面向抗凹性分析的CAE流程自动化程序开发

廖莺

面向抗凹性分析的CAE流程自动化程序开发

廖莺1,2,3

（1.比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳 518000；2.广东美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528311；3.长沙理工大学 工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室，湖南 长沙 410114；）

文章将车身覆盖件抗凹性的CAE分析标准化、自动化、流程化。基于Hypermesh、Abaqus软件和Python语言，开发了针对汽车车身覆盖件的抗凹性分析的自动化标准流程，并以汽车引擎盖的抗凹性分析为例，深入研究了有限元分析流程自动化，解决了抗凹收敛性问题，并验证了自动化标准流程的操作性和有效性。

Abaqus；Python；抗凹性分析；流程自动化

前言

汽车轻量化使超薄冷轧薄钢板在汽车车身覆盖件制造领域应用广泛，如高强度薄钢板、烘烤硬化薄钢板等。其优势在于具有良好的冲压性能，而且表面质量较好，但是由于超薄，它的抗凹性能较低。抗凹性[1]是指覆盖件在承受一定外部载荷作用时抵抗凹陷挠曲或者局部凹陷变形，保持形状的能力，是评价和反映覆盖件表面质量及使用性能的一项重要指标，与汽车板材材质、覆盖件的结构设计和冲压成形工艺等密切相关[2]。汽车覆盖件足够的刚度对汽车的整体性能有重要影响，以车门为例，从安全性影响来看，车门的抗凹刚度不足会影响车门的正常开关，导致门下沉，从而使得车门锁、升降器等性能受到影响[3]。如果受到碰撞等大载荷时，刚度不足导致变形量大，会影响到驾驶员和乘客的生存空间。从舒适性影响来看，刚度不足会导致车辆在行驶过程中出现振动及噪声等问题，严重时会造成漏风保温隔热性能变差，或者渗水漏雨。由此可见很有必要对车身覆盖件进行抗凹性分析。

本文首先简单介绍了Python语言及基于Abaqus软件二次开发的相关原理。然后将车身覆盖件抗凹性分析标准化、流程化、自动化。针对车身覆盖件抗凹性分析，对操作过程中繁琐冗杂的部分与解决非线性问题进行研究，使用Abaqus二次开发脚本语言工具Python建立流程自动化系统，来提高建模效率。一方面将现有工程经验固化于流程系统，另一方面将分析工作流程化，尽量减少不必要的繁琐操作与人工操作的失误，提高 CAE工作的效率和精度。此外，还解决了由于几何非线性、材料非线性、接触非线性产生的收敛性问题，工程人员无需再花费时间调整模型及接触设置来解决收敛问题。最后以引擎盖的抗凹性为例，验证了系统的可行性。对企业开发工作具有一定的指导意义。

1 基于Abaqus的二次开发

1.1 Python语言介绍

Python语言是一种动态解释型编程语言，1989年由Guido van Rossum开发，并于1991年年初发表。Python语言功能强大、简单易学，非常适用于快速应用开发。支持面向对象编程，这使得它可以大大减低结构化程序设计的复杂性。另外，它还具有可扩展性。Python语言是在C语言的基础上开发的，因此C语言可以扩展Python语言，它可以为Python语言添加新的模块、类等。达索公司的大型非线性有限元分析软件ABAQUS就是基于Python语言开发的，比如ABAQUS的Part子模块、Property子模块等。

1.2 Python与Abaqus的通信

ABAQUS/CAE处理有两个程序[4]：（1）内核（Kernel）；（2）GUI程序。内核（Kernel）实质上是隐藏在Abaqus/CAE后面的大脑；GUI则是用户与内核的接口。在Abaqus/CAE中建模和进行后处理，对话框中所有的设置都由ABAQUS/ CAE从内部发出与之对应的命令（command）。这些命令都基于Python编写，首先将他们传送到ABAQUS/CAE的内核（Kernel），然后由内核对这些命令逐行解释，同时建立模型分析。可以看出，Python直接与内核进行通信（communicate），与ABAQUS/CAE的图形用户界面（GUI）无关。

Python与ABAQUS/CAE的通信关系见图1。

图1 Python与Abaqus/CAE的通信关系

从图中我们可以看到除了编写脚本外，Abaqus脚本接口命令还可以通过GUI和CLI传送给ABAQUS/ CAE内核。所有的命令都必须通过Python解释器后才可以进入到ABAQUS/CAE中执行。进入到ABA- QUS/CAE中的命令将转化为INP文件，再经过ABA- QUS/Standard和ABAQUS/Explicit求解器进行分析，最后得到输出数据库。本文主要采取图1中第三种通信方式。

2 车身覆盖件抗凹流程自动化设计与开发

根据企业设计研发需要，CAE工程师的专业知识与工作经验需要在流程中固化，以提高仿真分析的效率与正确率。这样就需要把CAE分析标准化、自动化、流程化。本文详细研究了开发针对车身覆盖件抗凹性的CAE 流程自动化系统。

2.1 抗凹性分析通用流程图

综合分析抗凹分析的一般流程，可开发一个CAE流程化系统，用于抗凹性问题的分析。这要求系统不仅能对繁琐的操作进行简化，还具需有一定的通用性。

在实际工作中，抗凹性分析的一般流程，如下图2所示。

在图2中我们可以看到在前处理中Abaqus操作占据工作的一部分时间，每次抗凹分析，需要重复地进行定义接触属性、建立分析步、载荷、边界条件、创建力的幅值曲线、预输出力－位移曲线所需变量等工作。抗凹分析涉及到接触非线性，Abaqus以处理非线性见长，这是我们选择Abaqus求解器的主要原因。但是Abaqus在求解过程中使用隐式算法，这个求解算法容易遇到迭代不收敛的问题。如果模型比较大，计算的时间比较长，每次还需花大量时间来调收敛问题。所以，本文形成了标准Hypermesh建模与Python全自动建模方法相结合的方法，省去大量建模与调收敛时间，只需一步就可以快效、高速地完成分析。

图2 覆盖件抗凹分析通用流程图

2.2 抗凹性分析流程自动化设计

首先，在Hypermesh中几何清理、划分网格、定义材料、属性，并建立相关约束集及载荷集。然后导出模型到Abaqus，点击file-run script，运行名字为Initialization的python脚本文件，即可完成抗凹分析的初始化建模，这包括所有的建立接触属性、分析步、载荷、边界条件、力的幅值曲线与加载、定义输出变量等。再定义接触对，最后提交分析作业。

在上述的流程操作中，定义接触属性的核心代码如下：

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)

定义边界条件的核心代码如下：

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)

关于定义载荷、幅值曲线等问题由于篇幅关系，这里就不一一列举了。上面介绍了抗凹流程自动化是如何设计实现的。可以看出通过编制流程自动化程序能够提高分析效率，减少了人工参与出错率，降低了分析难度，刚入门的CAE工程师都能进行分析。

3 CAE抗凹流程自动化实例

本文以引擎盖的抗凹分析为例，验证抗凹流程自动化系统。选用HyperMesh作为前处理器，Abaqus进行抗凹性数值模拟分析。

3.1 引擎盖的有限元建模

由于抗凹属于非线性问题，所需要的求解计算时间要远远超出线性分析，所以需要对模型进行简化处理，在建立有限元模型的时候做了一下简化：

（1）对引擎盖钣金件采用壳单元划分网格，单元基本尺寸控制在8 mm左右，单元翘曲小于10%，控制三角形所占的比例小于5%。

（2）包边的翻边部分进行简化。

（3）引擎盖外板材料采用弹塑性材料进行模拟，根据外板的材料赋予相应的应力－应变曲线。简化的模型如图3所示，加载点的位置为图3中的1、2、3、4点。

图3 有限元模型及加载点图

在Hypermesh中锁扣与铰链位置建立如图3所示的约束集合，外板在加载点位置放置直径为18 mm的刚性球，依次建立100 N垂直外板加载面向下的载荷集。将模型导出到Abaqus，建立接触对运行流程自动化程序，实现了一键建模。包括分析步的建立，加载幅值曲线的定义，载荷与边界的施加等等。在分析的过程中，发现结构发生屈曲或者材料应力达到塑性区域时，会出现迭代逐步减少，迭代困难的现象。在自动化流程中设置一些经验值，能解决迭代不收敛的问题，从而实现一次计算成功。

3.2 引擎盖的分析结果后处理

图4 点1最大载荷处的位移云图

图5 点2最大载荷处的位移云图

图6 点3最大载荷处的位移云图

图7 点4最大载荷处的位移云图

图4—图7分别给出了点1—点4在施加100 N的载荷，力从0逐渐线性增加到100 N，保持一段时间后再卸载后的最大变形图，云图中显示的单位为mm。

表1则给出了此前舱盖的抗凹性能评估参数。关于检验载荷与结果评价，目前国内没有统一标准。在实际分析中，结合各方面综合考虑，抗凹刚度要求为：在100 N载荷作用下的凹陷位移不超过4 mm，且卸载后无可见塑性变形为合格。

表1 抗凹性能参数评价指标表

加载点最大变形弹性变形塑性变形是否合格 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 结论

本文通过对Abaqus进行二次开发，针对企业车身覆盖件的抗凹问题开发了CAE流程自动化系统，解决了收敛性问题，降低了分析工作的难度。不仅大幅提高了工作效率，减低人工出错率，还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] 李东升,周贤宾,李雪峰,等.基于预变形的静态抗凹性模拟分析[J].塑性工程学报,2001(02):23-25.

[3] 方国强.汽车车身[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4] 曹金凤,王旭春,孔亮. Python语言在Abaqus中的应用[M].北京:机械工业出版社,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

廖莺，中级工程师，硕士研究生，就职于广东美的制冷设备有限公司。

国家自然科学基金项目（11772070，11372055）资助项目。