保险杠抗压分析流程自动化系统开发

沈辉 彭鸿 唐辉 管迪

摘要： 为提升汽车保险杠抗压分析效率、减少重复性劳动、实现仿真分析流程的自动化，利用Python和VBS语言开发一套前、后处理自动化程序。此程序可实现RBE3单元创建、局部坐标系创建、载荷创建、头文件创建、后处理、结果诊断和报告编制等过程的自动化。实际应用结果表明，与传统人工分析相比，该程序可使仿真分析效率大幅提高。通过自动化程序进行仿真，不仅可以保证保险杠抗压分析的精度，同时还可以实现分析的标准化、保证分析的一致性。

关键词： 保险杠; 仿真; 前处理; 后处理; 自动化

中图分类号： TP391.92;U463.326   文献标志码： 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软件主要包括前处理软件ANSA和后处理软件META，其中ANSA是公认的最快捷的CAE前处理软件之一，具有很多独创的技术特色，在汽车、航空、航天等领域应用越来越广泛。BETA是高度开放的CAE平台，提供基于Python的二次开发接口，方便用户根据自身需求开发定制化的自动化程序。[1-3]Python是一种面向对象的编程语言，语法简洁、第三方库非常丰富。[4]

汽车保险杠的作用是缓和和吸收外界冲击力，是车身前部和后部的防护装置。[5]汽车保险杠设计不仅要考虑缓冲吸能效果，还要考虑其自身下沉、抗压和抗拉等刚度性能[6]，因此保险杠的力学特性研究一直是学者和企业技术人员关注的课题[7-10]，部分学者以汽车外饰件为研究对象，使用Altair软件开发抗凹分析的自动化流程[11-12]。

本文基于BETA提供的二次开发接口，利用Python和VBS语言开发一套汽车保险杠抗压分析的前、后处理流程自动化系统，实现从前处理创建载荷到后处理报告输出的自动化，特别是后处理操作自动化程度极高，可大大提升分析效率，减轻工程师的工作量。

1 开发背景

传统保险杠抗压仿真分析流程见图1。仿真工程师的工作主要集中在前、后处理部分，其中前处理的主要工作是创建载荷工况，后处理的工作包括提取计算结果数据和编制分析报告。

根据保险杠抗压分析标准，保险杠抗压试验要求在整车状态下使用直径为40 mm的刚性圆柱压头，沿压头与保险杠蒙皮接触面法线的方向施加规定大小的载荷，见图2。

保险杠抗压分析主要考察保险杠的薄弱区域，如格栅、大灯、轮罩衬套、腹板、雾灯外壳等周边区域。保险杠结构造型复杂，腹面遍布复杂的加强筋[13]，使CAE工程师确定加载范围和加载节点的难度增大。保险杠抗压分析规范中规定不同加载区域的考察标准不同，施加的载荷和结果的评价标准都不同，这也给工程师的载荷创建和结果诊断工作增加难度。除此之外，由于部分区域面积较大，考察点的数量往往达到数十个，大大增加分析工作量。保险杠抗压分析前、后处理的工作量见表1。由此可知，单轮分析需耗费工程师约2 d时间。

保险杠抗压分析要对不同加载点进行相同的重复性操作，为减少重复劳动、提升分析效率，有必要开发一款保险杠抗压分析的前、后处理工具。

2 前处理自动化开发

2.1 程序开发思路

前處理程序架构见图3。为解决不同区域的载荷大小不同的问题，实现加载全部自动化，开发前期创建载荷数据库，汇总载荷大小和方向等信息。前处理程序的开发思路是在ANSA中运行Python程序，从载荷数据库中读取载荷信息，在加载点依次创建加载单元、法向坐标系、载荷工况和头文件等，具体开发流程见图4。

若选取的原点是自由节点，则先通过内置函数NearestNode获取距原点最近的节点，然后以此节点为参照点，利用上述方法获取法向矢量并创建法向坐标系。

2.2.4 计算节点在原点法向的投影

当在曲率较大的曲面（非平面）上加载时，为真实模拟压头与保险杠的接触面，创建RBE3单元前需排除偏离原点法向距离较大的节点，因为这类节点实际不与压头直接接触。节点在原点法向投影计算原理见图6。对单元集elemset2的所有节点进行循环判断，首先获取节点i的坐标，计算其与原点的距离，然后计算其在原点法向的投影距离d。当d大于临界值（默认为单元平均尺寸的1/5）时，节点i将被排除。

为方便后处理程序自动识别载荷相关信息，载荷工况采取固定格式命名：保险杠类型（前保/后保）_加载区域_加载点ID_局部坐标系ID。

2.3 前处理实施效果

前处理的操作界面见图7。操作界面简洁友好，用户只需选择保险杠类型（前保/后保）和对应加载区域，然后批量选择加载点，即可自动完成载荷工况创建。以后保险杠的前处理为例，批量创建的载荷见图8。应用自动化工具进行前处理操作，只需0.5 h即可完成载荷和头文件的创建。

3 后处理自动化开发

3.1 程序开发思路

后处理程序开发的架构见图9。首先，在META中运行Python程序，从数据库中读取结果目标值等关键信息;然后，从计算结果中逐一提取加载点的数值结果并进行诊断;最后，将数值结果和图片输出到本地文件夹。调用VBS程序读取数值结果和图片，自动写入分析报告，并将结果录入性能数据库，形成性能知识库。后处理程序开发流程见图10。

3.2 后处理实施效果

自动后处理界面见图11。界面操作简单，用户设置计算文件，点击按钮即可一键完成后处理并自动编制报告。以后保险杠为例，后处理效果见图12。程序不仅可以实现数值结果提取、图片输出和分析报告生成等操作，还可以自动进行结果诊断，并用红、黄、蓝三色标识结果状态。此外，程序还可以在模型中直接标识数值结果和结果状态，使工程师对计算结果状态一目了然，快速识别风险区域。运用自动化工具进行后保险杠后处理，整个过程不到5 min即可完成。

4 结束语

基于BETA的二次开发接口，开发汽车保险杠抗压分析前、后处理程序，实现流程自动化。此程序集成ANSA、META和Office软件，可自动创建RBE3单元、局部坐标系、载荷和工况，自动完成后处理和分析报告编制。

实际案例测试结果表明，使用自动化工具可以实现40 min内完成后保险杠的前、后处理工作的目标，与传统人工操作相比，效率提高90%以上，从而将工程师从繁琐的操作中解放出来，使其能够将更多的精力投入到优化工作中。后处理程序不仅可以实现数值结果的自动诊断，还可以自动将数值结果写入性能数据库，实现数据的知识积累。运用该程序进行分析，不仅能保证分析精度，同时还可以将保险杠抗压分析流程化、标准化，保证分析的一致性。

参考文献：

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（编辑 武晓英）