CAE碰撞安全前后处理自动化平台研究与应用

2023-10-23王辉汤小生吴泽勋闫高峰包国建郝庆全

环境技术 2023年8期

王辉，汤小生，吴泽勋，闫高峰，包国建，郝庆全

（重庆睿蓝汽车研究院有限公司，重庆 400707）

引言

近年来汽车行业竞争日益激烈[1]，汽车研发周期不断被压缩，CAE碰撞安全分析作为汽车研发前期重要环节，这就要求CAE碰撞安全分析效能需进一步提升。在整个CAE碰撞安全分析过程中，前后处理工作占据工程师90 %及以上工作量，且存在大量重复低效、繁琐易出错的工作，效能提升可从该项工作着手，通过开发自动化平台是提升该项工作效能的强有力方向之一。

目前关于CAE碰撞安全的程序自动化平台开发，行业中能查询到的论文期刊等资料较少，有相关行人保护的程序开发[2]可供参考。本文针对CAE碰撞安全分析前后处理相关工作，对模型架构、功能需求、程序平台架构做了深入研究。并基于Ansa&Meta商业软件，通过Python开源编程语言开发的自动化程序平台，可有效提高工作效能，以此进一步缩短汽车研发周期，提高汽车碰撞试验的可靠性，减少了碰撞试验次数和报废样车数量，利于保护环境。

1 模型架构与需求

1.1 模型标准化

如图1为模型标准化，模型文件由三级文件组成，主文件作为一级文件，整车文件、壁障文件和其他文件为二级文件，一级文件调用二级文件，每个二级文件又调用多个三级文件，各三级文件归属统一。各级文件命名统计、各级文件调用方式统一，均为INCLUDE调用方式。整车各子系统与Catia数据PSS分类编号保持一致，整车装配通过BOX装配代替传统刚性片装配。该模型标准化实现了模型文件的通用性，通过程序开发模型文件的替换、更新、调用将更为简单便捷。

图1 模型标准化

1.2 工作流程化

如图2所示为前处理工作详细流程，基于传统的CAE碰撞安全分析前处理工作进行了详细的流程化梳理。主流程依次为数据接收、网格划分、基础连接、子系统建模、整车建模、工况搭建、模型输出。各主流程项又包含各细分流程项，如基础连接又细分为焊点连接、缝焊连接、胶粘连接、螺栓连接、铰链连接及检查试算修正，通过程序开发可实现各连接类型一键自动连接，检查试算修正更为简单高效。

图2 前处理工作详细流程

如图3所示为后处理工作详细流程，基于传统的CAE碰撞安全分析后处理工作进行了详细的流程化梳理。主流程依次为结果读取、考察项读取、结果输出、报告撰写、结论输出，各主流程项又包含各细分流程项。通过程序开发可实现各流程及细分项自动化实现。

图3 后处理工作详细流程

1.3 模块规划

如图4所示为模块规划，主要针对CAE碰撞安全分析前后处理工作中的痛点问题，程序开发相关模块规划包括前处理10大模块，后处理3大模块。

图4 模块规划

2 程序平台架构

2.1 基础程序

如图5所示为基础程序，前处理主要用到Ansa可调用模块及python[3]；后处理主要用到Meta的Meta User Toolbars、Meta可调用模块、Meta宏语言及python。每一个程序模块均包含多项细分子模块，开发具体功能时根据模块需求进行调用及程序代码编写。

图5 基础程序

2.2 打包集成

本文所开发的CAE碰撞安全前后处理自动化平台作为独立的程序包，可实现一键安装在任意位置。通过python编写相对路径变量，可实现根据用户意愿安装在任一路径下；通过python编写安装程序，实现程序包一键自动安装。安装程序自动实现程序包与Ansa&Meta的关联设置。打包集成主要通过python下的os、shutil、tkinter等模块实现。

2.3 交互设计

本文所开发的CAE碰撞安全前后处理自动化平台是根据交互难易程度进行不同交互设计的，包括无需交互、简单交互、复杂交互三种情况。无需交互情况下程序一键完成具体功能。简单交互情况下点击程序按键进行简单交互操作然后点击确认即可完成具体功能。对于复杂交互情况下，程序需设计详细的交互界面，交互时用户点击交互界面的交换按键进行交互。此外交互按键及功能程序按键均提供快捷文字提示，鼠标放置在按键区域即会显示关于该键的功能、操作步骤及注意事项的文字提示。通过ansa软件session模块defbutton函数tip变量、guitk模块BCAddToolTip函数tip变量设置可实现该快捷文字提示。

2.4 界面设计

如图6所示为前后处理复杂交互情况下的界面设计，包括前处理和后处理。界面设计应遵循一些基本原则，使得所设计的界面使用时简单高效不易出错[4]。前处理界面提示区域主要通过图片达到具体功能、操作步骤及注意事项等相关提示说明作用，且可储存多张图片，通过点击图片自动切换下一张；输入区域主要功能为初始基础数据的导入；交互区域主要实现交互数据储存显示等功能；执行区域主要实现具体的功能。后处理界面结果读取区域实现基础结果读取；ID输入区域实现用于考察项读取的零部件、单元、节点ID变量输入；ID查修区域可实现ID变量的查看、修正及保存；统计结果输出区域实现考察项结果读取、特征值获取、填写保存及输出。前处理界面设计主要通过Ansa可调用模块的Guitk子模块进行开发，后处理界面设计主要通过Meta User Toolbars模块进行开发。

图6 前后处理复杂交互界面设计

2.5 开发架构

如图7所示为开发者架构逻辑，打包程序开发主要实现程序集成和用户的程序包安装。具体功能程序开发首先需要进行痛点问题收集实现功能需求收集，完成具体功能程序的开发后，需将程序集成，集成需根据程序模块规划进行集成，程序模块根据虚拟安全分析流程划分。

图7 开发者架构逻辑

如图8所示为前处理复杂交互数据储存调用原理，点击功能按键即出现该功能界面，界面的交互区域由多个交互按键及确认键组成。初始状态，数据库已储存初始数据，打开功能按键时界面显示内容就会调用数据库数据进行初始显示。当进行交互确认后，程序会将新的交互所得数据储存在数据库，同时更新交互显示区域内容，当点击执行键后，程序会调用数据库最新储存数据进行具体功能的自动实现。当关闭该功能界面再次打开该功能界面时，交互显示区域显示内容仍为数据库最新储存数据。

图8 前处理复杂交互数据储存调用原理

此外，后处理复杂交互情况下ID变量作为重要变量被调用。一般情况下模型标准化已规定了固定的传感器ID，该ID作为后处理考察项读取的依据，该ID在后处理程序中设置为默认的初始ID变量。一般情况下直接输入默认ID即可进行统计结果输出。特殊情况下，考察项对应的ID需要更改时，用户需要在ID查修区域通过交互在统计结果输出。当该更改过的ID后续可能被用到时，那用户最好在ID查修区域进行ID保存操作，下一次只需在ID输入区域输入保存的ID即可进行后续工作。

3 程序平台案例

根据以上提及的程序平台架构及实现方法，无需交互或简单交互情况下，可开发的功能包括自动化精细螺栓连接、自动化焊点热影响区失效模拟、自动化标准传感器开发等等，可提高工作效能的同时，也可有效的提高整车CAE碰撞模型的精度，从而保障结果的准确性。

如图9所示前后处理复杂交互界面案例，前处理以国标正碰为案例，用户在提示区域点击图片可获得该工况的帮助信息，输入区域导入初始模型，交互区域完成该工况需要的参数，最后通过执行区域即可在指定目录下自动生成该工况的计算模型。后处理以国标侧碰为案例，依次通过各区域操作即可在结果路径下自动生成考察项结果统计信息。基于该面板进行相关工作，交互极具友好和高效。

图9 前后处理复杂交互界面案例

如图10所示为CAE碰撞安全前后处理程序平台，用户通过Ansa软件的UserScriptButtons按键即可打开前处理辅助建模界面。后处理实现，用户通过Meta软件的User Toolbars按键即可打开后处理界面，包括辅助显示、辅助读取及工况快捷读取三大模块界面。基于该三大模块，可实现开发的功能基本涵盖所有CAE碰撞安全前后处理工作。