CAE碰撞安全前后處理自動化平臺研究與應用

王輝，湯小生，吳澤勛，閆高峰，包國建，郝慶全

（重慶睿藍汽車研究院有限公司，重慶 400707）

引言

近年來汽車行業競爭日益激烈[1]，汽車研發周期不斷被壓縮，CAE碰撞安全分析作為汽車研發前期重要環節，這就要求CAE碰撞安全分析效能需進一步提升。在整個CAE碰撞安全分析過程中，前后處理工作占據工程師90 %及以上工作量，且存在大量重復低效、繁瑣易出錯的工作，效能提升可從該項工作著手，通過開發自動化平臺是提升該項工作效能的強有力方向之一。

目前關于CAE碰撞安全的程序自動化平臺開發，行業中能查詢到的論文期刊等資料較少，有相關行人保護的程序開發[2]可供參考。本文針對CAE碰撞安全分析前后處理相關工作，對模型架構、功能需求、程序平臺架構做了深入研究。并基于Ansa&Meta商業軟件，通過Python開源編程語言開發的自動化程序平臺，可有效提高工作效能，以此進一步縮短汽車研發周期，提高汽車碰撞試驗的可靠性，減少了碰撞試驗次數和報廢樣車數量，利于保護環境。

1 模型架構與需求

1.1 模型標準化

如圖1為模型標準化，模型文件由三級文件組成，主文件作為一級文件，整車文件、壁障文件和其他文件為二級文件，一級文件調用二級文件，每個二級文件又調用多個三級文件，各三級文件歸屬統一。各級文件命名統計、各級文件調用方式統一，均為INCLUDE調用方式。整車各子系統與Catia數據PSS分類編號保持一致，整車裝配通過BOX裝配代替傳統剛性片裝配。該模型標準化實現了模型文件的通用性，通過程序開發模型文件的替換、更新、調用將更為簡單便捷。

圖1 模型標準化

1.2 工作流程化

如圖2所示為前處理工作詳細流程，基于傳統的CAE碰撞安全分析前處理工作進行了詳細的流程化梳理。主流程依次為數據接收、網格劃分、基礎連接、子系統建模、整車建模、工況搭建、模型輸出。各主流程項又包含各細分流程項，如基礎連接又細分為焊點連接、縫焊連接、膠粘連接、螺栓連接、鉸鏈連接及檢查試算修正，通過程序開發可實現各連接類型一鍵自動連接，檢查試算修正更為簡單高效。

圖2 前處理工作詳細流程

如圖3所示為后處理工作詳細流程，基于傳統的CAE碰撞安全分析后處理工作進行了詳細的流程化梳理。主流程依次為結果讀取、考察項讀取、結果輸出、報告撰寫、結論輸出，各主流程項又包含各細分流程項。通過程序開發可實現各流程及細分項自動化實現。

圖3 后處理工作詳細流程

1.3 模塊規劃

如圖4所示為模塊規劃，主要針對CAE碰撞安全分析前后處理工作中的痛點問題，程序開發相關模塊規劃包括前處理10大模塊，后處理3大模塊。

圖4 模塊規劃

2 程序平臺架構

2.1 基礎程序

如圖5所示為基礎程序，前處理主要用到Ansa可調用模塊及python[3]；后處理主要用到Meta的Meta User Toolbars、Meta可調用模塊、Meta宏語言及python。每一個程序模塊均包含多項細分子模塊，開發具體功能時根據模塊需求進行調用及程序代碼編寫。

圖5 基礎程序

2.2 打包集成

本文所開發的CAE碰撞安全前后處理自動化平臺作為獨立的程序包，可實現一鍵安裝在任意位置。通過python編寫相對路徑變量，可實現根據用戶意愿安裝在任一路徑下；通過python編寫安裝程序，實現程序包一鍵自動安裝。安裝程序自動實現程序包與Ansa&Meta的關聯設置。打包集成主要通過python下的os、shutil、tkinter等模塊實現。

2.3 交互設計

本文所開發的CAE碰撞安全前后處理自動化平臺是根據交互難易程度進行不同交互設計的，包括無需交互、簡單交互、復雜交互三種情況。無需交互情況下程序一鍵完成具體功能。簡單交互情況下點擊程序按鍵進行簡單交互操作然后點擊確認即可完成具體功能。對于復雜交互情況下，程序需設計詳細的交互界面，交互時用戶點擊交互界面的交換按鍵進行交互。此外交互按鍵及功能程序按鍵均提供快捷文字提示，鼠標放置在按鍵區域即會顯示關于該鍵的功能、操作步驟及注意事項的文字提示。通過ansa軟件session模塊defbutton函數tip變量、guitk模塊BCAddToolTip函數tip變量設置可實現該快捷文字提示。

2.4 界面設計

如圖6所示為前后處理復雜交互情況下的界面設計，包括前處理和后處理。界面設計應遵循一些基本原則，使得所設計的界面使用時簡單高效不易出錯[4]。前處理界面提示區域主要通過圖片達到具體功能、操作步驟及注意事項等相關提示說明作用，且可儲存多張圖片，通過點擊圖片自動切換下一張；輸入區域主要功能為初始基礎數據的導入；交互區域主要實現交互數據儲存顯示等功能；執行區域主要實現具體的功能。后處理界面結果讀取區域實現基礎結果讀取；ID輸入區域實現用于考察項讀取的零部件、單元、節點ID變量輸入；ID查修區域可實現ID變量的查看、修正及保存；統計結果輸出區域實現考察項結果讀取、特征值獲取、填寫保存及輸出。前處理界面設計主要通過Ansa可調用模塊的Guitk子模塊進行開發，后處理界面設計主要通過Meta User Toolbars模塊進行開發。

圖6 前后處理復雜交互界面設計

2.5 開發架構

如圖7所示為開發者架構邏輯，打包程序開發主要實現程序集成和用戶的程序包安裝。具體功能程序開發首先需要進行痛點問題收集實現功能需求收集，完成具體功能程序的開發后，需將程序集成，集成需根據程序模塊規劃進行集成，程序模塊根據虛擬安全分析流程劃分。

圖7 開發者架構邏輯

如圖8所示為前處理復雜交互數據儲存調用原理，點擊功能按鍵即出現該功能界面，界面的交互區域由多個交互按鍵及確認鍵組成。初始狀態，數據庫已儲存初始數據，打開功能按鍵時界面顯示內容就會調用數據庫數據進行初始顯示。當進行交互確認后，程序會將新的交互所得數據儲存在數據庫，同時更新交互顯示區域內容，當點擊執行鍵后，程序會調用數據庫最新儲存數據進行具體功能的自動實現。當關閉該功能界面再次打開該功能界面時，交互顯示區域顯示內容仍為數據庫最新儲存數據。

圖8 前處理復雜交互數據儲存調用原理

此外，后處理復雜交互情況下ID變量作為重要變量被調用。一般情況下模型標準化已規定了固定的傳感器ID，該ID作為后處理考察項讀取的依據，該ID在后處理程序中設置為默認的初始ID變量。一般情況下直接輸入默認ID即可進行統計結果輸出。特殊情況下，考察項對應的ID需要更改時，用戶需要在ID查修區域通過交互在統計結果輸出。當該更改過的ID后續可能被用到時，那用戶最好在ID查修區域進行ID保存操作，下一次只需在ID輸入區域輸入保存的ID即可進行后續工作。

3 程序平臺案例

根據以上提及的程序平臺架構及實現方法，無需交互或簡單交互情況下，可開發的功能包括自動化精細螺栓連接、自動化焊點熱影響區失效模擬、自動化標準傳感器開發等等，可提高工作效能的同時，也可有效的提高整車CAE碰撞模型的精度，從而保障結果的準確性。

如圖9所示前后處理復雜交互界面案例，前處理以國標正碰為案例，用戶在提示區域點擊圖片可獲得該工況的幫助信息，輸入區域導入初始模型，交互區域完成該工況需要的參數，最后通過執行區域即可在指定目錄下自動生成該工況的計算模型。后處理以國標側碰為案例，依次通過各區域操作即可在結果路徑下自動生成考察項結果統計信息?；谠撁姘暹M行相關工作，交互極具友好和高效。

圖9 前后處理復雜交互界面案例

如圖10所示為CAE碰撞安全前后處理程序平臺，用戶通過Ansa軟件的UserScriptButtons按鍵即可打開前處理輔助建模界面。后處理實現，用戶通過Meta軟件的User Toolbars按鍵即可打開后處理界面，包括輔助顯示、輔助讀取及工況快捷讀取三大模塊界面?；谠撊竽K，可實現開發的功能基本涵蓋所有CAE碰撞安全前后處理工作。

圖10 CAE碰撞安全前后處理程序平臺

4 應用與小結

通過項目實際應用，本文所開發的CAE碰撞安全自動化平臺有效解決了前后處理工作的重要痛點問題，有效縮短了分析周期，綜合效率提升20 %以上。同時，有效的提高了整車CAE碰撞模型的精度，保障了結果的準確性。

以下綜述本文主要結論：

1）本文所提及模型標準化、工作流程化、模塊規劃、基礎程序、打包集成、交互設計、界面設計、程序邏輯架構和程序平臺案例可供汽車及相關行業技術人員參考。

2）本文基于Ansa&Meta商業軟件，通過Python開源編程語言實現了自動化程序平臺的開發，其中友好高效的界面交互和程序設計理念，具有較高的借鑒意義。

3）本文所開發的自動化程序平臺有效的提高了整車CAE碰撞模型的精度，保障了CAE碰撞安全分析結果的準確性，提高了汽車碰撞試驗的可靠性，減少了碰撞試驗次數和報廢樣車數量，利于保護環境。