有限元软件Hypermesh二次开发在汽车行业的分析与应用

1、概述

抗凹陷性能（简称抗凹性）是指车身外表零件抵抗外加负荷在其表面产生压痕的能力。轿车车身常见的表面缺陷（变形）有三种形式，即耳形塌陷、斜坡变形和张力松弛，经常出现的位置如图1所示。这些缺陷隐患处主要是加工成型中相对难以控制的部位，也是外覆盖件抗凹陷分析与检查的重要位置。在经济型车辆的外覆盖件中，最容易出现的就是张力松弛缺陷，直观地表现为表面质地发软，其根本原因就是表面的设计刚度不足。

图1外覆盖件抗凹陷性能

静态载荷作用过程中，覆盖件表面将表现三个明显的刚度响应阶段——弹性区、塑性平滑区与硬化区。在从第一响应区向第二响应区过渡时，在特定情况下可能发生失稳现象——油罐效应现象，即表现为载荷突然变小而出现大的滑移。这种失稳现象的刚度变化曲线如图2所示。

图2静力加载过程中多个刚度响应区段

在日常的使用中，例如洗车、受小石子打击等情况是不可避免的，因此设计中必须要求车身外覆盖件的表面能够承受一定的载荷（静态与动态载荷）而不发生大的变形。车身表面的抗凹陷特性也就需要满足以下条件：

（1）施加一定载荷时，不发生过大的变形，即表面抗凹陷刚度足够；

（2）卸载后残余变形小，具体表现为无明显的压痕。

抗凹性是用户选购新车的重要指标，抗凹性差导致车身外表掌压刚度和指压刚度低，影响用户感受，而且车身表面易在外力作用下产生压痕，影响外观且易损伤锈蚀。通过抗凹分析发现汽车外板薄弱点，校验其抗凹性能，给出优化建议和方案。

本文利用TCL语言基于HyperMesh进行二次开发抗凹分析自动化工具，使抗凹分析流程自动化、准确化。

2、传统抗凹性分析方法

抗凹分析的工作过程分为预分析和抗凹性分析两步，首先通过预分析筛选外表面的薄弱点作为考察点，然后进行抗凹分析，建立压头模型与接触关系，对考察点逐个校核。

传统抗凹分析方法一般采用均布压强或重力场法筛选考察点，通常不能准确找到最薄弱的点，如图3所示。需对主面、从面、接触对、载荷步进行几十步操作，设置接近二十多个参数，操作难以规范化，易出错，如图4所示。参数值的设置尚无统一规定，通常需对参数反复调整才能收敛，不同的参数值对计算结果有较大影响。需要2~3次试算，花费工时较长，每项分析需要4h~20h（不含求解计算时间）。存在考察点选取困难、操作复杂、正确性较低、费时较长等缺点。

图3侧围考察点选取示意图

图4抗凹分析参数设置示意图

3、HyperMesh二次开发工作目标

开发和应用外覆盖件抗凹性自动化分析工具，实现以下功能：

（1）提供选择考察点的有效方案，能够快速准确地筛选出车身外表面抗凹性薄弱的位置，作为抗凹性分析的考察点。

（2）固化参数设置，能够提供一套通用性好的分析参数数值，对于大多数情况均能保证计算收敛性和精度。

（3）自动完成各种操作和设置，能够根据简单的用户指令，在HyperMesh环境中自动实现预分析（用于薄弱点选择）和抗凹性分析所需的各种操作设置，生成可直接提交求解器计算的文件。

4、HyperMesh二次开发实施方案

对HyperMesh软件二次开发实现分析自动化，利用宏命令开发用户界面，利用TCL脚本语言编程实现功能。

预分析中采用单点加集中力法筛选薄弱点，在模型上选上百个点，每个点分别施加法向集中力建立载荷步进行线性扰动分析，根据线性扰动分析得到的法向位移结果确定薄弱点。

根据实际经验固化抗凹性分析参数设置，总结多个项目的抗凹性分析设置，反复调整各参数进行计算，测试其对收敛性和计算结果的影响。

在实际项目中应用、调试和验证，在实际项目中应用自动化工具，并与传统分析方法详细对比。根据使用者的反馈，修正bug，改进功能。

5、HyperMesh二次开发实施过程

二次开发实施过程分为方案制定、目标确定、开发调试、应用验证四个阶段。

方案制定首先确定技术路线，然后确定二次开发的主要功能，最后规划二次开发的工作流程。

目标确定需对各实际项目总结提炼，测试各种参数的影响，比对各种考察点选择方案与各种压头模型和加载方案。

开发调试需固化各项参数设置，完成界面和主程序的开发，与传统方法详细比对和修正BUG改进功能。

应用验证用于实际项目使用，验证实际功能和效果并根据使用者反馈进一步改进。

图5二次开发工作流程规划

6、HyperMesh二次开发抗凹分析自动化工具

基于HyperMesh开发的抗凹分析自动化工具如图6所示。其中“Pre_Calc”按钮用于查找薄弱点，为每个试算点建立一个loadstep，施加法向集中力进行线性扰动分析。“Pre_UNDO”按钮自动删除Pre_Calc设置，仅剩余外边界约束与考察点处局部坐标系。“Head_12mm”按钮在考察点处进行抗凹分析所需的全部设置（12mm刚性压头），“Head_120mm”按钮在考察点处进行抗凹分析所需的全部设置（120mm刚性压头），能够根据板材料厚自动调整刚性压头初始位置，使刚性压头与板材的初始间隙为0，自动为刚性压头的参考点赋局部坐标系，。dat文件中的U3数值即为参考点沿外板法方向的位移值，无需进行坐标变化，实施的各项分析参数设置是基于多个实际项目经验的总结，对于绝大多数情况均能保证良好精度和收敛性。“Head_UNDO”按钮自动删除Head_12mm或Head_120mm的所建立的抗凹分析设置。

图6抗凹分析自动化工具

7、结论

传统抗凹分析方法通常不能准确找到薄弱点，需进行几十步操作，设置接近二十个参数，易出错。参数设置难以统一，不同的参数对结果的精确性影响较大。通常需要2~3次试算，共需花费工时4h~20h（不计计算机求解时间）。

基于TCL编程的HyperMesh二次开发抗凹分析自动化工具能找到外板中的全部刚性较低的点，鼠标仅需点击数次即完成全部操作和设置，固化了根据经验总结出的参数设置，利于不同车型之间的抗凹分析结果对比。3分钟之内（不计计算机求解时间）即可完成全部设置。

HyperMesh二次开发抗凹分析自动化工具还具有简单易用、选点正确、规范操作、收敛性好、结果准确等特点，推广使用后每个项目可节省约500个工时。