廖鶯

面向抗凹性分析的CAE流程自動化程序開發(fā)

廖鶯1,2,3

（1.比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518000；2.廣東美的制冷設備有限公司，廣東 佛山 528311；3.長沙理工大學 工程車輛輕量化與可靠性技術湖南省高校重點實驗室，湖南 長沙 410114；）

文章將車身覆蓋件抗凹性的CAE分析標準化、自動化、流程化?；贖ypermesh、Abaqus軟件和Python語言，開發(fā)了針對汽車車身覆蓋件的抗凹性分析的自動化標準流程，并以汽車引擎蓋的抗凹性分析為例，深入研究了有限元分析流程自動化，解決了抗凹收斂性問題，并驗證了自動化標準流程的操作性和有效性。

Abaqus；Python；抗凹性分析；流程自動化

前言

汽車輕量化使超薄冷軋薄鋼板在汽車車身覆蓋件制造領域應用廣泛，如高強度薄鋼板、烘烤硬化薄鋼板等。其優(yōu)勢在于具有良好的沖壓性能，而且表面質(zhì)量較好，但是由于超薄，它的抗凹性能較低。抗凹性[1]是指覆蓋件在承受一定外部載荷作用時抵抗凹陷撓曲或者局部凹陷變形，保持形狀的能力，是評價和反映覆蓋件表面質(zhì)量及使用性能的一項重要指標，與汽車板材材質(zhì)、覆蓋件的結(jié)構(gòu)設計和沖壓成形工藝等密切相關[2]。汽車覆蓋件足夠的剛度對汽車的整體性能有重要影響，以車門為例，從安全性影響來看，車門的抗凹剛度不足會影響車門的正常開關，導致門下沉，從而使得車門鎖、升降器等性能受到影響[3]。如果受到碰撞等大載荷時，剛度不足導致變形量大，會影響到駕駛員和乘客的生存空間。從舒適性影響來看，剛度不足會導致車輛在行駛過程中出現(xiàn)振動及噪聲等問題，嚴重時會造成漏風保溫隔熱性能變差，或者滲水漏雨。由此可見很有必要對車身覆蓋件進行抗凹性分析。

本文首先簡單介紹了Python語言及基于Abaqus軟件二次開發(fā)的相關原理。然后將車身覆蓋件抗凹性分析標準化、流程化、自動化。針對車身覆蓋件抗凹性分析，對操作過程中繁瑣冗雜的部分與解決非線性問題進行研究，使用Abaqus二次開發(fā)腳本語言工具Python建立流程自動化系統(tǒng)，來提高建模效率。一方面將現(xiàn)有工程經(jīng)驗固化于流程系統(tǒng)，另一方面將分析工作流程化，盡量減少不必要的繁瑣操作與人工操作的失誤，提高 CAE工作的效率和精度。此外，還解決了由于幾何非線性、材料非線性、接觸非線性產(chǎn)生的收斂性問題，工程人員無需再花費時間調(diào)整模型及接觸設置來解決收斂問題。最后以引擎蓋的抗凹性為例，驗證了系統(tǒng)的可行性。對企業(yè)開發(fā)工作具有一定的指導意義。

1 基于Abaqus的二次開發(fā)

1.1 Python語言介紹

Python語言是一種動態(tài)解釋型編程語言，1989年由Guido van Rossum開發(fā)，并于1991年年初發(fā)表。Python語言功能強大、簡單易學，非常適用于快速應用開發(fā)。支持面向?qū)ο缶幊蹋@使得它可以大大減低結(jié)構(gòu)化程序設計的復雜性。另外，它還具有可擴展性。Python語言是在C語言的基礎上開發(fā)的，因此C語言可以擴展Python語言，它可以為Python語言添加新的模塊、類等。達索公司的大型非線性有限元分析軟件ABAQUS就是基于Python語言開發(fā)的，比如ABAQUS的Part子模塊、Property子模塊等。

1.2 Python與Abaqus的通信

ABAQUS/CAE處理有兩個程序[4]：（1）內(nèi)核（Kernel）；（2）GUI程序。內(nèi)核（Kernel）實質(zhì)上是隱藏在Abaqus/CAE后面的大腦；GUI則是用戶與內(nèi)核的接口。在Abaqus/CAE中建模和進行后處理，對話框中所有的設置都由ABAQUS/ CAE從內(nèi)部發(fā)出與之對應的命令（command）。這些命令都基于Python編寫，首先將他們傳送到ABAQUS/CAE的內(nèi)核（Kernel），然后由內(nèi)核對這些命令逐行解釋，同時建立模型分析?？梢钥闯?，Python直接與內(nèi)核進行通信（communicate），與ABAQUS/CAE的圖形用戶界面（GUI）無關。

Python與ABAQUS/CAE的通信關系見圖1。

圖1 Python與Abaqus/CAE的通信關系

從圖中我們可以看到除了編寫腳本外，Abaqus腳本接口命令還可以通過GUI和CLI傳送給ABAQUS/ CAE內(nèi)核。所有的命令都必須通過Python解釋器后才可以進入到ABAQUS/CAE中執(zhí)行。進入到ABA- QUS/CAE中的命令將轉(zhuǎn)化為INP文件，再經(jīng)過ABA- QUS/Standard和ABAQUS/Explicit求解器進行分析，最后得到輸出數(shù)據(jù)庫。本文主要采取圖1中第三種通信方式。

2 車身覆蓋件抗凹流程自動化設計與開發(fā)

根據(jù)企業(yè)設計研發(fā)需要，CAE工程師的專業(yè)知識與工作經(jīng)驗需要在流程中固化，以提高仿真分析的效率與正確率。這樣就需要把CAE分析標準化、自動化、流程化。本文詳細研究了開發(fā)針對車身覆蓋件抗凹性的CAE 流程自動化系統(tǒng)。

2.1 抗凹性分析通用流程圖

綜合分析抗凹分析的一般流程，可開發(fā)一個CAE流程化系統(tǒng)，用于抗凹性問題的分析。這要求系統(tǒng)不僅能對繁瑣的操作進行簡化，還具需有一定的通用性。

在實際工作中，抗凹性分析的一般流程，如下圖2所示。

在圖2中我們可以看到在前處理中Abaqus操作占據(jù)工作的一部分時間，每次抗凹分析，需要重復地進行定義接觸屬性、建立分析步、載荷、邊界條件、創(chuàng)建力的幅值曲線、預輸出力－位移曲線所需變量等工作?？拱挤治錾婕暗浇佑|非線性，Abaqus以處理非線性見長，這是我們選擇Abaqus求解器的主要原因。但是Abaqus在求解過程中使用隱式算法，這個求解算法容易遇到迭代不收斂的問題。如果模型比較大，計算的時間比較長，每次還需花大量時間來調(diào)收斂問題。所以，本文形成了標準Hypermesh建模與Python全自動建模方法相結(jié)合的方法，省去大量建模與調(diào)收斂時間，只需一步就可以快效、高速地完成分析。

圖2 覆蓋件抗凹分析通用流程圖

2.2 抗凹性分析流程自動化設計

首先，在Hypermesh中幾何清理、劃分網(wǎng)格、定義材料、屬性，并建立相關約束集及載荷集。然后導出模型到Abaqus，點擊file-run script，運行名字為Initialization的python腳本文件，即可完成抗凹分析的初始化建模，這包括所有的建立接觸屬性、分析步、載荷、邊界條件、力的幅值曲線與加載、定義輸出變量等。再定義接觸對，最后提交分析作業(yè)。

在上述的流程操作中，定義接觸屬性的核心代碼如下：

mdbname.ContactProperty('IntProp-1')

mdbname.interactionProperties['IntProp-1].TangentialBehavior(formulation=PENALTY,directionality=ISOTROPIC,slip Rate Dependency=OFF,

pressureDependency=OFF, temperatureDependency=OFF,

dependencies=0,table=((0.2,),),shearStressLimit=None, maximumElasticSlip=FRACTION,

fraction=0.005, elasticSlipStiffness=None)

mdbname.interactionProperties['IntProp-1'].NormalBehavior(pressureOverclosure=HARD,allowSeparation=ON, constraintEnforcementMethod=DEFAULT)

定義邊界條件的核心代碼如下：

session.viewports['Viewport:1'].assemblyDisplay.setValues

(step='Initial')

a=mdbname.rootAssembly

region=a.sets['SPC']

mdbname.DisplacementBC(name='constraint-1', createStepName='Initial',

region=region,u1=SET,u2=SET,u3=SET,ur1=SET, ur2= SET, ur3=SET,

amplitude=UNSET, distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

關于定義載荷、幅值曲線等問題由于篇幅關系，這里就不一一列舉了。上面介紹了抗凹流程自動化是如何設計實現(xiàn)的?？梢钥闯鐾ㄟ^編制流程自動化程序能夠提高分析效率，減少了人工參與出錯率，降低了分析難度，剛?cè)腴T的CAE工程師都能進行分析。

3 CAE抗凹流程自動化實例

本文以引擎蓋的抗凹分析為例，驗證抗凹流程自動化系統(tǒng)。選用HyperMesh作為前處理器，Abaqus進行抗凹性數(shù)值模擬分析。

3.1 引擎蓋的有限元建模

由于抗凹屬于非線性問題，所需要的求解計算時間要遠遠超出線性分析，所以需要對模型進行簡化處理，在建立有限元模型的時候做了一下簡化：

（1）對引擎蓋鈑金件采用殼單元劃分網(wǎng)格，單元基本尺寸控制在8 mm左右，單元翹曲小于10%，控制三角形所占的比例小于5%。

（2）包邊的翻邊部分進行簡化。

（3）引擎蓋外板材料采用彈塑性材料進行模擬，根據(jù)外板的材料賦予相應的應力－應變曲線。簡化的模型如圖3所示，加載點的位置為圖3中的1、2、3、4點。

圖3 有限元模型及加載點圖

在Hypermesh中鎖扣與鉸鏈位置建立如圖3所示的約束集合，外板在加載點位置放置直徑為18 mm的剛性球，依次建立100 N垂直外板加載面向下的載荷集。將模型導出到Abaqus，建立接觸對運行流程自動化程序，實現(xiàn)了一鍵建模。包括分析步的建立，加載幅值曲線的定義，載荷與邊界的施加等等。在分析的過程中，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲或者材料應力達到塑性區(qū)域時，會出現(xiàn)迭代逐步減少，迭代困難的現(xiàn)象。在自動化流程中設置一些經(jīng)驗值，能解決迭代不收斂的問題，從而實現(xiàn)一次計算成功。

3.2 引擎蓋的分析結(jié)果后處理

圖4 點1最大載荷處的位移云圖

圖5 點2最大載荷處的位移云圖

圖6 點3最大載荷處的位移云圖

圖7 點4最大載荷處的位移云圖

圖4—圖7分別給出了點1—點4在施加100 N的載荷，力從0逐漸線性增加到100 N，保持一段時間后再卸載后的最大變形圖，云圖中顯示的單位為mm。

表1則給出了此前艙蓋的抗凹性能評估參數(shù)。關于檢驗載荷與結(jié)果評價，目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一標準。在實際分析中，結(jié)合各方面綜合考慮，抗凹剛度要求為：在100 N載荷作用下的凹陷位移不超過4 mm，且卸載后無可見塑性變形為合格。

表1 抗凹性能參數(shù)評價指標表

加載點最大變形彈性變形塑性變形是否合格 13.8690.15932.761E?3是 22.9100.13342.88E?3是 32.8190.12112.575E?3是 43.5243.138E-33.138E?3是

4 結(jié)論

本文通過對Abaqus進行二次開發(fā)，針對企業(yè)車身覆蓋件的抗凹問題開發(fā)了CAE流程自動化系統(tǒng)，解決了收斂性問題，降低了分析工作的難度。不僅大幅提高了工作效率，減低人工出錯率，還大幅度提升工作效率。

[1] Kitagawa Y,Pal C.Evaluation of vehicle body stiffness and str- ength for car to car compatibility[J].SAE transactions,2001:2348- 2354.

[2] 李東升,周賢賓,李雪峰,等.基于預變形的靜態(tài)抗凹性模擬分析[J].塑性工程學報,2001(02):23-25.

[3] 方國強.汽車車身[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[4] 曹金鳳,王旭春,孔亮. Python語言在Abaqus中的應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

CAE Process Automation Development for Denting Analysis

LIAO Ying1,2,3

( 1.BYD Auto Industry Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518000; 2.GD Midea Air-Conditioning Equipment Co., Ltd., Guangdong Foshan 528311; 3.Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle of Hunan Province, Changsha University of Science and Technology, Hunan Changsha 410114; )

The denting analysis of the car body cover panels is standardized, automated, and processed. Based on Hypermesh, Abaqus and Python, an automated standard process for denting analysis of car body cover panels is developed. Taking the denting analysis of the engine hood as an example, the process automation of finite element analysis is deeply studied and its application on convergence when solving denting analysis is solved, and the operability and effectiveness of the automatic standard process are verified.

Abaqus;Python;Denting analysis;Process automation

U463.8

A

1671-7988(2021)24-43-04

U463.8

A

1671-7988(2021)24-43-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.010

廖鶯，中級工程師，碩士研究生，就職于廣東美的制冷設備有限公司。

國家自然科學基金項目（11772070，11372055）資助項目。