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汽車(chē)車(chē)橋 CAE 軟件設(shè)計(jì)及接口技術(shù)研究

2021-11-09 21:09:01·  來(lái)源：ATC汽車(chē)底盤(pán)  
　
來(lái)源:丁律輝，黃其柏，周明剛，宋朝，胡浩 （華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 ）隨著汽車(chē)制造技術(shù)與汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，汽車(chē)制造向規(guī)?；徒?jīng)濟(jì)化方向發(fā)展，越來(lái)越
來(lái)源:丁律輝，黃其柏，周明剛，宋朝，胡浩 （華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 ）

隨著汽車(chē)制造技術(shù)與汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，汽車(chē)制造向規(guī)?；徒?jīng)濟(jì)化方向發(fā)展，越來(lái)越多的車(chē)輛設(shè)計(jì)超越了現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，需要利用有限元直接計(jì)算的手段來(lái)評(píng)估車(chē)輛安全性。這類(lèi)計(jì)算有的選用國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的軟件，有的采用各汽車(chē)制造公司的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。MAC公司的系列軟件在我國(guó)汽車(chē)結(jié)構(gòu)計(jì)算中占據(jù)著非常廣泛的市場(chǎng)。然而，直接應(yīng)用這一類(lèi)通用有限元軟件分析車(chē)輛結(jié)構(gòu)需要較高的有限元技巧和較長(zhǎng)建模時(shí)間，這種方式不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)車(chē)輛設(shè)計(jì)制造的要求，也不具備處理突發(fā)事件的能力。

在采用有限元法研究某公司生產(chǎn)的車(chē)橋工程問(wèn)題時(shí)，對(duì)同一類(lèi)型不同幾何尺寸的車(chē)橋，需要采用不同的有限元模型，建模的工作量很大，考慮到車(chē)橋的類(lèi)型相對(duì)穩(wěn)定，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生重大改變，這樣建模與分析過(guò)程中有許多重復(fù)性的工作，耗費(fèi)大量寶貴的時(shí)間。

為解決這個(gè)問(wèn)題，采用Visual C++、PCL語(yǔ)言結(jié)合會(huì)話(huà)文件對(duì) MAC Patran 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)采用 UG 進(jìn)行參數(shù)化建模，使得開(kāi)發(fā)的功能模塊實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)建模與分析的參數(shù)化，且具有齊全的前、后處理功能。

Patran 與PCL 語(yǔ)言的功能特點(diǎn)

PCL中，系統(tǒng)默認(rèn)為 Patran. ses 01每次啟動(dòng)時(shí)版本編號(hào)自動(dòng)遞增。也可以將一段時(shí)間的操作記錄在某個(gè)指定的會(huì)話(huà)文件中。會(huì)話(huà)文件中記錄的操作可以通過(guò)回放的形式重做，里面也可以嵌入變量、函數(shù)定義等 PCL 程序段，會(huì)話(huà)文件的這個(gè)功能為開(kāi)發(fā) PCL 程序提供了方便，通過(guò)修改會(huì)話(huà)文件使建模過(guò)程程序化，工作效率能夠得到較大的提高。此外，日志文件db中會(huì)保存整個(gè)模型數(shù)據(jù)庫(kù)5P文件的建模過(guò)程，利用它也可以重建模型數(shù)據(jù)庫(kù)。
PCL 語(yǔ)言的語(yǔ)法類(lèi)似 C 語(yǔ)言，它提供一般高級(jí)語(yǔ)言所有的大部分?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型。PCL 命令語(yǔ)言是集成于MAC Patran 中的一個(gè)高級(jí)化、 模塊化結(jié)構(gòu)的全功能計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言和用戶(hù)自定義工具，可以讓用戶(hù)在 MSC Patran 軟件系統(tǒng)中集成自編開(kāi)發(fā)的分析程序或特定的圖形界面。
為了利用 MSC Patran的前后處理功能，MSC提供了一系列的 PCL 函數(shù)，用來(lái)從 MSC Patran 的數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)并生成計(jì)算時(shí)所需的數(shù)據(jù)輸入文件，以及將結(jié)果文件的數(shù)據(jù)寫(xiě)入 MSC Patran 的數(shù)據(jù)庫(kù)中，供MSC Patran 進(jìn)行前后處理。開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面的目的是為了將這些自編譯的函數(shù)集中起來(lái)，通過(guò)直觀(guān)的圖形界面進(jìn)行交互方便使用。
從功能上說(shuō)，PCL 語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)一般高級(jí)語(yǔ)言所能實(shí)現(xiàn)的大部分功能，同時(shí)它還提供與 ,Fortran 和 C 的訪(fǎng)問(wèn)接口；另一方面，也由于PCL語(yǔ)言與 MSC Patran 的緊密關(guān)系，應(yīng)用PCL語(yǔ)言作為 MSC Patran 的開(kāi)發(fā)工具是必然的選擇。應(yīng)用 PCL 可以開(kāi)發(fā)出界面漂亮、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序?，F(xiàn)在幾乎所有的分析仿真軟件都采用 PCL語(yǔ)言作為工具，建立了與Patran 的集成關(guān)系，有的也直接將 Patran 作為分析系統(tǒng)的前后處理器。

應(yīng)力計(jì)算分析

對(duì)車(chē)橋進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析以保證其有足夠的強(qiáng)度和剛度，不同工況計(jì)算應(yīng)力如下:




上述傳統(tǒng)算法，只能算出某一斷面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實(shí)情況。因此，它僅用于橋殼強(qiáng)度的演算，或用作與其他車(chē)型的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較，而不 能用于計(jì)算橋殼上某點(diǎn)（例如應(yīng)力集中點(diǎn)）的真實(shí)應(yīng)力值。使用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析，就可以得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與應(yīng)變的分布情況，同時(shí)利用開(kāi)發(fā)的軟件可實(shí)現(xiàn)模型的建立和后處理，對(duì)不同參數(shù)車(chē)橋可以通過(guò)軟件可以計(jì)算出其應(yīng)力分布情況。

二次開(kāi)發(fā)接口實(shí)現(xiàn)過(guò)程

對(duì)于某一類(lèi)型車(chē)橋，一個(gè)模型的建模過(guò)程可能都要用到幾千條PCL語(yǔ)句，如果整個(gè)建模過(guò)程都通過(guò)手工書(shū)寫(xiě)代碼形式進(jìn)行，是一項(xiàng)非常繁瑣費(fèi)力的工作容易出錯(cuò)。Patran 的建模過(guò)程 實(shí)際上是一組命令的執(zhí)行過(guò)程，會(huì)話(huà)文件中就保存了這些命令。因此，可以將PCL語(yǔ)言與會(huì)話(huà)文件結(jié)合起來(lái)。
為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，會(huì)話(huà)文件的編寫(xiě)采用 Patran 自動(dòng)生成和手工編寫(xiě)相結(jié)合的方式進(jìn)行。首先手工在 Patran 中建立模型，然后對(duì)保存下來(lái)的會(huì)話(huà)文件做必要的修改，在會(huì)話(huà)文件中增加變量聲明必要的數(shù)據(jù)用變量替換，通過(guò)調(diào)用會(huì)話(huà)文件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，解決了建模中的重復(fù)操作。下面以軟件中“網(wǎng)格劃分”功能按鈕對(duì)應(yīng)的部分源代碼為例說(shuō)明接口的實(shí)現(xiàn)方法和過(guò)程。
在采用通用軟件如 MSC .Patran 進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要確定網(wǎng)格類(lèi)型、大小劃分方法等一系列參數(shù)，使用過(guò)程中有許多技巧和經(jīng)驗(yàn)，一般需要在實(shí)際工程經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累。由于本軟件的針對(duì)性，很多工作由程序在后臺(tái)運(yùn)行在模型成功導(dǎo)入后，用戶(hù)只需要點(diǎn)擊“網(wǎng)格劃分”出現(xiàn)如圖 2 所示對(duì)話(huà)框并確定網(wǎng)格精度后單擊“開(kāi)始劃分網(wǎng)格”按鈕，系統(tǒng)將對(duì)導(dǎo)入的橋殼本體幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分創(chuàng)建有限元模型。


網(wǎng)格劃分的部分源代碼如下：


PCL 應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例

車(chē)橋總成由車(chē)橋主體、彈簧板、平衡架、軸端、法蘭盤(pán)和加強(qiáng)墊片等零件組成。其中車(chē)橋主體厚度、長(zhǎng)度、直徑以及加強(qiáng)墊片厚度、彈簧板中心距等參數(shù)根據(jù)工程實(shí)際情況需要進(jìn)行調(diào)整，而不同尺寸參數(shù)對(duì)應(yīng)的加載應(yīng)力情況不同，這種組合需要 建立有限元模型有數(shù)十種之多。
因此，參數(shù)變化后進(jìn)行工程分析時(shí)的建模工作量很大。針對(duì)該問(wèn)題，作者利用前面介紹的接口方法，開(kāi)發(fā)了車(chē)橋CAE分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下模塊組成：參數(shù)化建模并自動(dòng)生成幾何模型（在 UG 中完成）、車(chē)橋工 程分析、顯示分析結(jié)果等。
圖3是軟件主界面。在該界面下屏幕的上方是菜單欄和工具條，左面是所有車(chē)橋設(shè)計(jì)方案的樹(shù)形列表。在左邊的樹(shù)形列表中給出了方案的主要構(gòu)成，包括：方案名稱(chēng)、方案描述、設(shè)計(jì)原型和所用材料的名稱(chēng)。如果在樹(shù)形列表中選中一個(gè)設(shè)計(jì) 方案成為當(dāng)前方案，則當(dāng)前方案的名稱(chēng)會(huì)出現(xiàn)在屏幕左上角的窗口標(biāo)題欄中顯示。工具條是由最常使用的一些功能構(gòu)成，按照使用的頻率依次排列。


下面介紹該軟件在工程實(shí)際中對(duì)車(chē)橋進(jìn)行分析的過(guò)程和結(jié)果。使用本軟件進(jìn)行車(chē)橋分析的流程為：首先生成幾何模型，此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)用 UG進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，在界面上輸入相應(yīng)參數(shù)尺寸就可以生成需要的幾何模型，同時(shí)將模型轉(zhuǎn)換成 Patran可以識(shí)別的x-t文件格式保存；然后，導(dǎo)入建立的幾何模型、網(wǎng)格劃分、模型材料屬性的確定、幾何模型的約束和加載；最后對(duì)模型進(jìn)行分析生成結(jié)果視圖。
如選擇界面上的“網(wǎng)格劃分”可以彈出如圖 2 所示的對(duì)話(huà)框；選擇網(wǎng)格劃分中的“生成視圖”可以顯示建立的有限元模型。圖4是程序運(yùn)行后某車(chē)橋的有限元模型圖，圖5是對(duì)應(yīng)該幾何模型的應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，由程序根據(jù)參數(shù)建立起來(lái)的有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量比較好。
橋殼在實(shí)際載荷工況的作用下，總體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平不高，但在車(chē)橋的圓弧和軸端區(qū)域應(yīng)力大，應(yīng)力變形的分布規(guī)律合理，與工程實(shí)際中車(chē)橋發(fā)生斷裂的位置相吻合，找出了該類(lèi)型車(chē)橋的薄弱部位；在彈簧板處加了加強(qiáng)墊片后應(yīng)力情況得到較好的改善，這些對(duì)于實(shí)際工程改進(jìn)工作和優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了很好的指導(dǎo)作用。


結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用PCL語(yǔ)言結(jié)合Patran會(huì)話(huà)文件，可以實(shí)現(xiàn)VC++與Patran之間的無(wú)縫連接。利用這個(gè)接口實(shí)現(xiàn)的汽車(chē)車(chē)橋CAE軟件系統(tǒng)，一方面可以減少建模與分析過(guò)程中的重復(fù)勞動(dòng)，提高工作效率，另一方面，用戶(hù)有了更多的時(shí)間用于建模，可以更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)。同時(shí)，此軟件是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，可以在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，處理更多類(lèi)型的車(chē)橋。
 
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