基于HyperWorks軟件的排氣系統強度分析流程自動化研究與應用

蘇梅

針對某排氣系統28工況分析過程中加載及后處理操作占用時間長，重復性和繁瑣性工作多，在操作過程中容易產生人為輸入錯誤等問題，基于HyperWorks平臺，采用面向對象的工具控制語言（Tcl/Tk）進行二次開發，將傳統的計算機輔助工程（CAE）分析流程自動化，使簡單重復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，并有效縮短產品開發周期，跟上產品更新換代的步伐，使企業產品更具競爭力。關鍵詞：排氣系統;28工況分析;Tcl/Tk語言;二次開發

0 前言

在發動機行業中，排氣系統的計算機輔助工程（CAE）分析已經形成了1套比較完整的流程，如自重分析、28工況分析[1]、系統模態分析、動態響應力分析，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。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量大，非常耗時。因此，本文提出了針對某排氣系統的28工況分析方法，在任何負荷工況下，檢測整個排氣系統的應力不能超出零件的承受范圍，且整個排氣系統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，避免重復性工作，減少人為錯誤，縮短產品開發周期，為企業節約開發成本。

目前，汽車產品更新換代的速度越來越快，產品開發周期越來越短，留給前期設計開發的時間更少，分析任務因此變得更加緊迫。很多企業都在利用HyperWorks軟件的二次開發功能來縮短開發流程?；舾Ｏ閇2]提出了發動機建模自動化流程，將發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，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28工況分析的前處理加載過程及后處理輸出位移結果文件及應力云圖的過程進行了二次開發，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，用于開發圖形用戶界面[5]。它們同時也是解釋語言，其最大的優點是快速開發，簡單易學，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28工況分析的前處理加載過程及后處理輸出位移結果文件及應力云圖的過程進行二次開發，通過實例來說明二次開發在前處理的加載過程及后處理方面的優勢。二次開發在前處理的網格劃分、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勢[6]。

1 排氣系統建模

排氣系統一般由動力總成、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，選取動力總成質心及動力總成上任意3點，并通過梁單元（PBEAM）連接，并且質心與排氣管的前端進氣法蘭螺栓孔通過剛性單元（RBE2）相連。排氣系統的薄壁結構采用殼單元（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，并設置軸向平動剛度（Kx）、徑向平動剛度（Ky、Kz）、軸向扭轉剛度（Rx）與徑向扭轉剛度（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，且設置Kx、Ky與Kz共3個平動自由度方向的剛度。此處的剛度應考慮非線性。焊縫采用六面體單元（Hex）或五面體單元（Penta）連接。排氣系統模型如圖1所示。波紋管及橡膠吊耳的剛度參數如表1所示。

2 某排氣系統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進行車身側掛鉤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）借用類似量產車型的路譜負荷數據;（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）排氣系統掛鉤車身側約束所有自由度，此約束一般在調用其他模型時已經存在;（2）創建各個橡膠吊耳剛度的非線性參數;（3）設置非線性分析屬性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）通過負荷集命令創建每個工況下的加速度;（7）創建28個負荷分析步;（8）通過OptiStruct程序進行求解。

2.3 分析結果

如圖2所示，在Y向施加3 G負荷與Z向施加4 G負荷的作用下，工況17的最大位移發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，沒有發生干涉，滿足設計目標。如圖3所示，在Y向施加-3 G負荷與Z向施加-6 G負荷作用下，工況18的最大應力發生在主消聲器進氣管折彎處，最大應力值為137.3 MPa，沒有超過材料允許的應力極限，滿足設計目標。

3 28工況分析的前處理二次開發

28工況分析的二次開發流程如圖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，在開發過程中也可以將所有前處理及后處理開發好的程序設置為宏命令，使得各種分析變得方便快捷。

在28個重復工況的邊界設置過程中，分析人員需要輸入200多個數據，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

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

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

通過28工況分析的后處理二次開發，可以將后處理輸出位移結果文件與輸出應力結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 結論

在前期設計階段，分析人員快速地對排氣系統進行28工況分析，可提前預測排氣系統與底盤周邊零部件是否存在干涉的風險，并可得知排氣系統的應力薄弱位置，提前進行優化設計，規避設計風險。通過對28工況進行二次開發，將分析過程自動化，可以大大縮短前處理設置工況、后處理輸出位移結果、應力結果云圖的時間，極大地提高了工作效率，并且減少了手動輸入數據的過程，避免了人為輸入差錯。同時，該二次開發屬于“黑匣子”狀態，可將重要技術掌握在本公司層面，從而避免技術參數的人為外泄。

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

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

[3]丁培林，王君剛，郎寶永，蘇歡，孫國正. HyperWorks二次開發在商用車駕駛室頂蓋踩踏分析中的應用[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鍵技術[J]. 機械工程學報， 2011，47（17）：112-117.

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

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