王鵬 楊建森 武振江 曹建 吳楊

摘要：接頭是白車身框架結(jié)構(gòu)的重要組成部分，接頭剛度分析作為乘用車剛度性能開發(fā)中必不可少的分析項目，通常在創(chuàng)建局部坐標(biāo)系、施加邊界條件、創(chuàng)建載荷步以及設(shè)置求解控制參數(shù)方面進(jìn)行大量的重復(fù)工作。為減少重復(fù)性勞動，本文以接頭基礎(chǔ)網(wǎng)格模型為輸入，利用Hypermesh二次開發(fā)功能，采用Tcl/Tk語言編寫了接頭剛度分析過程中局部坐標(biāo)系創(chuàng)建、載荷施加、載荷步創(chuàng)建以及求解控制參數(shù)設(shè)置的自動化程序，可大幅提高分析效率，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

關(guān)鍵詞：接頭剛度;CAE;二次開發(fā);Tcl/Tk程序

中圖分類號：U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0030-07

王鵬

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士?，F(xiàn)就職于中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，任CAE分析工程師。主要研究方向：CAE仿真分析自動化。

1Hypermesh二次開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

Hypermesh界面和二次開發(fā)語言都為Tcl（ToolCommand Language），Tcll司Perl、JavaScript、Born、Korn一樣，是一種腳本語言，具有語法簡單、無需編譯、不依賴平臺等特點。Hypermesh基于Tel提供了4類二次開發(fā)命令：TelGUI Commands、Tcl Modify Commands、Tcl QueryCommands、Utility Menu Commands。其中第一類和第三類命令以“hm_”開頭，分別進(jìn)行界面控制和提取模型信息，第二類和第四類命令以“*”開頭，分別進(jìn)行執(zhí)行操作和按鈕等控制。

Hypermesh啟動后，所有的操作命令都保存在工作目錄下的eommand.cmf本文件中。在command.cmfSC件中提取相應(yīng)操作的宏命令，即可作為一段可執(zhí)行的Tcl Mod曲Commands。此外，通過Tcl Query Commands提取的模型信息可用于為Tcl程序中的變量進(jìn)行賦值。

當(dāng)一段Tel程序完成后，可使用第4類二次開發(fā)命令Utility Menu Commands，在Hypermesh Utility→User界面添加按鈕，并將所建立的按鈕與完成的二次開發(fā)程序關(guān)聯(lián)起來。通過在Hypermesh工作目錄創(chuàng)建Userpage.mac文件實現(xiàn)按鈕添加和程序關(guān)聯(lián)，Hypermesh每次啟動時會在工作目錄搜索Userpage，mac文件并自動引用該文件。

2乘用車接頭剛度仿真分析過程

接頭是白車身三個或三個以上承載部件的連接部位，屬于車身縱梁、橫梁及立柱之間的過渡部位，是白車身框架的重要組成部分。乘用車不同車型的接頭數(shù)量不同，轎車由于只有A、B、C柱，一般有7個接頭，SUV相比轎車多了D柱和后三角窗，一般比轎車多4個，一共11個接頭（圖1A1-D3）。本文以某SUV車型為例進(jìn)行接頭剛度仿真分析的二次開發(fā)，所開發(fā)程序同樣適用于轎車接頭仿真分析過程。

因接頭數(shù)量多，且都處于車身關(guān)鍵部位，對車身整體剛度有著非常重要的影響，因此接頭剛度分析屬于車身剛度開發(fā)性能中必不可少的一環(huán)。一般在白車身有限元網(wǎng)格基礎(chǔ)上截取接頭模型，以接頭各延伸方向的交點為中心，向各延伸方向截取300mm的分支，并要求截取截面垂直與各分支延伸方向。進(jìn)一步，以各截面上的節(jié)點為從節(jié)點，各截面形心為主節(jié)點建立RBE2單元。

接頭剛度仿真分析過程中，由于接頭截面垂直于各分支延伸方向，載荷必須沿局部坐標(biāo)系施加。又由于車身整體剛度的研究基于整體坐標(biāo)系（整車坐標(biāo)系）展開，因此接頭局部坐標(biāo)系的創(chuàng)建應(yīng)該一定程度上依賴整體坐標(biāo)系。本文沿接頭各截面法向創(chuàng)建局部坐標(biāo)系z軸，進(jìn)一步基于整體坐標(biāo)系基本面（整體坐標(biāo)系兩個軸組成的平面：本文指XZ平面或者YZ平面）確定局部坐標(biāo)系的Y軸，最后應(yīng)用右手螺旋法則確定局部坐標(biāo)系x軸。

計算某個接頭分支的剛度時，在其中一個分支分別沿局部坐標(biāo)系x、Y、z三個方向施加1000N、1000N、1000N.m，作為三個獨立工況。約束其他分支RBE2主節(jié)點6個方向自由度。三分支接頭共計9個工況，四分支接頭共計12個工況。

以本文SUV為例，共11個接頭，其中三分支接頭6個，四分支接頭5個，共計38個接頭分支。需反復(fù)創(chuàng)建局部坐標(biāo)系38次，約束、加載共152次，載荷步設(shè)置114次，控制參數(shù)設(shè)置38次，造成大量重復(fù)性勞動。

3接頭剛度分析自動化程序

3.1局部坐標(biāo)系自動創(chuàng)建

為了給每個接頭的所有分支批量創(chuàng)建坐標(biāo)系，使用Tcl過程控制語句Foreach對每個分支進(jìn)行循環(huán)。Hypermesh創(chuàng)建局部坐標(biāo)系需要確定三個參考點，第一個為初始點，一般也是坐標(biāo)系原點，本文的初始點為截面ERBE2單元的主節(jié)點。通過初始點指向第二個參考點可以確定第一根坐標(biāo)軸。本文第二個參考點為初始點沿分支截面法向偏移后的點，程序執(zhí)行時會沿著法向兩側(cè)分別偏移一個點，然后自動選擇指向模型內(nèi)部的點。部分具體實施腳本如下：

通過初始點、第二個參考點、第三個參考點可以確定局部坐標(biāo)系的一個基本面（局部坐標(biāo)系任意兩個軸確定的平面，文中為YZ平面），本文通過程序自動創(chuàng)建參考平面（如圖7所示，過該分支截面RBE2單元主節(jié)點，與整體坐標(biāo)系基本YZ平面平行的面），應(yīng)用Tcl過程控制語句Foreach對截面上的從節(jié)點進(jìn)行循環(huán)，以B2接頭上分支截面為例，分別計算各從節(jié)點到參考平面的距離，并獲取距離最近的節(jié)點作為第三參考點。進(jìn)一步根據(jù)三個參考點創(chuàng)建局部坐標(biāo)系。部分具體實施腳本如下：

3.2邊界條件、載荷步自動創(chuàng)建

為自動創(chuàng)建接頭剛度分析所有約束、載荷及載荷步，使用Tcl過程控制語句ForeachXff每個分支進(jìn)行循環(huán)。以B2接頭為例，共四個分支，需建立4個約束集（分別包含某三個分支截面RBE2單元主節(jié)點的6個方向自由度全約束），12個載荷集（分別包含某分支局部坐標(biāo)系下某一方向的載荷），共計16個Loadcollectors。進(jìn)一步，創(chuàng)建共計12個LoadSteps。部分具體實施腳本如下：

3.3計算控制參數(shù)自動設(shè)置

接頭剛度仿真分析過程中，必要的控制參數(shù)包括求解器參數(shù)、輸出參數(shù)等?？芍苯油ㄟ^錄制參數(shù)設(shè)置過程并從啟動目錄下的command.cmf文件中提取如下腳本實現(xiàn)。

4接頭剛度分析自動化過程

4.1自動化程序交互過程

程序交互可通過在Hypermesh Utility→User界面創(chuàng)建按鈕實現(xiàn)。啟動目錄下創(chuàng)建Userpage.mac文件，并寫入如下所示的腳本。同時將寫好的自動化腳本（JointLoadSpc.tcl）放入Hypermesh啟動目錄。

交互按鈕設(shè)置完成后，經(jīng)過圖12所示流程可自動完成坐標(biāo)系創(chuàng)建、邊界條件施加、載荷步創(chuàng)建及控制參數(shù)設(shè)置過程。1）點擊交互按鈕;2）選取所有分支截面的RBE2單元并點擊Procceed按鈕;3）自動運行程序;4）導(dǎo)出.BDF可計算文件。

4.2接頭B2分析結(jié)果

經(jīng)過程序自動處理后的模型可直接導(dǎo)出計算模型。如圖14所示為接頭B2經(jīng)程序自動處理后導(dǎo)出模型的計算結(jié)果。

4.3程序與常規(guī)方法效率對比

常規(guī)方法中，三分支接頭進(jìn)行計算前處理（創(chuàng)建坐標(biāo)系、約束、加載、載荷步、控制參數(shù)）大概需要12Min，四分支接頭進(jìn)行計算前處理大概需要16Min。應(yīng)用自動化程序，對于三分支接頭和四分支接頭，都可以在0.5Min以內(nèi)完成計算前處理。本文SUV共計四分支接頭5個，三分支接頭6個。采用常規(guī)方法處理完所有接頭需花費124Min，應(yīng)用程序只需5.5Min。相比于常規(guī)處理方法，效率可提升95.56%。

5結(jié)論

本文應(yīng)用Tel/Tk語言編寫了接頭剛度仿真分析的自動化腳本程序。可自動實現(xiàn)局部坐標(biāo)系創(chuàng)建、邊界條件施加、載荷步創(chuàng)建及控制參數(shù)設(shè)置。經(jīng)過程序處理的接頭模型可直接導(dǎo)出可執(zhí)行的計算文件?？纱蠓岣呓宇^剛度仿真計算的分析效率，減少人為因素導(dǎo)致的結(jié)果不一致性。