面向抗凹性分析的CAE流程自動(dòng)化程序開發(fā)

廖鶯

面向抗凹性分析的CAE流程自動(dòng)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(shè)備有限公司，廣東 佛山 528311；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；）

文章將車身覆蓋件抗凹性的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、流程化。基于Hypermesh、Abaqus軟件和Python語(yǔ)言，開發(fā)了針對(duì)汽車車身覆蓋件的抗凹性分析的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)化，解決了抗凹收斂性問(wèn)題，并驗(yàn)證了自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)流程的操作性和有效性。

Abaqus；Python；抗凹性分析；流程自動(dòng)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如高強(qiáng)度薄鋼板、烘烤硬化薄鋼板等。其優(yōu)勢(shì)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(shí)抵抗凹陷撓曲或者局部凹陷變形，保持形狀的能力，是評(píng)價(jià)和反映覆蓋件表面質(zhì)量及使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與汽車板材材質(zhì)、覆蓋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和沖壓成形工藝等密切相關(guān)[2]。汽車覆蓋件足夠的剛度對(duì)汽車的整體性能有重要影響，以車門為例，從安全性影響來(lái)看，車門的抗凹剛度不足會(huì)影響車門的正常開關(guān)，導(dǎo)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(shí)，剛度不足導(dǎo)致變形量大，會(huì)影響到駕駛員和乘客的生存空間。從舒適性影響來(lái)看，剛度不足會(huì)導(dǎo)致車輛在行駛過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)及噪聲等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成漏風(fēng)保溫隔熱性能變差，或者滲水漏雨。由此可見(jiàn)很有必要對(duì)車身覆蓋件進(jìn)行抗凹性分析。

本文首先簡(jiǎn)單介紹了Python語(yǔ)言及基于Abaqus軟件二次開發(fā)的相關(guān)原理。然后將車身覆蓋件抗凹性分析標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、自動(dòng)化。針對(duì)車身覆蓋件抗凹性分析，對(duì)操作過(guò)程中繁瑣冗雜的部分與解決非線性問(wèn)題進(jìn)行研究，使用Abaqus二次開發(fā)腳本語(yǔ)言工具Python建立流程自動(dòng)化系統(tǒng)，來(lái)提高建模效率。一方面將現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題，工程人員無(wú)需再花費(fèi)時(shí)間調(diào)整模型及接觸設(shè)置來(lái)解決收斂問(wèn)題。最后以引擎蓋的抗凹性為例，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。對(duì)企業(yè)開發(fā)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 基于Abaqus的二次開發(fā)

1.1 Python語(yǔ)言介紹

Python語(yǔ)言是一種動(dòng)態(tài)解釋型編程語(yǔ)言，1989年由Guido van Rossum開發(fā)，并于1991年年初發(fā)表。Python語(yǔ)言功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)，非常適用于快速應(yīng)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(shè)計(jì)的復(fù)雜性。另外，它還具有可擴(kuò)展性。Python語(yǔ)言是在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上開發(fā)的，因此C語(yǔ)言可以擴(kuò)展Python語(yǔ)言，它可以為Python語(yǔ)言添加新的模塊、類等。達(dá)索公司的大型非線性有限元分析軟件ABAQUS就是基于Python語(yǔ)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(gè)程序[4]：（1）內(nèi)核（Kernel）；（2）GUI程序。內(nèi)核（Kernel）實(shí)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(jìn)行后處理，對(duì)話框中所有的設(shè)置都由ABAQUS/ CAE從內(nèi)部發(fā)出與之對(duì)應(yīng)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(duì)這些命令逐行解釋，同時(shí)建立模型分析。可以看出，Python直接與內(nèi)核進(jìn)行通信（communicate），與ABAQUS/CAE的圖形用戶界面（GUI）無(wú)關(guān)。

Python與ABAQUS/CAE的通信關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 Python與Abaqus/CAE的通信關(guān)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(guò)GUI和CLI傳送給ABAQUS/ CAE內(nèi)核。所有的命令都必須通過(guò)Python解釋器后才可以進(jìn)入到ABAQUS/CAE中執(zhí)行。進(jìn)入到ABA- QUS/CAE中的命令將轉(zhuǎn)化為INP文件，再經(jīng)過(guò)ABA- QUS/Standard和ABAQUS/Explicit求解器進(jìn)行分析，最后得到輸出數(shù)據(jù)庫(kù)。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(dòng)化設(shè)計(jì)與開發(fā)

根據(jù)企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)需要，CAE工程師的專業(yè)知識(shí)與工作經(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、流程化。本文詳細(xì)研究了開發(fā)針對(duì)車身覆蓋件抗凹性的CAE 流程自動(dòng)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(gè)CAE流程化系統(tǒng)，用于抗凹性問(wèn)題的分析。這要求系統(tǒng)不僅能對(duì)繁瑣的操作進(jìn)行簡(jiǎn)化，還具需有一定的通用性。

在實(shí)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(shí)間，每次抗凹分析，需要重復(fù)地進(jìn)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(yù)輸出力－位移曲線所需變量等工作。抗凹分析涉及到接觸非線性，Abaqus以處理非線性見(jiàn)長(zhǎng)，這是我們選擇Abaqus求解器的主要原因。但是Abaqus在求解過(guò)程中使用隱式算法，這個(gè)求解算法容易遇到迭代不收斂的問(wèn)題。如果模型比較大，計(jì)算的時(shí)間比較長(zhǎng)，每次還需花大量時(shí)間來(lái)調(diào)收斂問(wèn)題。所以，本文形成了標(biāo)準(zhǔn)Hypermesh建模與Python全自動(dòng)建模方法相結(jié)合的方法，省去大量建模與調(diào)收斂時(shí)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(dòng)化設(shè)計(jì)

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(guān)約束集及載荷集。然后導(dǎo)出模型到Abaqus，點(diǎn)擊file-run script，運(yùn)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(duì)，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(guān)于定義載荷、幅值曲線等問(wèn)題由于篇幅關(guān)系，這里就不一一列舉了。上面介紹了抗凹流程自動(dòng)化是如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。可以看出通過(guò)編制流程自動(dòng)化程序能夠提高分析效率，減少了人工參與出錯(cuò)率，降低了分析難度，剛?cè)腴T的CAE工程師都能進(jìn)行分析。

3 CAE抗凹流程自動(dòng)化實(shí)例

本文以引擎蓋的抗凹分析為例，驗(yàn)證抗凹流程自動(dòng)化系統(tǒng)。選用HyperMesh作為前處理器，Abaqus進(jìn)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(wèn)題，所需要的求解計(jì)算時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出線性分析，所以需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，在建立有限元模型的時(shí)候做了一下簡(jiǎn)化：

（1）對(duì)引擎蓋鈑金件采用殼單元?jiǎng)澐志W(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(jìn)行簡(jiǎn)化。

（3）引擎蓋外板材料采用彈塑性材料進(jìn)行模擬，根據(jù)外板的材料賦予相應(yīng)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。簡(jiǎn)化的模型如圖3所示，加載點(diǎn)的位置為圖3中的1、2、3、4點(diǎn)。

圖3 有限元模型及加載點(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)出到Abaqus，建立接觸對(duì)運(yùn)行流程自動(dòng)化程序，實(shí)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(guò)程中，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲或者材料應(yīng)力達(dá)到塑性區(qū)域時(shí)，會(huì)出現(xiàn)迭代逐步減少，迭代困難的現(xiàn)象。在自動(dòng)化流程中設(shè)置一些經(jīng)驗(yàn)值，能解決迭代不收斂的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)一次計(jì)算成功。

3.2 引擎蓋的分析結(jié)果后處理

圖4 點(diǎn)1最大載荷處的位移云圖

圖5 點(diǎn)2最大載荷處的位移云圖

圖6 點(diǎn)3最大載荷處的位移云圖

圖7 點(diǎn)4最大載荷處的位移云圖

圖4—圖7分別給出了點(diǎn)1—點(diǎn)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(shí)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(píng)估參數(shù)。關(guān)于檢驗(yàn)載荷與結(jié)果評(píng)價(jià)，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)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(guò)4 mm，且卸載后無(wú)可見(jiàn)塑性變形為合格。

表1 抗凹性能參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)表

加載點(diǎn)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(guò)對(duì)Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)，針對(duì)企業(yè)車身覆蓋件的抗凹問(wèn)題開發(fā)了CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)，解決了收斂性問(wèn)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(cuò)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(yù)變形的靜態(tài)抗凹性模擬分析[J].塑性工程學(xué)報(bào),2001(02):23-25.

[3] 方國(guó)強(qiáng).汽車車身[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4] 曹金鳳,王旭春,孔亮. Python語(yǔ)言在Abaqus中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)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(jí)工程師，碩士研究生，就職于廣東美的制冷設(shè)備有限公司。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11772070，11372055）資助項(xiàng)目。