接口，開(kāi)發(fā)汽車(chē)保險(xiǎn)杠抗壓分析前、后處理程序，實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化。此程序集成ANSA、META和Office軟件，可自動(dòng)創(chuàng)建RBE3單元、局部坐標(biāo)系、載荷和工況，自動(dòng)完成后處理和分析報(bào)告編制。

實(shí)際案例測(cè)試結(jié)果表明，使用自動(dòng)化工具可以實(shí)現(xiàn)40 min內(nèi)完成后保險(xiǎn)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(lái)，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(dòng)診斷，還可以自動(dòng)將數(shù)值結(jié)果寫(xiě)入性能數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的知識(shí)積累。運(yùn)用該程序進(jìn)行分析，不僅能保證分析精度，同時(shí)還可以將保險(xiǎn)杠抗壓分析流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，保證分析的一致性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李渤， 陳昌明， 許佰寧. 基于A(yíng)NSA和META的行人頭型碰撞仿真分析自動(dòng)化[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012， 30（5）： 657-660. DOI： 10.3969/j.issn.1008-1402.2012.05.006.

[2] 張凱. 基于Python編程的ANSA二次開(kāi)發(fā)在抗凹分析中的應(yīng)用[C]// 第十五屆中國(guó)CAE分析工程分析技術(shù)年會(huì)論文集. 上海： 中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)產(chǎn)學(xué)研工作委員會(huì)， 2019： 239-242.

[3] 王國(guó)鋒， 彭鴻， 丁智， 等. ANSA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)在白車(chē)身連接中的應(yīng)用[C]// 第十四屆中國(guó)CAE分析工程分析技術(shù)年會(huì)論文集. 銀川： 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化分會(huì)， 2018： 206-208.

[4] MAGNUS L H. Python基礎(chǔ)編程[M]. 2版. 司維， 曾軍崴， 譚穎華， 譯. 北京： 人民郵電出版社， 2014： 461-463.

[5] 徐中明， 徐小飛， 張志飛， 等. 保險(xiǎn)杠安全性能仿真分析與試驗(yàn)研究[J]. 汽車(chē)工程， 2014， 36（3）： 293-297. DOI： 10.19562/j.chinasae.qcgc.2014.03.008.

[6] 徐德奎， 馬忠宇. 基于HyperWorks的汽車(chē)后保險(xiǎn)杠剛度分析[C]// Altair 2012 HyperWorks技術(shù)大會(huì)論文集. 上海： Altair， 2012： 1-9.

[7] 龔潔. 汽車(chē)前保險(xiǎn)杠碰撞的有限元仿真分析研究[D]. 沈陽(yáng)： 東北大學(xué)， 2010. DOI： 10.7666/d.J0104965.

[8] 魏顯坤. 轎車(chē)保險(xiǎn)杠吸能特性分析與試驗(yàn)研究[D]. 重慶： 重慶理工大學(xué)， 2012. DOI： 10.7666/d.D538504.

[9] 韓瀟. 基于力學(xué)特性的乘用車(chē)前保險(xiǎn)杠輕量化研究[D]. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2018.

[10] 周長(zhǎng)寬. 某乘用車(chē)前保險(xiǎn)杠剛度及回彈特性的非線(xiàn)性有限元分析[D]. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2017.

[11] 宋凱， 王超， 陳濤， 等. 基于可變工況的車(chē)身覆蓋件抗凹性全流程優(yōu)化方法[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2015， 34（4）： 599-602. DOI： 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0422.

[12] 蘇占龍， 王霄， 劉會(huì)霞， 等. 汽車(chē)覆蓋件CAE抗凹分析流程自動(dòng)化系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電工程， 2015， 32（2）： 196-200. DOI： 10.3969/j.issn.1001-4551.2015.02.008.

[13] 牟洋， 柴凱. 淺談汽車(chē)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)， 2016， 35（11）： 13-14. DOI： 10.3969/j.issn.1006-8937.2016.07.007.

（編輯 武曉英）