機電產品的力學仿真分析二次開發

楊杰，張祥，王曉凱，張紅

（1.合肥同智機電控制技術有限公司，合肥 230088；2.安徽大學 物理學院，合肥 230601；3.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來，新能源汽車產業蓬勃發展，汽車上的電氣設備數量也越來越多，電源系統、配電系統等機電產品已經成為汽車不可或缺的一部分。車載的機電產品在汽車行駛過程中經歷振動工況，這對機電產品的結構安全性提出了更高的要求，因此在產品設計中引入了CAE軟件進行仿真分析，對結構強度進行驗證[1-2]。有限元仿真技術隨著計算機的發展得到了廣泛的應用，在產品設計階段能夠驗證設計、降低材料成本、減少返工、縮短研發周期，對于工業生產有著重大意義。在此基礎上，基于CAE軟件的二次開發對于工業生產也越來越重要[3-5]。

商用CAE軟件具有強大的計算能力和良好的通用性，能夠解決大部分的問題，而對于特定的CAE用戶和企業，制定適合自身的流程化CAE軟件包能夠提高仿真分析的效率，加速產品設計流程，提高仿真分析的準確性。但是CAE軟件包的定制不僅需要扎實的基礎知識和軟件開發技術，還需掌握一定的工業背景，無論是CAE軟件提供商或是CAE用戶都不合適。CAE軟件提供的二次開發接口是一種折中方案[6-7]。二次開發用于模型前處理能夠減少建模時間，方便進行重復建模；用于后處理時能夠快速提取數據、創建所需的可視化界面[8]；用于模型的封裝和調用時，能夠自動完成多目標的優化設計[9-10]。本文基于CAE軟件針對某一款機電產品的力學仿真分析前處理部分進行二次開發，以提高此類產品的仿真分析效率。

1 程序功能

本文圍繞力學仿真的模型前處理開展CAE軟件的二次開發，主要功能包括幾何清理、刪除圓弧、刪除孔、簡化零部件并創建材料屬性、切割實體、網格劃分等，并集成于軟件中，如圖1所示。

圖1 仿真分析前處理二次開發功能集成示意圖

本文以一款車載電源為分析對象，介紹本文二次開發的具體原理、功能和示例如下。

1）幾何清理。通過測量所有零部件的體積，將體積小于設定值的零部件自動刪除，同時還能指定刪除零部件，比如航插、按鈕等結構復雜但又不承受載荷的部件，使用效果如圖2所示。

圖2 幾何清理程序效果示意圖

2）簡化部件。基于部件最大尺寸和慣性矩等價的原則，將結構復雜且非承載作用的零部件簡化為規則的長方體，并根據實際質量賦予密度參數，使用效果如圖3所示。

圖3 部件簡化程序效果示意圖

3）刪除圓弧。實際生產中的折彎件會出現圓弧，這部分會增加仿真模型的單元數量，降低計算效率。通過二次開發可批量刪除多個部件的圓弧，效果如圖4所示。其原理是利用圓弧特征識別圓弧和關聯的曲面，然后直接刪除或者利用圓弧特征線和大小構造新的直角特征。

圖4 刪除圓弧程序效果示意圖

4）刪除圓孔。通過孔特征識別圓孔和關聯的曲面，批量刪除圓孔，并對剩下的面進行修補，最后重新通過面生成實體，該程序還可選擇要保留的圓孔，如主要承載的螺栓對應的圓孔。程序使用效果如圖5所示。

圖5 創建短軸、螺栓程序效果示意圖

5）創建短軸、螺栓。基于選定的孔特征或者圓弧的半徑大小及軸的方向和位置，創建同軸的短軸，用以模擬承載結構的螺栓等，考察其強度，使用效果如圖6所示。

圖6 刪除圓孔程序效果示意圖

6）實體分割與網格劃分。利用鈑金件或復雜實體的大面多次切割實體后，再設定網格的特征尺寸和厚度方向的網格層數，對實體進行六面體網格劃分，用以進行仿真計算。程序使用效果如圖7所示。

圖7 實體切割與網格劃分程序效果示意圖

通過對各個部件進行幾何操作和網格劃分，完成三維模型的處理，在施加邊界條件和載荷條件后，即可對模型開展計算。基于以上的描述，此二次開發程序可以加速此類產品的模型前處理過程，實現機電產品的快速化分析。

2 實例分析

利用上述基于CAE軟件的二次開發，開展一款機電產品分別在隨機振動和沖擊載荷下的仿真分析。該機電產品三維模型處理前和處理后的示意圖如圖8所示。

圖8 基于CAE軟件二次開發的機電產品模型處理前后示意圖

如圖9所示，隨機振動載荷參照GJB 150.16A—2009中的C.1圖譜規定的條件，施加于產品底部。

圖9 隨機振動載荷圖譜

基于材料失效的第四強度理論的Von Mises應力，以其均方根值考察3個軸向隨機振動載荷下的結構響應。隱藏機箱外殼后的結構應力分布云圖如圖10所示，具體數值如表1所示。

表1 隱藏機箱外殼后的結構振動載荷數值

圖10 隨機振動仿真分析應力云圖

沖擊載荷參照GJB 150.18A—2009中的運輸跌落工況，產品置于攜行箱中，于1.22 m高度跌落。不同面落地的仿真結果如圖11所示。

以上的仿真分析實例表明，針對一種類型產品的仿真軟件的二次開發能夠減少仿真分析前處理時間，快速完成此類產品的仿真分析。

3 結論

通用性較強的仿真分析軟件作為計算機輔助分析的主要工具，在工業領域得到了廣泛的使用。同時，對仿真軟件的二次開發能夠幫助企業定制適合自身產品的仿真分析流程，提高仿真分析效率。本文針對仿真分析中的前處理進行二次開發，對于結構復雜程度不高的產品，通過幾何清理、簡化部件、刪除圓弧、刪除圓孔、創建短軸、劃分網格等程序，能夠實現模型的快速前處理，建立標準化流程，提高仿真效率，進而縮短產品的研發周期。另一方面，產品中的結構件復雜多樣，目前的二次開發程序暫無法對所有結構模型進行自動前處理，個別結構需進行手動模型前處理，此二次開發程序仍有進一步完善的空間。