李 渤，陳昌明，許佰寧

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

0 引言

近年來，行人保護(hù)在汽車開發(fā)過程中越來越受重視.國內(nèi)很多汽車制造商借鑒歐洲的法規(guī)，已經(jīng)開始了相關(guān)的研究工作.目前，多數(shù)研究都是依賴于計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)開展的.文獻(xiàn)［1］中指出，CAE在開發(fā)行人保護(hù)措施時(shí)是一個(gè)必不可少的工具，大量的CAE工作可幫助開發(fā)團(tuán)隊(duì)更深刻地理解行人保護(hù)措施的有效性，同時(shí)可以避免后期的設(shè)計(jì)更改.使用CAE技術(shù)仿真行人保護(hù)試驗(yàn)不僅成本低，耗時(shí)少，且可重復(fù)性高.即便如此，由于汽車模型和行人保護(hù)法規(guī)要求的復(fù)雜性，在前/后處理階段工程師仍需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行重復(fù)的操作.這不僅阻礙效率的提升，還增加了操作失誤的風(fēng)險(xiǎn).

本文對(duì)ANSA/MEAT進(jìn)行二次開發(fā)，探索實(shí)現(xiàn)行人保護(hù)頭型碰撞仿真分析流程自動(dòng)化的方法，以求減少分析時(shí)間，提升工作效率，將工程師從繁瑣的操作中解放出來，將更多的精力投入到結(jié)果分析和設(shè)計(jì)改進(jìn).而且，這樣的自動(dòng)化研究有利于將行人保護(hù)分析流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，保證了計(jì)算結(jié)果的一致性，也有利于數(shù)據(jù)的積累和對(duì)比［2］.

1 現(xiàn)行CAE分析流程簡介

一般CAE分析流程包括模型前處理、計(jì)算和結(jié)果后處理三個(gè)階段.對(duì)行人頭型碰撞分析來說，具體流程是建立整車和頭部的有限元模型，仿真頭型撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩，獲得頭型內(nèi)部的加速度時(shí)間歷程，借以計(jì)算HIC值，并觀察碰撞過程中頭型運(yùn)動(dòng)是否受到發(fā)動(dòng)機(jī)罩下方硬點(diǎn)的影響，評(píng)價(jià)車輛的行人保護(hù)設(shè)計(jì).由于用戶需求和法規(guī)要求的多樣性，分析工作任務(wù)重且包含大量重復(fù)操作.

圖1 行人頭型碰撞模型

1.1 前處理

該階段耗時(shí)占整個(gè)分析用時(shí)的約80%［3］，包括幾何清理，網(wǎng)格劃分，模型裝配，定義材料和單元屬性，定義載荷和約束，設(shè)置初始條件等.整個(gè)模型包含大約150到200個(gè)部件.每個(gè)部件都要定義材料和單元屬性，各部件間需要定義的連接和約束總計(jì)超過1500個(gè).手動(dòng)操作不僅工作量大，耗時(shí)多;而且具有重復(fù)性，易出錯(cuò).初始條件需依照法規(guī)要求進(jìn)行設(shè)置.在ANSA中，用戶可以使用SAFETY＞Pedestrian模塊，快速地根據(jù)法規(guī)要求劃分碰撞區(qū)域，偵測(cè)危險(xiǎn)點(diǎn)，設(shè)置初始條件.

1.2 計(jì)算

由于分析目標(biāo)不同，計(jì)算方式也有所差別.一般來說要得到發(fā)動(dòng)機(jī)罩上HIC值的分布，所需的仿真次數(shù)超過100次.如果只分析危險(xiǎn)碰撞點(diǎn)，仿真次數(shù)依偵測(cè)到的危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)量而異.每次計(jì)算前，用戶都要選擇輸入文件，指定結(jié)果保存目錄.需要的話，還要指定投入計(jì)算的CPU數(shù)量，內(nèi)存空間等等.每次完成這一系列操作大約花費(fèi)20秒.這只是單純考慮用戶操作的時(shí)間成本.實(shí)際操作中還有時(shí)間管理的成本.通常，進(jìn)行一次頭型碰撞仿真計(jì)算用時(shí)約為40分鐘，也就是說工程師最快每隔40分鐘就要暫停當(dāng)前的工作，拿出20秒來啟動(dòng)新的計(jì)算.

1.3 后處理

后處理的操作同樣繁瑣.每次計(jì)算后都要獲取頭型內(nèi)的加速度時(shí)間歷程，計(jì)算HIC值，生成截面剖視動(dòng)畫，最后形成報(bào)告.雖然在META中不需要用戶手動(dòng)提取這些數(shù)據(jù)，但相關(guān)參數(shù)設(shè)置工作仍不可少.比如，設(shè)置文件路徑，選擇單位制，輸入傳感器節(jié)點(diǎn)的ID等等.

2 腳本實(shí)現(xiàn)功能自動(dòng)化

2.1 ANSA腳本實(shí)現(xiàn)前處理半自動(dòng)化

使用ANSA腳本語言可以代替用戶操作，實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)的前處理功能.考慮到汽車模型前處理操作的復(fù)雜性，本文只將部分具有重復(fù)性的前處理操作實(shí)施自動(dòng)化，以達(dá)到節(jié)省時(shí)間，提高效率的目的.前處理半自動(dòng)化流程見圖2.

圖2 ANSA前處理半自動(dòng)化流程

導(dǎo)入模型，識(shí)別部件(PART)

編寫腳本實(shí)現(xiàn):導(dǎo)入已裝配的車身網(wǎng)格模型，根據(jù)各部件名稱(Model Name)識(shí)別需要的零件模型，建立對(duì)應(yīng)的Set(Set，一類模型的集合).本文采用的部件命名規(guī)則是:子系統(tǒng)名稱(Group Name)_部件名稱_左右標(biāo)識(shí)(0，為左;1，為右).例如，左側(cè)翼子板命名為ExternalPart_Wing_0.對(duì)于頭型碰撞有限元分析來說，需要識(shí)別并參與建立Set的零件不超過15個(gè).根據(jù)后續(xù)模型處理和仿真分析的需要，自動(dòng)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的Set.其中發(fā)動(dòng)機(jī)罩對(duì)應(yīng)的Set，其SID(Set ID)值必須要和頭模文件中接觸定義里設(shè)置的ID相同.本軟件中默認(rèn)為1001.

定義材料和單元屬性

BOM是模型中的材料參數(shù)、單元屬性明細(xì)表.BOM的文件格式可以是TXT或CSV，主要包含的內(nèi)容有:部件名稱(或Model ID)，材料類型，材料基本屬性，以及單元屬性(PART＆SECTION).導(dǎo)入模型時(shí)，ANSA會(huì)為每個(gè)部件自動(dòng)地生成材料和單元卡片，并統(tǒng)一使用MID(Model ID)進(jìn)行標(biāo)記.腳本執(zhí)行時(shí)，軟件自動(dòng)讀BOM文件，根據(jù)文件中記錄的MID，修改模型中相應(yīng)的單元卡片，創(chuàng)建新的材料卡片.

建立焊點(diǎn)有限元模型

自動(dòng)生成焊點(diǎn)模型的思路是，讀焊點(diǎn)文件，在指定的焊點(diǎn)位置搜索需要連接的部件，創(chuàng)建焊點(diǎn)單元.整車模型中的焊接形式多種多樣，但都可以參考這個(gè)思路來完成，不同的只是具體操作的實(shí)現(xiàn)方式.焊點(diǎn)文件中需要記錄的基本信息應(yīng)至少包含焊點(diǎn)位置坐標(biāo)，焊接部件ID.以擋風(fēng)玻璃與車身外板的粘接為例，執(zhí)行腳本時(shí)，根據(jù)BOM中焊點(diǎn)的坐標(biāo)信息，建立對(duì)應(yīng)的3D Point，以該點(diǎn)為中心搜索指定范圍內(nèi)的部件，創(chuàng)建鄰近兩個(gè)部件(或節(jié)點(diǎn))的焊接.

參數(shù)設(shè)置

圖3 危險(xiǎn)目標(biāo)點(diǎn)加速度時(shí)間曲線

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩光柵碰撞點(diǎn)HIC值可視化

圖5 兩種截面視圖的顯示效果比較

圖6 流程自動(dòng)化軟件界面

這里需要設(shè)置的參數(shù)主要是模型初始條件和計(jì)算的控制卡片.要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置的自動(dòng)化有兩種方式:一種是將各參數(shù)寫入腳本，程序自動(dòng)運(yùn)行;或者，使用包含文件，將參數(shù)設(shè)置單獨(dú)保存在K文件中.計(jì)算時(shí)會(huì)自動(dòng)打開該文件.本文采用的是第一種方式.

2.2 BAT腳本實(shí)現(xiàn)LS－DYNA自動(dòng)計(jì)算

使用BAT腳本實(shí)現(xiàn)批處理運(yùn)算需要解決兩個(gè)問題:如何區(qū)分主文件和包含文件;如何實(shí)現(xiàn)批處理.對(duì)于ANSA輸出的兩個(gè)key文件，雖然主文件的命名是用戶指定的，難以預(yù)先確定，但是包含文件的名稱卻可選擇默認(rèn).這樣，只要用戶不做修改，就可以通過文件名進(jìn)行區(qū)分.對(duì)于第二個(gè)問題，使用BAT腳本中的循環(huán)命令就可以很容易的解決.本文使用的是for命令.

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)罩上兒童碰撞區(qū)域光柵

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)罩上的危險(xiǎn)目標(biāo)點(diǎn)

2.3 META腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)后處理

在META中，任何GUI操作都可以通過輸入并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的命令來代替.編寫腳本時(shí)，主要使用函數(shù)“MetaCommand”依次執(zhí)行寫入的命令.執(zhí)行完ANSA自動(dòng)化腳本后，會(huì)生成一個(gè)TXT文件，記錄了傳遞傳感器節(jié)點(diǎn)ID和接觸ID.META自動(dòng)讀取該文件實(shí)現(xiàn)信息的傳遞.下面將重點(diǎn)介紹后處理自動(dòng)化要實(shí)現(xiàn)的功能.

生成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告

自動(dòng)生成PPTX或HTML格式的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告.在META軟件中有專門進(jìn)行行人保護(hù)后處理的工具，Toolbars＞Pedestrian.調(diào)用該工具，可以生成二維和三維的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告.報(bào)告內(nèi)容包括所有計(jì)算點(diǎn)的HIC值(見圖3)和加速度時(shí)間歷程圖形，正面和側(cè)面的頭模撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩剖視動(dòng)畫.如果計(jì)算的是光柵碰撞點(diǎn)，報(bào)告中還包括發(fā)動(dòng)機(jī)罩光柵碰撞點(diǎn)HIC值概況和分布圖.見圖4，左邊是所有光柵碰撞點(diǎn)HIC值概況，圖中的每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)光柵碰撞點(diǎn);右邊是根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的HIC值插值得到的周圍區(qū)域HIC值分布圖.紅色表示HIC值大于1000，黃色表示HIC值介于800－1000，綠色表示HIC值小于800.

創(chuàng)建截面動(dòng)畫

在實(shí)際運(yùn)用中，過頭模中心線的縱向垂直平面與整個(gè)模型相切形成的截面視圖更能夠清晰的顯示碰撞中發(fā)動(dòng)機(jī)罩的變形和頭模撞擊是否受到發(fā)動(dòng)機(jī)罩下面硬點(diǎn)的影響.標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告中已經(jīng)包含了截面剖視圖的動(dòng)畫.而通過圖6中的對(duì)比，顯然截面輪廓圖的顯示效果更好.所以增加了截面輪廓?jiǎng)赢嫷妮敵?

3 C#編程實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化

使用腳本文件處理單個(gè)模型和結(jié)果，可以方便地實(shí)現(xiàn)單一功能自動(dòng)化，但不容易實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化.所以作者使用C#編寫了一個(gè)集成ANSA，LSDYNA和META，專門進(jìn)行頭型碰撞有限元仿真分析的程序.該程序的界面如圖7所示.用戶操作流程如下:1.選擇頭部模型文件和汽車前部模型文件;2.點(diǎn)擊“Pre－process”啟動(dòng)ANSA進(jìn)行前處理，完成后系統(tǒng)自動(dòng)打開ANSA，用戶進(jìn)行手動(dòng)操作;3.點(diǎn)擊“Simulation”啟動(dòng) LS－DYNA進(jìn)行計(jì)算;4.點(diǎn)擊“Post－process”啟動(dòng)META進(jìn)行后處理，完成后點(diǎn)擊“Result Folder”打開結(jié)果文件夾.

文中采用的頭型是某公司開發(fā)的Euro NCAP child模型.模型中自帶了接觸參數(shù)和計(jì)算控制參數(shù).如果用戶的頭部模型中沒有定義，還需在手動(dòng)操作自行定義.

打開ANSA后，用戶需要手動(dòng)定義車身約束和使用Pedestrian模塊.Pedestrian模塊是專門用于行人保護(hù)CAE分析的前處理工具，其中的模板包含了現(xiàn)今全球范圍內(nèi)主要的行人保護(hù)法規(guī).本文采用的法規(guī)是EU Phase 2.通過該模塊，可以畫出發(fā)動(dòng)機(jī)罩上的碰撞區(qū)域并在該區(qū)域上設(shè)置光柵碰撞點(diǎn)(見圖7)，還可以根據(jù)硬點(diǎn)位置和碰撞角度計(jì)算出危險(xiǎn)目標(biāo)點(diǎn)(見圖8).最后，輸出每個(gè)光柵碰撞點(diǎn)和危險(xiǎn)目標(biāo)點(diǎn)的key文件.每個(gè)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)生成一個(gè)文件夾，其中包含一個(gè)碰撞分析主文件和一個(gè)包含文件.用戶操作時(shí)，可以點(diǎn)擊流程自動(dòng)化軟件的“Tips”按鈕彈出操作提示.提示內(nèi)容主要是Pedestrian中的一些設(shè)置參數(shù).

4 結(jié)果分析和展望

使用該流程自動(dòng)化軟件進(jìn)行行人保護(hù)頭型碰撞仿真分析，與手動(dòng)前/后處理的仿真分析相比，其結(jié)果幾乎完全相同.這就驗(yàn)證了通過腳本實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化的可行性.從分析過程來看，使用流程自動(dòng)化軟件提高了工作效率，縮短了分析周期，也有利于減少操作錯(cuò)誤的發(fā)生.

由于ANSA腳本中操作Pedestrian模塊的函數(shù)有限，致使前處理中部分功能沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化.但是，隨著CAE軟件的功能擴(kuò)展、專業(yè)定制逐漸成為趨勢(shì)［4］，這種專業(yè)分析流程自動(dòng)化工具一定會(huì)更加完善.

［1］張凱，陳現(xiàn)嶺，岳國輝.長城某轎車行人保護(hù)改進(jìn)分析［J］.汽車工程，2008，30(11).

［2］郭迎春，姚偉.加快制定汽車行業(yè)CAE分析及結(jié)果評(píng)價(jià)體系－促進(jìn)國內(nèi)汽車行業(yè)CAE軟件應(yīng)用水平［R］.2005－2005年首屆中國CAE工程分析技術(shù)年會(huì)2005全國計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)與應(yīng)用高級(jí)研討會(huì).

［3］王浩生.基于知識(shí)的車身靜力學(xué)分析導(dǎo)引［D］.上海:上海同濟(jì)大學(xué).

［4］蘇成謙，高鵬飛，段煒.基于HyperWorks平臺(tái)CAE二次開發(fā)技術(shù)應(yīng)用［R］.Altair 2010 HyperWorks技術(shù)大會(huì)論文集.