機(jī)電產(chǎn)品的力學(xué)仿真分析二次開發(fā)

楊杰，張祥，王曉凱，張紅

（1.合肥同智機(jī)電控制技術(shù)有限公司，合肥 230088；2.安徽大學(xué) 物理學(xué)院，合肥 230601；3.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車上的電氣設(shè)備數(shù)量也越來越多，電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等機(jī)電產(chǎn)品已經(jīng)成為汽車不可或缺的一部分。車載的機(jī)電產(chǎn)品在汽車行駛過程中經(jīng)歷振動(dòng)工況，這對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安全性提出了更高的要求，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入了CAE軟件進(jìn)行仿真分析，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證[1-2]。有限元仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)、降低材料成本、減少返工、縮短研發(fā)周期，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。在此基礎(chǔ)上，基于CAE軟件的二次開發(fā)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)也越來越重要[3-5]。

商用CAE軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和良好的通用性，能夠解決大部分的問題，而對(duì)于特定的CAE用戶和企業(yè)，制定適合自身的流程化CAE軟件包能夠提高仿真分析的效率，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，提高仿真分析的準(zhǔn)確性。但是CAE軟件包的定制不僅需要扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和軟件開發(fā)技術(shù)，還需掌握一定的工業(yè)背景，無論是CAE軟件提供商或是CAE用戶都不合適。CAE軟件提供的二次開發(fā)接口是一種折中方案[6-7]。二次開發(fā)用于模型前處理能夠減少建模時(shí)間，方便進(jìn)行重復(fù)建模；用于后處理時(shí)能夠快速提取數(shù)據(jù)、創(chuàng)建所需的可視化界面[8]；用于模型的封裝和調(diào)用時(shí)，能夠自動(dòng)完成多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[9-10]。本文基于CAE軟件針對(duì)某一款機(jī)電產(chǎn)品的力學(xué)仿真分析前處理部分進(jìn)行二次開發(fā)，以提高此類產(chǎn)品的仿真分析效率。

1 程序功能

本文圍繞力學(xué)仿真的模型前處理開展CAE軟件的二次開發(fā)，主要功能包括幾何清理、刪除圓弧、刪除孔、簡(jiǎn)化零部件并創(chuàng)建材料屬性、切割實(shí)體、網(wǎng)格劃分等，并集成于軟件中，如圖1所示。

圖1 仿真分析前處理二次開發(fā)功能集成示意圖

本文以一款車載電源為分析對(duì)象，介紹本文二次開發(fā)的具體原理、功能和示例如下。

1）幾何清理。通過測(cè)量所有零部件的體積，將體積小于設(shè)定值的零部件自動(dòng)刪除，同時(shí)還能指定刪除零部件，比如航插、按鈕等結(jié)構(gòu)復(fù)雜但又不承受載荷的部件，使用效果如圖2所示。

圖2 幾何清理程序效果示意圖

2）簡(jiǎn)化部件。基于部件最大尺寸和慣性矩等價(jià)的原則，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜且非承載作用的零部件簡(jiǎn)化為規(guī)則的長(zhǎng)方體，并根據(jù)實(shí)際質(zhì)量賦予密度參數(shù)，使用效果如圖3所示。

圖3 部件簡(jiǎn)化程序效果示意圖

3）刪除圓弧。實(shí)際生產(chǎn)中的折彎件會(huì)出現(xiàn)圓弧，這部分會(huì)增加仿真模型的單元數(shù)量，降低計(jì)算效率。通過二次開發(fā)可批量刪除多個(gè)部件的圓弧，效果如圖4所示。其原理是利用圓弧特征識(shí)別圓弧和關(guān)聯(lián)的曲面，然后直接刪除或者利用圓弧特征線和大小構(gòu)造新的直角特征。

圖4 刪除圓弧程序效果示意圖

4）刪除圓孔。通過孔特征識(shí)別圓孔和關(guān)聯(lián)的曲面，批量刪除圓孔，并對(duì)剩下的面進(jìn)行修補(bǔ)，最后重新通過面生成實(shí)體，該程序還可選擇要保留的圓孔，如主要承載的螺栓對(duì)應(yīng)的圓孔。程序使用效果如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建短軸、螺栓程序效果示意圖

5）創(chuàng)建短軸、螺栓。基于選定的孔特征或者圓弧的半徑大小及軸的方向和位置，創(chuàng)建同軸的短軸，用以模擬承載結(jié)構(gòu)的螺栓等，考察其強(qiáng)度，使用效果如圖6所示。

圖6 刪除圓孔程序效果示意圖

6）實(shí)體分割與網(wǎng)格劃分。利用鈑金件或復(fù)雜實(shí)體的大面多次切割實(shí)體后，再設(shè)定網(wǎng)格的特征尺寸和厚度方向的網(wǎng)格層數(shù)，對(duì)實(shí)體進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，用以進(jìn)行仿真計(jì)算。程序使用效果如圖7所示。

圖7 實(shí)體切割與網(wǎng)格劃分程序效果示意圖

通過對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行幾何操作和網(wǎng)格劃分，完成三維模型的處理，在施加邊界條件和載荷條件后，即可對(duì)模型開展計(jì)算。基于以上的描述，此二次開發(fā)程序可以加速此類產(chǎn)品的模型前處理過程，實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的快速化分析。

2 實(shí)例分析

利用上述基于CAE軟件的二次開發(fā)，開展一款機(jī)電產(chǎn)品分別在隨機(jī)振動(dòng)和沖擊載荷下的仿真分析。該機(jī)電產(chǎn)品三維模型處理前和處理后的示意圖如圖8所示。

圖8 基于CAE軟件二次開發(fā)的機(jī)電產(chǎn)品模型處理前后示意圖

如圖9所示，隨機(jī)振動(dòng)載荷參照GJB 150.16A—2009中的C.1圖譜規(guī)定的條件，施加于產(chǎn)品底部。

圖9 隨機(jī)振動(dòng)載荷圖譜

基于材料失效的第四強(qiáng)度理論的Von Mises應(yīng)力，以其均方根值考察3個(gè)軸向隨機(jī)振動(dòng)載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。隱藏機(jī)箱外殼后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖如圖10所示，具體數(shù)值如表1所示。

表1 隱藏機(jī)箱外殼后的結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷數(shù)值

圖10 隨機(jī)振動(dòng)仿真分析應(yīng)力云圖

沖擊載荷參照GJB 150.18A—2009中的運(yùn)輸?shù)涔r，產(chǎn)品置于攜行箱中，于1.22 m高度跌落。不同面落地的仿真結(jié)果如圖11所示。

以上的仿真分析實(shí)例表明，針對(duì)一種類型產(chǎn)品的仿真軟件的二次開發(fā)能夠減少仿真分析前處理時(shí)間，快速完成此類產(chǎn)品的仿真分析。

3 結(jié)論

通用性較強(qiáng)的仿真分析軟件作為計(jì)算機(jī)輔助分析的主要工具，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的使用。同時(shí)，對(duì)仿真軟件的二次開發(fā)能夠幫助企業(yè)定制適合自身產(chǎn)品的仿真分析流程，提高仿真分析效率。本文針對(duì)仿真分析中的前處理進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不高的產(chǎn)品，通過幾何清理、簡(jiǎn)化部件、刪除圓弧、刪除圓孔、創(chuàng)建短軸、劃分網(wǎng)格等程序，能夠?qū)崿F(xiàn)模型的快速前處理，建立標(biāo)準(zhǔn)化流程，提高仿真效率，進(jìn)而縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。另一方面，產(chǎn)品中的結(jié)構(gòu)件復(fù)雜多樣，目前的二次開發(fā)程序暫無法對(duì)所有結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行自動(dòng)前處理，個(gè)別結(jié)構(gòu)需進(jìn)行手動(dòng)模型前處理，此二次開發(fā)程序仍有進(jìn)一步完善的空間。