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

蘇梅

針對(duì)某排氣系統(tǒng)28工況分析過(guò)程中加載及后處理操作占用時(shí)間長(zhǎng)，重復(fù)性和繁瑣性工作多，在操作過(guò)程中容易產(chǎn)生人為輸入錯(cuò)誤等問(wèn)題，基于HyperWorks平臺(tái)，采用面向?qū)ο蟮墓ぞ呖刂普Z(yǔ)言（Tcl/Tk）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）分析流程自動(dòng)化，使簡(jiǎn)單重復(fù)的工作通過(guò)電腦自動(dòng)完成，可大大提高仿真速度，減少手動(dòng)參與的操作，降低加載及后處理時(shí)出錯(cuò)的概率，并有效縮短產(chǎn)品開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力。關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);28工況分析;Tcl/Tk語(yǔ)言;二次開(kāi)發(fā)

0 前言

在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)中，排氣系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)力分析，以及掛鉤動(dòng)剛度分析等。這些分析項(xiàng)流程比較固定，因此有利于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。然而，在28工況分析中有28個(gè)工況，加載和后處理過(guò)程繁瑣且重復(fù)量大，非常耗時(shí)。因此，本文提出了針對(duì)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(cè)整個(gè)排氣系統(tǒng)的應(yīng)力不能超出零件的承受范圍，且整個(gè)排氣系統(tǒng)不能與底盤(pán)周圍零部件有干涉，同時(shí)將28工況分析過(guò)程自動(dòng)化，可以大大提高工作效率，避免重復(fù)性工作，減少人為錯(cuò)誤，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，為企業(yè)節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

目前，汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，留給前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)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(kāi)發(fā)功能來(lái)縮短開(kāi)發(fā)流程。霍福祥[2]提出了發(fā)動(dòng)機(jī)建模自動(dòng)化流程，將發(fā)動(dòng)機(jī)的建模時(shí)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(kāi)發(fā)，將分析過(guò)程時(shí)間縮短了83%;鄭國(guó)君[4]提出了后處理流程化平臺(tái)的方法，也大大縮短了后處理的分析時(shí)間。本文對(duì)某排氣系統(tǒng)28工況分析的前處理加載過(guò)程及后處理輸出位移結(jié)果文件及應(yīng)力云圖的過(guò)程進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，將加載過(guò)程與后處理過(guò)程所需時(shí)間從3 h降低到10 min，時(shí)間成本節(jié)省了94%。

工具命令語(yǔ)言（Tcl/Tk）是1種命令腳本語(yǔ)言，其中的工具集（Tk）是Tcl的1個(gè)擴(kuò)展，用于開(kāi)發(fā)圖形用戶界面[5]。它們同時(shí)也是解釋語(yǔ)言，其最大的優(yōu)點(diǎn)是快速開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)單易學(xué)，需要編寫(xiě)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(tái)，采用Tcl/Tk，對(duì)某排氣系統(tǒng)28工況分析的前處理加載過(guò)程及后處理輸出位移結(jié)果文件及應(yīng)力云圖的過(guò)程進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明二次開(kāi)發(fā)在前處理的加載過(guò)程及后處理方面的優(yōu)勢(shì)。二次開(kāi)發(fā)在前處理的網(wǎng)格劃分、螺栓剛性連接、零部件自動(dòng)命名及材料屬性匹配等方面都有著巨大的優(yōu)勢(shì)[6]。

1 排氣系統(tǒng)建模

排氣系統(tǒng)一般由動(dòng)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(dòng)力總成采用剛體模型建模，選取動(dòng)力總成質(zhì)心及動(dòng)力總成上任意3點(diǎn)，并通過(guò)梁?jiǎn)卧≒BEAM）連接，并且質(zhì)心與排氣管的前端進(jìn)氣法蘭螺栓孔通過(guò)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(lái)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(jìn)行模擬，并設(shè)置軸向平動(dòng)剛度（Kx）、徑向平動(dòng)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(gè)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(gè)平動(dòng)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(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行車身側(cè)掛鉤1～5共6個(gè)方向的自由度約束。動(dòng)力總成上的輸入載荷可以通過(guò)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(guò)ADAMS虛擬仿真軟件得到各個(gè)工況下任意3點(diǎn)的位移。本文采用第2種方法，在動(dòng)力總成的3個(gè)點(diǎn)上施加強(qiáng)迫位移，同時(shí)在整個(gè)排氣系統(tǒng)上施加各個(gè)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(gè)工況，具體工況的說(shuō)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(jìn)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(shí)已經(jīng)存在;（2）創(chuàng)建各個(gè)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(guò)約束面板在動(dòng)力總成上3點(diǎn)施加強(qiáng)迫位移;（5）通過(guò)SPCADD命令將步驟（1）與步驟（4）中的約束合并為總約束;（6）通過(guò)負(fù)荷集命令創(chuàng)建每個(gè)工況下的加速度;（7）創(chuàng)建28個(gè)負(fù)荷分析步;（8）通過(guò)OptiStruct程序進(jìn)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(jìn)氣管處，位移量為25.1 mm，與底盤(pán)的最小間隙為2.4 mm，沒(méi)有發(fā)生干涉，滿足設(shè)計(jì)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(jìn)氣管折彎處，最大應(yīng)力值為137.3 MPa，沒(méi)有超過(guò)材料允許的應(yīng)力極限，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 28工況分析的前處理二次開(kāi)發(fā)

28工況分析的二次開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。在程序運(yùn)行過(guò)程中，依次對(duì)各個(gè)工況下的加載點(diǎn)進(jìn)行加載。如圖5所示，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中也可以將所有前處理及后處理開(kāi)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(gè)重復(fù)工況的邊界設(shè)置過(guò)程中，分析人員需要輸入200多個(gè)數(shù)據(jù)，將固定的分析流程自動(dòng)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(cuò)誤的影響。

4 28工況分析的后處理二次開(kāi)發(fā)

在邊界設(shè)置好之后，分析人員可以進(jìn)行求解，并可通過(guò)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(pán)邊界干涉;（2）輸出應(yīng)力結(jié)果云圖，并根據(jù)報(bào)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(shí)，需要重復(fù)讀取28個(gè)工況的結(jié)果，人工工作的重復(fù)量大，因此有必要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。圖6為自動(dòng)化后的輸出位移結(jié)果文件流程圖。圖7為自動(dòng)化后的輸出應(yīng)力結(jié)果流程圖與應(yīng)力云圖。

通過(guò)28工況分析的后處理二次開(kāi)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(dòng)化，可大大縮短人工操作時(shí)間，提高分析人員的工作效率。

5 結(jié)論

在前期設(shè)計(jì)階段，分析人員快速地對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行28工況分析，可提前預(yù)測(cè)排氣系統(tǒng)與底盤(pán)周邊零部件是否存在干涉的風(fēng)險(xiǎn)，并可得知排氣系統(tǒng)的應(yīng)力薄弱位置，提前進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)28工況進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將分析過(guò)程自動(dòng)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(shí)間，極大地提高了工作效率，并且減少了手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)的過(guò)程，避免了人為輸入差錯(cuò)。同時(shí)，該二次開(kāi)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。

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