基于新工科背景下Hyperworks 教学实践与探索

洪腾蛟,丁凤娟,陈丰,张华,曾其良，张立勇

(1.安徽科技学院 机械工程学院，安徽凤阳 233100；2.Stamford International University Business Administration, Bangkok 10250, Thailand)

Hyperworks是安徽科技学院车辆工程专业的选修课，其主要教学内容包括Hypermesh前处理、Optistruct求解器及Hyperview后处理。在新工科背景下，基于“新工科”教学理念的影响，安徽科技学院机械工程学院针对车辆工程专业学生开展Hyperworks课程教学实践探索，以提高学生借助Hyperworks软件进行汽车CAE分析能力，从而解决汽车领域复杂工程问题，为社会培养综合应用型人才。Hyperworks课程实践性较强，通过Hyperworks课程实践能较好地帮助学生掌握汽车CAE分析方法，提升有限元分析能力。在课程学习过程中，大多数学生能够较好地掌握hyperworks软件中的命令（如quick edit，automesh，connectors等）的作用及使用方法，但在做有限元分析过程中不能将这些命令融会贯通。传统教学模式“老师讲，学生听、填鸭式教学等”忽略了实践教学对学生动手能力的培养和训练，导致学生解决汽车领域复杂工程问题的能力欠佳。因此，传统意义上的课程教学不符合“新工科”人才培养要求。

当代，随着人类可持续发展意识的增强和碳排放立法要求的提高，改变了传统制造业。节能、减排已成为现代汽车发展的重要趋势，汽车工业要求车身部件能够节约能耗降和减少汽车排放，汽车轻量化技术已被制造商所采用，用于控制设计和制造成本，实现减轻重量和提高汽车的燃油经济效益[1-3]。通过CAE技术对车身进行结构分析与优化设计，改善车身结构的成型工艺是实现汽车轻量化的主要途径。在新的教育形势下，基于Hyperworks的某MPV车门CAE分析的实践教学，不仅培养学生熟练掌握Hyperworks基本命令，而且培养学生掌握汽车CAE分析过程，使学生具备一定的工程项目基础，为今后的工作积累经验，大大提升学生的就业率，最终满足“新工科”培养要求。

车门是一个重要的车身部件，必须满足包括刚度、强度、固有频率、减重、低成本等多个设计要求。Hyperworks项目实践教学中以某MPV车门为研究对象，基于Hyperworks软件对车门进行刚度分析、模态分析和尺寸优化设计，为车门结构的改进和优化提供参考依据，同时培养学生运用Hyperworks软件进行汽车CAE分析的能力。

一、车门有限元模型

（一）车门三维结构

某MPV右前门三维结构如图1所示，在这里需要给学生讲解汽车车门“三明治”结构，包括车门外板、内板和加强板。安徽科技学院工程训练中心实验室有汽车车门，学生可以去现场进行拆装实训，从而了解汽车车门构造，比如安装孔的位置，加强板的位置和作用等等，以便于学生对车门进行CAE分析。

图1 车门三维结构图

（二）有限元模型的建立

将由CATIA V5R20建立的某MPV右前门三维结构模型文件另存为.igs格式，导入Hyperworks软件中，再利用前处理器Hyermesh模块并对右前门有限元模型进行几何清理、模型简化、孔处理、包边处理等操作。授课教师将车门有限元模型通过QQ、微信或者邮箱等方式发送给每位同学，这里要求学生熟练掌握Hyperworks中的操作命令，独立完成车门有限元分析，并将有限元分析过程和结果文件拷贝给授课教师。在Hyperworks实践教学过程中，授课教师要按照课程大纲和教学日历把汽车车门CAE分析用到的相关操作命令详细讲给学生听，并进行现场演练。通过正向反馈，教师对学生薄弱知识点，能够有针对性进行强化复习，学生对于不会使用的命令，应反复练习。

1.几何清理和模型简化

在划分网格前，利用H y p e r m e s h 模块中的Midsurface功能对车门所有薄板零件抽取中面。由于所抽取的中面质量较差，需使用几何清理工具进行清理，包括缝合曲面、删除重复面和冗余硬点及修复丢失或损坏面。几何清理完成后，对模型进行简化，简化一些复杂的几何特征并忽略对计算结果影响较小的几何细节，以提高计算精度及网格的质量。

2.孔的处理

对于车身部件的安装孔、定位孔、工艺孔，在孔的位置上添加垫圈，使得孔位置周围有一层单元，而且节点数尽量设置为偶数。授课教师要鼓励学生多动手、多尝试，比如孔的网格划分加垫圈和不加垫圈，对车门网格划分是否有影响。通过理论联系实践，不仅锻炼学生的软件操作熟练程度，而且能培养学生创新意识。

3.包边处理

车门模型中，外板存在包边工艺。如果采用Hypermesh中的自动划分网格方法，在厚度方向网格质量不能总满足单元质量要求。因此，包边常用的处理方法将外板包边边界投影到内板上，删除外板包边及外板包边在内板上的投影区域，利用2D-ruled命令生成包边网格，并将网格移动到新建包边部件层，包边的厚度是内外板厚度的两倍。

4.车门连接方式

车门部件大多采用焊接工艺连接的，文章中采用ACM模型模拟车门焊点。根据给定的焊点位置图，采用Hypermesh中Connectors-spot命令ACM（Shell gap）单元用来模拟焊点，焊核的直径为6 mm。焊接完成后，焊点周围的单元质量趋于恶化，需要重新检查单元质量并优化网格。此外，Hypermesh中提供多种方法模拟焊点，因此，授课教师需要鼓励学生使用不同的操作命令去模拟焊点，引导学生做人不拘一格，不墨守成规，多多尝试，条条大路通罗马。

为减小汽车行驶过程中产生的振动和噪音，车门外板、窗口加强板等两种金属板之间采用膨胀胶连接。研究中采用六面体实体单元模拟胶粘过程，使用共节点来连接两种金属板。采用Hypermesh中Connectorsarea-adhesives 命令根据给定的胶粘位置图创建相应的连接单元。此外，有限元模型中采用刚性单元RBE2和梁单元模拟螺栓连接。

5.设置车门部件的材料和属性（如表1、2）

表1 车门材料性能表

表2 车门部件主要性能参数

6.单元质量检查

某MPV右前门网格划分完成后，需检查QI单元质量。如果单元质量不佳，将会影响有限元求解精度，甚至导致有限元分析不收敛。因此，在建模过程中，根据表3所示的网格质量评价标准检查所有部件的单元质量，并调整不合格的质量元素，直至满足质量要求。引导学生在进行网格划分时，要勇于直面错误，不能害怕失败，每个细节都尽量做到完美，以满足网格质量评价标准。

表3 网格质量评价标准

根据上述标准，单元尺寸在5～15 mm之间，平均尺寸为10mm。网格划分采用混合模式，三角形单元的比例不大于5%。车门网格划分完成后，共有85 181个单元，其中三角形单元1 243个，占1.45%，满足需求。该有限元模型中有16个胶粘连接单元，粘胶连接采用六面体单元（PSOLID）模拟。经检验，车门部件单元质量符合技术要求。车门部件有限元模型如图2所示。

图2 车门有限元模型

二、车门模态分析

在自由约束条件下，利用Optistruct求解器对车门结构进行模态分析。在后处理模块Hyperview中观察车门各阶模态振型及其对应的固有频率。提取车门的前六阶非零频率值如表4所示，车门的前6阶振型如图3所示。

表4 车门前6 阶频率值

图3 车门前6 阶振型

第一阶振型是Y方向弯曲，最大变形发生在窗框上部的中间位置。第二阶模态是整体弯曲。门外板的中心部分具有较大的振动弯曲，并且最大变形也发生在门外板的中心部分。第三阶模态是车门内板局部模态，并且内板中部的振幅较大。第四阶模态是车门外板的局部模态，门外板中部的振幅较大。第五阶整体一阶扭转，最大变形发生在左上门。第六阶模态是弯扭组合，主要表现为车门内板的扭转振动和车门外板的弯曲振动。最大的变形发生在门内板的中间位置。车门的一阶频率超过38 Hz，一阶弯曲频率与一阶扭转频率之差大于3 Hz，因此不会产生耦合，车门结构满足要求。

三、车门结构静态刚度分析

为了保证车内乘客的安全和汽车的使用寿命，车门的结构必须满足一定的刚度要求。车门的静态刚度是指门在静态载荷作用下抵御变形的能力。根据车门所承受的静态载荷，车门的静刚度可分为下垂刚度和扭转刚度。

（一）车门下垂刚度分析

车门下垂工况主要是分析车门在打开状态下的垂向响应。由于车门在使用过程中经常打开，因此车门经常处于悬挂状态。对车门下垂刚度分析有助于控制间隙和防止铰链疲劳失效。约束条件：在车门铰链处约束df1～df66个自由度，锁芯处约束Y向平动自由度；加载条件：锁芯处施加800 N的Z向节点力。在设置了约束条件和载荷条件后，使用Optistruct进行分析，得到下垂工况下的车门位移云图，如图4所示。

图4 车门下垂工况下位移云图

（二）车门扭转刚度分析

若车门的抗扭能力不足，车门构件将会产生较大的扭转变形，长此以往将会导致构件开裂失效。其次，它会导致车门密封性急剧下降及振动异常等现象。因此，车门的扭转刚度分析指标分别为上部扭转刚度和下部扭转刚度。每个扭转刚度的位移在上端和下端有两个值，两端的位移值都要满足要求。上扭工况，条件约束：车门铰链处约束df1～df66个自由度，锁芯处约束df1～df33个自由度；载荷条件：在窗口下方50 mm处施加Y方向900 N节点力；下扭转条件约束：门铰处df1～df66个自由度，锁芯处df1～df33个自由度；载荷条件：在车门下边缘上方50 mm处施加Y方向900 N的节点力；在设置好约束和加载条件后，利用Optistruct求解器分析车门在上扭工况和下扭工况下的扭转变形，车门刚度分析结果如表5所示，位移云图分别如图5和图6所示。

表5 车门刚度分析结果

图5 车门上扭工况下位移云图

图6 车门下扭工况下位移云图

四、车门尺寸优化

本文采用尺寸优化方法对车门的局部结构进行优化，其主要目标是寻找最优的车门厚度。优化对象：车门左内板；优化目标：质量最小；约束条件：下垂工况下，作用点的位移小于4 mm；上扭工况下，上端位移小于8 mm，下端位移小于2 mm；下扭工况下，上端位移小于4 mm，下端位移小于2 mm。

根据上述目标函数和约束条件，对车门内板进行了尺寸优化分析。最后得到车门左内板的最佳厚度为1mm。优化结果如图7所示。尺寸优化后的车门刚度分析结果如表6所示，各工况下的位移云图如图8所示。

表6 优化后某MPV 车门刚度分析结果

图7 车门左内板尺寸优化

图8 尺寸优化后车门刚度分析位移云图

五、结论

Hyperworks课程是车辆工程相关专业的选修课程，对于学生使用计算机进行汽车CAE分析的培养至关重要。研究中以某MPV右前门为例，运用Hyperworks软件，从自由模态、下垂刚度和扭转刚度等三个方面对车门进行了CAE分析，重点探究新工科背景下Hyperworks课程实践教学，注重工程项目实践，旨在激发学生自主学习意识，培养应用型综合人才，最终满足“新工科”要求的学生素质培养。