沈輝

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門　361023）

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客車車身骨架有限元建模的自動(dòng)化工具開發(fā)

沈輝

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

摘要：以HyperMesh軟件為平臺(tái)，應(yīng)用tcl k腳本語言開發(fā)了一套客車車身骨架殼單元模型的有限元自動(dòng)化建模工具。相比傳統(tǒng)的手工建模，該工具能夠顯著縮短建模周期，簡化繁瑣的手工操作步驟，大大提升建模效率。實(shí)際應(yīng)用表明，車身CAD模型的精度越高，則程序的自動(dòng)化程度越高。

關(guān)鍵詞：客車車身骨架；有限元建模；二次開發(fā)；自動(dòng)化工具

CAE分析過程分為三步：前處理、計(jì)算、后處理[1]。由于汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，CAE工程師將近一半的時(shí)間用于前處理[2]。為了提高前處理效率，許多企業(yè)（如福特、奇瑞、一汽、北汽等）根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)積累，在商用有限元軟件的基礎(chǔ)上通過二次開發(fā)以及流程定制實(shí)現(xiàn)前后處理過程的自動(dòng)化。通過定制的自動(dòng)化流程，減少了重復(fù)勞動(dòng)，大大降低了有限元前處理時(shí)間；同時(shí)提升了分析的效率及精度，保證分析的一致性。CAE分析自動(dòng)化建模、分析流程定制等二次開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為CAE技術(shù)發(fā)展的新潮流[3-8]。

1　自動(dòng)化建模工具介紹

目前幾乎所有的自動(dòng)化建模、分析流程都是針對(duì)轎車開發(fā)的，能夠適用于或針對(duì)客車仿真建模的二次開發(fā)技術(shù)很少。這是因?yàn)榭蛙囓嚿砉羌艿闹圃旒昂附拥裙に嚺c轎車完全不同，故有限元建模流程也不同。同時(shí)由于國內(nèi)客車行業(yè)CAE分析技術(shù)起步較晚，關(guān)于客車的二次開發(fā)技術(shù)也相對(duì)更落后。本文以HyperMesh通用化前處理軟件為平臺(tái)，通過其tcl k腳本語言[9]接口二次開發(fā)，編寫了一套客車車身殼單元模型的有限元自動(dòng)化建模工具，同時(shí)編制了可視化窗口界面以便操作。運(yùn)用此工具進(jìn)行客車車身建模，與傳統(tǒng)手工建模方法相比，能夠顯著縮短建模周期，提升效率。

客車車身骨架是由一系列的方鋼拼焊而成的空間桿系結(jié)構(gòu)[10]，主要分為前圍骨架、后圍骨架、左側(cè)圍骨架、右側(cè)圍骨架、頂蓋骨架、底架六大總成。車身骨架有限元建模采用的單元形式主要分梁單元和殼單元兩種。目前國內(nèi)客車廠大多采用殼單元進(jìn)行建模，這是因?yàn)闅卧攘簡卧挠?jì)算精度高。但這也使得前處理工作量大，方鋼的連接工作繁瑣，建模周期長。

為縮短殼單元建模周期，本文開發(fā)了針對(duì)客車車身的自動(dòng)化建模工具及流程，具體如圖1所示。此工具包括的批處理模塊主要有：抽中面、自動(dòng)分組模塊；方鋼自動(dòng)切割及連接模塊；焊縫自動(dòng)連接模塊；螺栓、鉚釘自動(dòng)連接模塊。其中自動(dòng)劃分網(wǎng)格模塊直接調(diào)用Hyper-Work BatchMesher工具。

圖1　客車車身自動(dòng)化建模工具及流程

2　自動(dòng)建模工具主要功能

2.1抽中面及自動(dòng)分組模塊

采用殼單元建模，首先需對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行抽中面，并將中面按照厚度進(jìn)行分組?？蛙嚬羌苡纱罅糠戒撘约扳k件構(gòu)成，手動(dòng)抽取中面、測量厚度、分組是一項(xiàng)重復(fù)、繁瑣、耗時(shí)的工作，而通過自動(dòng)化工具既能節(jié)省一半以上時(shí)間，又能降低人為錯(cuò)誤發(fā)生率，大大提高了效率。抽中面、自動(dòng)分組模塊的程序流程圖如圖2所示。

圖2　抽中面及自動(dòng)分組模塊的程序流程圖

2.2方鋼自動(dòng)切割及連接模塊

骨架方鋼的焊接簡化方法分為兩種：一種為相交方剛的焊接，在有限元模型中通常采用共節(jié)點(diǎn)形式簡化；另一種為平行方剛的焊接，采用剛性連接單元簡化。剛性連接單元在有限元網(wǎng)格劃分后創(chuàng)建，對(duì)網(wǎng)格要求較低。若采用共節(jié)點(diǎn)連接，則需保證連接面上的方鋼間的節(jié)點(diǎn)對(duì)齊，否則連接后單元質(zhì)量無法滿足。而保證節(jié)點(diǎn)對(duì)齊的唯一途徑就是在劃分網(wǎng)格之前對(duì)連接的方鋼幾何面進(jìn)行切割。整車骨架由成百上千根方鋼構(gòu)成，若對(duì)所有方鋼逐一進(jìn)行手動(dòng)切割、共節(jié)點(diǎn)操作，將花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，實(shí)現(xiàn)方鋼切割、連接的自動(dòng)化是自動(dòng)化建模的最重要一環(huán)。

方鋼切割及連接模塊的程序流程如圖3所示。首先選擇需要進(jìn)行切割連接的方鋼，程序?qū)⒏鶕?jù)幾何特征統(tǒng)計(jì)方鋼自由端面的總數(shù)，接著對(duì)所有端面進(jìn)行重復(fù)循環(huán)的搜索目標(biāo)面、切割操作。當(dāng)最后一個(gè)端面結(jié)束后，再進(jìn)行方鋼的連接操作。

圖3　方鋼自動(dòng)切割及連接模塊的程序流程圖

切割及連接模塊的操作界面提供了兩種操作方式：一種面對(duì)面操作（surfaces to surfaces），即在給定目標(biāo)面的前提下進(jìn)行切割連接。這種方式無需搜索方鋼端面的最近面，故運(yùn)行效率高、速度快，主要用于局部操作；另一種是批處理方式（batch option），即對(duì)所有方鋼進(jìn)行處理。此方法需在選中的所有幾何面中搜索方鋼端面的最近面，如果選取的方鋼量大，程序搜索將需要更長時(shí)間，運(yùn)行效率較低。為此，特別提供了分塊處理功能，用戶只需設(shè)定分塊數(shù)量，然后輸入每一塊所包含的方鋼，程序?qū)凑赵O(shè)定的分塊順序逐一進(jìn)行切割操作。由于每個(gè)分塊之間是相互獨(dú)立的，故能夠有效提升程序運(yùn)行效率，分塊越多，程序執(zhí)行的時(shí)間越短。

圖4為方剛自動(dòng)切割連接的實(shí)例。圖4（a）為切割前每根方剛是相互獨(dú)立自由的，并且方鋼間的搭接復(fù)雜；采用本文開發(fā)的自動(dòng)切割連接工具進(jìn)行處理，則可快速、高效地完成方鋼之間的切割和連接操作，效果如圖4（b）所示。所有方剛自動(dòng)完成了切割和連接，并且效果與預(yù)期一致。

圖4　方鋼自動(dòng)切割連接效果圖

2.3焊縫自動(dòng)連接模塊

焊接是客車車身結(jié)構(gòu)最主要的連接方式[11]，實(shí)現(xiàn)焊接的自動(dòng)化是自動(dòng)化建模不可或缺的模塊。焊縫自動(dòng)連接模塊的子程序主要有單個(gè)塞焊孔連接，塞焊孔批量連接、焊縫連接以及滿焊連接。

傳統(tǒng)連接方法需對(duì)塞焊孔逐一地選取節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建連接單元。選取節(jié)點(diǎn)過程中經(jīng)常由于視角不對(duì)而無法準(zhǔn)確選取節(jié)點(diǎn)，需要不斷調(diào)整視角，使得傳統(tǒng)方法效率低下。塞焊孔批處理功能正是為了解決這些困擾而編寫的，用戶只需要設(shè)定容差以及塞焊孔最大尺寸等參數(shù)即可自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地完成所有塞焊孔連接。圖5（a）所示為全承載底架后懸結(jié)構(gòu)的鈑件與方剛之間通過大量塞焊孔塞焊連接；執(zhí)行本批處理連接程序后，所有塞焊孔都自動(dòng)完成了連接（圖5（b））。

圖5　塞焊孔批量連接效果圖

平行方鋼之間的焊接主要通過剛性單元模擬，車身各總成之間的連接以這種方式為主。在CAE仿真過程中，這類焊縫的模擬應(yīng)遵循焊接工藝關(guān)于焊縫長度、焊縫間距的要求。為此專門開發(fā)了針對(duì)此類焊縫的自動(dòng)連接程序，用戶只需設(shè)置焊縫長度以及焊縫間距等參數(shù)，程序?qū)凑战o定的參數(shù)自動(dòng)創(chuàng)建方鋼的連接。程序執(zhí)行效果如圖6所示。圖中焊縫長度為50 mm，焊縫間距設(shè)為150 mm，圖中標(biāo)注的圓圈節(jié)點(diǎn)即為剛性單元的節(jié)點(diǎn)。

圖6　平行方鋼焊縫自動(dòng)連接效果圖

2.4螺栓和鉚接自動(dòng)連接模塊

有限元前處理時(shí)，對(duì)于螺栓連接和鉚接連接的模擬主要有剛性連接單元和梁單元兩種方式。相比剛性連接單元，采用梁單元模擬需設(shè)置梁單元截面屬性以及單元方向，故在不考慮螺栓、鉚釘受力的情況下基本上都直接采用剛性連接單元進(jìn)行簡化。對(duì)于手動(dòng)進(jìn)行螺栓、鉚釘連接來說，無論采用哪種模擬方式，只要螺栓或鉚釘達(dá)到一定數(shù)量，都會(huì)是一項(xiàng)繁瑣、耗時(shí)的工作。因此，對(duì)于存在大量螺栓、鉚釘?shù)目蛙噥碚f，開發(fā)一套實(shí)現(xiàn)螺栓、鉚釘自動(dòng)連接的程序是非常必要的。

螺栓、鉚釘自動(dòng)連接模塊的操作界面中，根據(jù)目前常用的模擬方式提供了剛性連接單元和梁單元兩種模型。用戶只需設(shè)置好連接參數(shù)，即可輕松、快速、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)螺栓、鉚釘?shù)淖詣?dòng)連接。此程序除了能完成兩層板的連接外，還能夠自動(dòng)識(shí)別并完成多層板的連接。當(dāng)采用梁單元模型時(shí)，程序還能夠根據(jù)螺栓孔半徑自動(dòng)創(chuàng)建與梁單元關(guān)聯(lián)的截面屬性及單元方向。以圖7（a）所示的多層板為例，其中既有兩層板的螺栓連接，又有三層和四層板的螺栓連接。運(yùn)用rigid和beam單元分別對(duì)其進(jìn)行批處理操作，連接后的效果分別如圖7（b）、（c）所示。

圖7　螺栓自動(dòng)連接效果圖

3結(jié)束語

本文基于HyperMesh通用化前處理平臺(tái)，借助其tcl k語言接口，開發(fā)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)客車車身有限元自動(dòng)化建模的工具。通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)手工建模，按照此套自動(dòng)化流程進(jìn)行建模，可以顯著縮短建模周期，大大提升建模效率，同時(shí)可以解放雙手，避免繁瑣、重復(fù)的手工操作。實(shí)踐表明，車身CAD模型的精度越高，程序的自動(dòng)化程度也越高。

參考文獻(xiàn)：

[1]靳春梅，樊靈.CAE模擬分析在汽車數(shù)字化開發(fā)中的應(yīng)用及展望[J].上海汽車，2008（12）：14-16.

[2]杜鵑.基于有限元分析的大客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[3]朱金光，冷峻，劉安寧，等.CAE分析在企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中的初步探索與實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008（10）：35-37.

[4]孫靜，黃雪飛，李慧萍，等.基于HyperWorks的流程自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，21（12）：30-33.

[5]霍福祥，董嘉林，武斌.流程自動(dòng)化提高發(fā)動(dòng)機(jī)仿真建模效率[C]. Altair 2007大中國區(qū)用戶技術(shù)大會(huì)論文集，2007.

[6]曹文剛，范超.基于HyperWorks的CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（1）：16-21.

[7]熊珍兵，羅會(huì)信.基于HyperMesh的有限元前處理技術(shù)[J].排灌機(jī)械，2006，24（3）：35-38.

[8]陸善彬，呂婕，陳偉，等.基于HyperMesh二次開發(fā)的無鉚釘鉚接有限元快速建模[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（5）：804-808.

[9] Ousterhout J K，JonesK.Tcl/Tk入門經(jīng)典[M].2版.張?jiān)?，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[10]黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[11]劉凱.客車車身六大片骨架的焊接結(jié)構(gòu)及工藝探討[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2013（12）：104-106.

修改稿日期：2015-05-15

Development of Automation Tool for Bus / Coach Body Frame Finite Element Modeling

Shen Hui
（Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd, Xiamen 361023, China）

Abstract：An automation tool for bus / coach body frame finite element modeling with shell elements is developed by using the tcl k programming language based on HyperMesh software. Compared with the traditional manual modeling method, the automation tool can remarkably shorten the modeling period, simplify the complex manual operation, greatlyimprove the modelingefficiency. The actual application shows that ifthe accuracyofthe body CAD model is higher, the automation level ofthe tool is higher.

Key words:bus / coach bodyframe; finite element modeling; secondarydevelopment; automation tool

作者簡介：沈輝（1985-），男，碩士；工程師；主要從事客車結(jié)構(gòu)的CAE分析工作。

中圖分類號(hào)：U463.82+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-3331（2016）01-0040-03