保險杠抗壓分析流程自動化系統開發

沈輝 彭鴻 唐輝 管迪

摘要： 為提升汽車保險杠抗壓分析效率、減少重復性勞動、實現仿真分析流程的自動化，利用Python和VBS語言開發一套前、后處理自動化程序。此程序可實現RBE3單元創建、局部坐標系創建、載荷創建、頭文件創建、后處理、結果診斷和報告編制等過程的自動化。實際應用結果表明，與傳統人工分析相比，該程序可使仿真分析效率大幅提高。通過自動化程序進行仿真，不僅可以保證保險杠抗壓分析的精度，同時還可以實現分析的標準化、保證分析的一致性。

關鍵詞： 保險杠; 仿真; 前處理; 后處理; 自動化

中圖分類號： TP391.92;U463.326 ? 文獻標志碼： B

Abstract： To improve the efficiency of automobile bumper pressure resistance analysis， reduce repetitive labor， and realize the process automation of simulation analysis， an automation system for pre-processing and post-processing is developed by using Python and VBS language. The automation of RBE3 unit creating， local coordinate system creating， load creating， header file creating， post-processing， result diagnosing and report compiling can be realized. The practical application results show that the program can greatly improve the efficiency of simulation analysis comparing with the traditional manual analysis method. Using this automatic program， not only the accuracy of bumper compression analysis can be ensured， but also the analysis standardization can be realized to ensure the consistency of analysis.

Key words： bumper; simulation; pre-processing; post-processing; automation

0 引 言

BETA軟件主要包括前處理軟件ANSA和后處理軟件META，其中ANSA是公認的最快捷的CAE前處理軟件之一，具有很多獨創的技術特色，在汽車、航空、航天等領域應用越來越廣泛。BETA是高度開放的CAE平臺，提供基于Python的二次開發接口，方便用戶根據自身需求開發定制化的自動化程序。[1-3]Python是一種面向對象的編程語言，語法簡潔、第三方庫非常豐富。[4]

汽車保險杠的作用是緩和和吸收外界沖擊力，是車身前部和后部的防護裝置。[5]汽車保險杠設計不僅要考慮緩沖吸能效果，還要考慮其自身下沉、抗壓和抗拉等剛度性能[6]，因此保險杠的力學特性研究一直是學者和企業技術人員關注的課題[7-10]，部分學者以汽車外飾件為研究對象，使用Altair軟件開發抗凹分析的自動化流程[11-12]。

本文基于BETA提供的二次開發接口，利用Python和VBS語言開發一套汽車保險杠抗壓分析的前、后處理流程自動化系統，實現從前處理創建載荷到后處理報告輸出的自動化，特別是后處理操作自動化程度極高，可大大提升分析效率，減輕工程師的工作量。

1 開發背景

傳統保險杠抗壓仿真分析流程見圖1。仿真工程師的工作主要集中在前、后處理部分，其中前處理的主要工作是創建載荷工況，后處理的工作包括提取計算結果數據和編制分析報告。

根據保險杠抗壓分析標準，保險杠抗壓試驗要求在整車狀態下使用直徑為40 mm的剛性圓柱壓頭，沿壓頭與保險杠蒙皮接觸面法線的方向施加規定大小的載荷，見圖2。

保險杠抗壓分析主要考察保險杠的薄弱區域，如格柵、大燈、輪罩襯套、腹板、霧燈外殼等周邊區域。保險杠結構造型復雜，腹面遍布復雜的加強筋[13]，使CAE工程師確定加載范圍和加載節點的難度增大。保險杠抗壓分析規范中規定不同加載區域的考察標準不同，施加的載荷和結果的評價標準都不同，這也給工程師的載荷創建和結果診斷工作增加難度。除此之外，由于部分區域面積較大，考察點的數量往往達到數十個，大大增加分析工作量。保險杠抗壓分析前、后處理的工作量見表1。由此可知，單輪分析需耗費工程師約2 d時間。

保險杠抗壓分析要對不同加載點進行相同的重復性操作，為減少重復勞動、提升分析效率，有必要開發一款保險杠抗壓分析的前、后處理工具。

2 前處理自動化開發

2.1 程序開發思路

前處理程序架構見圖3。為解決不同區域的載荷大小不同的問題，實現加載全部自動化，開發前期創建載荷數據庫，匯總載荷大小和方向等信息。前處理程序的開發思路是在ANSA中運行Python程序，從載荷數據庫中讀取載荷信息，在加載點依次創建加載單元、法向坐標系、載荷工況和頭文件等，具體開發流程見圖4。

若選取的原點是自由節點，則先通過內置函數NearestNode獲取距原點最近的節點，然后以此節點為參照點，利用上述方法獲取法向矢量并創建法向坐標系。

2.2.4 計算節點在原點法向的投影

當在曲率較大的曲面（非平面）上加載時，為真實模擬壓頭與保險杠的接觸面，創建RBE3單元前需排除偏離原點法向距離較大的節點，因為這類節點實際不與壓頭直接接觸。節點在原點法向投影計算原理見圖6。對單元集elemset2的所有節點進行循環判斷，首先獲取節點i的坐標，計算其與原點的距離，然后計算其在原點法向的投影距離d。當d大于臨界值（默認為單元平均尺寸的1/5）時，節點i將被排除。

為方便后處理程序自動識別載荷相關信息，載荷工況采取固定格式命名：保險杠類型（前保/后保）_加載區域_加載點ID_局部坐標系ID。

2.3 前處理實施效果

前處理的操作界面見圖7。操作界面簡潔友好，用戶只需選擇保險杠類型（前保/后保）和對應加載區域，然后批量選擇加載點，即可自動完成載荷工況創建。以后保險杠的前處理為例，批量創建的載荷見圖8。應用自動化工具進行前處理操作，只需0.5 h即可完成載荷和頭文件的創建。

3 后處理自動化開發

3.1 程序開發思路

后處理程序開發的架構見圖9。首先，在META中運行Python程序，從數據庫中讀取結果目標值等關鍵信息;然后，從計算結果中逐一提取加載點的數值結果并進行診斷;最后，將數值結果和圖片輸出到本地文件夾。調用VBS程序讀取數值結果和圖片，自動寫入分析報告，并將結果錄入性能數據庫，形成性能知識庫。后處理程序開發流程見圖10。

3.2 后處理實施效果

自動后處理界面見圖11。界面操作簡單，用戶設置計算文件，點擊按鈕即可一鍵完成后處理并自動編制報告。以后保險杠為例，后處理效果見圖12。程序不僅可以實現數值結果提取、圖片輸出和分析報告生成等操作，還可以自動進行結果診斷，并用紅、黃、藍三色標識結果狀態。此外，程序還可以在模型中直接標識數值結果和結果狀態，使工程師對計算結果狀態一目了然，快速識別風險區域。運用自動化工具進行后保險杠后處理，整個過程不到5 min即可完成。

4 結束語

基于BETA的二次開發接口，開發汽車保險杠抗壓分析前、后處理程序，實現流程自動化。此程序集成ANSA、META和Office軟件，可自動創建RBE3單元、局部坐標系、載荷和工況，自動完成后處理和分析報告編制。

實際案例測試結果表明，使用自動化工具可以實現40 min內完成后保險杠的前、后處理工作的目標，與傳統人工操作相比，效率提高90%以上，從而將工程師從繁瑣的操作中解放出來，使其能夠將更多的精力投入到優化工作中。后處理程序不僅可以實現數值結果的自動診斷，還可以自動將數值結果寫入性能數據庫，實現數據的知識積累。運用該程序進行分析，不僅能保證分析精度，同時還可以將保險杠抗壓分析流程化、標準化，保證分析的一致性。

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（編輯 武曉英）