基于HyperForm的车身结构一体化仿真分析 - 文章

基于HyperForm的车身结构一体化仿真分析

作者：刘斌张雨

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1 概要

随着计算机技术的广泛应用和快速发展，CAE 仿真分析已成为支持工程师进行创新研究和创新设计最重要的工具和手段。在汽车领域，其研究对象已涵盖了车身、动力和底盘三大系统，研究内容包含了结构分析、工艺分析、动力学分析、内外流场分析和安全分析等多个方面。对于车身结构分析而言，应用 CAE 技术已经能得到包括刚度、强度、模态以及疲劳寿命等参数。

但目前在车身钣金件的结构分析中往往使用名义厚度进行分析，未考虑冲压成形引起的厚度、应变等变化，这与实际情况严重不符。本文使用 Altair HyperForm 8.0 的强大冲压成形分析和结果映射功能，将冲压成形造成的厚度变化引入到结构分析中来，改善 CAE 仿真精度。

为了更直观的研究冲压成形结果对结构分析的影响，我们需要对同一个部件进行两种 CAE 分析，一种是不考虑成形结果的结构分析，为了便于说明，将其称为传统分析方法；另一种是考虑了成形结果的结构分析方法，将其称为一体化分析法。具体而言就是按照图 1 所示的流程，使用 HyperMesh 建立两个同样的结构分析模型，之后使用 HyperForm对选定部件中的冲压件进行成形分析，并使用 Result-Mapper 将成形结果映射到一个结构分析模型中，最后采用一致的边界条件对两个结构模型进行加载，并对比仿真结果得出最终结论。

图1 一体化的仿真分析流程

这里需要说明一点，就是在选取分析部件时，除了要考虑满足结构仿真要求以外，其组成中还要有数量占优的冲压成形件，以便更好的反映一体化分析法带来的变化。为此，我们选择某轿车发动机罩总成作为分析部件，并对其核心部件--发动机机罩内板和外板--进行成形分析。下面将按照图 1 流程，详细介绍车身结构一体化仿真方法。

2 成形分析模型建立

HyperForm 作为一款专业的板金冲压成形仿真软件，提供了一步法、增量法和模面设计等三大主流成形仿真工具，限于篇幅的限制和减少求解时间的目的，本文仅选用了一步法作为成形仿真方法，但该方法对于增量法的结果同样有效。

此前还需要使用模面设计功能，将零件体补充为成形仿真工件，主要流程见图 2 所示。按照各个步骤的相互关系，将整个流程分成了三大环节，即：模型准备，成形准备和求解计算。

图2 一步法成形分析流程

下面以发动机罩内板为例，介绍每一环节的具体内容。

2.1 模型准备环节

本环节的主要目的就是对导入的零件几何进行清理，并使用模面设计将零件体补充为成形分析需要的工件。

模型导入后需要先后使用合并工具，将自由边、共享面加以处理，之后使用"pinholes"和"surface crate"功能将零件中的孔洞补齐并光顺局部边界，在划分网格前，还需要使用"suppress"功能将几何中非特征处--曲率变化不大的位置--加以压缩，以便获得质量更好的网格，如图 3 所示。

图3 依次为：模型导入、几何清理、孔洞填补

在网格创建上，推荐使用"Auotmesh\surface deviation"功能。图 4 中的网格分别是使用常规方法和"surface deviation"功能划分的，从右图可以看出在曲率变化较大的圆角和拐角处，网格单元较密集，而在其它比较平坦的位置网格形状与正常划分一致。这种做法的好处是显而易见的，曲率变化很大的位置正是成形中最容易出问题的位置，在这些地方使用细小单元能较好的模拟出弯角等形状，便于分析计算；另一方面，在曲率变化不明显的位置使用较大单元，可以大大减少单元数量，从而缩短了仿真时间。在使用该功能时，注意参数设置，"min element size"一般取0.5mm， "max element size"一般取 20mm 即可。最终得到四边形单元共计 168,639 个，三角形单元 15,872 个。

图4 网格划分方式对比

此后，还需要使用模面工程创建零件的压料面和工艺补充面。这里值得一提的是，HyperForm 将所有工作都按照流程顺序排列在宏菜单中，这既便于操作还兼具提醒的作用。对于发动机罩内板，先使用"Curved binder"功能创建曲面压料面，随后使用"Const S"创建工艺补充面，设置相应工艺补充面截面线参数 "pluslength","wallangle", "entry radius" , 得到的工艺补充面见图 5 所示。最终再次使用"surface deviation"功能划分新增部位几何，参考表 1 所示标准检查所有单元格并修改好网格，完成模型准备工作。

图5 工件的最终形式

2.2 成形准备环节

成形准备需要使用 HyperForm 的 1-step（一步法）来实现，按照其宏菜单的顺序，首先要对刚建立的模型进行冲压方向计算与定位(Autotip)；之后使用"undercut chk"通过负角检查方可进入下一步。

材料模型使用如下参数进行创建：发动机罩内板材料采用日本标准 MES为SPCP4-4P/4P：低碳钢板，厚度 0.55mm，杨氏模量 E=210000MPa，泊松比υ=0.3，硬化系数 K=549.03MPa，硬化指数 n=0.220；抗拉强度 Ts=270Mpa，屈服强度 Ys=155Mpa，延伸率δ%=47%；厚向异性指数 r=1.6，应力应变曲线：

由于事先已经建立好压料面，因此直接对其施加压边力即可，本文中施加 25T 力，将摩擦参数设置为 0.125。所有参数设置完成后，对于一体化分析方法最重要的一点就是要在"advanced"中将"Dyna/Nastran output"选中，因为只有这样才能输出包含厚度、应力、应变等信息的 Dyna.k 文件，后继的工作也是通过它实现的。

2.3 求解计算环节

鉴于 HyperForm 的 1-step 即一步法的求解算法已经比较完善，因此这里不必对成形仿真过程和求解过程做过多的介绍。图 6 所示是最终完成的发动机罩内板的仿真结果，即成形极限图（FLD），通过 FLD 图可以看出两个模型的成形结果较好，通过减薄率云图看出最大减薄率均控制在 30%以内，仿真结果可以接受。

图6

3 结构分析模型建立

本节需要使用 HyperMesh 建立发动机罩总成的结构分析模型。发动机罩总成中除了刚才提到的发动机罩内、外板外，还包括加强板，铰链和锁环等；各种部件之间还通过不同方式进行连接：发动机罩内、外板是通过周围包边，中间涂胶的形式连接；发动机罩加强板与内板是通过焊接形式连接；发动机罩铰链与发动机罩内板是通过螺栓形式连接。

借助 HyperMesh 的强大功能，使用壳单元模拟发动机罩内板、外板和加强板，建立的单元总计为 16,473 个，节点总计 17,029 个。铰链和锁环的建模需要使用体单元，单元总计 970 个，节点总计 6,459 个。连接方式需要使用一些等效单元来实现：内、外板的包边是为了将二者刚性连接到一起，因此直接使用 RBE2 单元将二者周圈加以连接即可；涂胶方式需要借用具有胶黏剂材料特性的六面体单元来实现；其他焊接和螺栓连接就用 cweld和 bolt 方式来模拟即可。最终建立的发动机罩总成结构分析模型如图 7 所示。

图7 发动机罩几何模型

4 成形结果映射与调用

众所周知，同一模型的成形分析网格与结构分析网格是不同的，因此，不可能把成形分析的结果直接应用到结构分析中，采用 HyperForm 8.0?中的 Result-Mapper 模块实现成形结果调用和映射。

该模块的主要功能就是通过节点映射的方式，以选中基点为中心，使用插值算法，自动搜寻对应区域的单元和节点，建立成形网格与结构网格之间的对应关系，并将成形网格节点信息赋给结构网格。其主要过程总共分为五步，即：结构分析模型导入，结构分析模型定位，成形分析模型导入，成形分析模型定位及输出参量选择，选择输出文件格式。所有过程中最重要的就是模型定位，所谓模型定位主要有两个方面，一是映射方向选择，再就是基点选取。

由于成形分析模型与结构分析模型的不对等性，想要在两个模型的同一位置找到 4 个空间坐标一致的节点（注：3 个点用来定义方向，另 1 个作为基点）的确很难。为此，需要在两种网格划分时有意的留几个对应网格，具体的说就是在容易识别部位（中轴线、边界线）选择一个特征点，其在两种网格上都存在且易于识别，其后在一个比较平坦的面上选 3 个对应节点确定方向矢量即可。映射结果如图 8 所示。

结果映射之后，还有一个重要的工作，就是将映射后得到的 Nastran 的 dat 文件导入到上一节建好的结构分析模型中，以得到包含厚度信息的一体化分析模型。由于结果映射时使用的结构分析模型与需要导入厚度信息的结构分析模型是同一个模型，因此只需要在 import时选中"FE Overwrite" 即可。成功将模型导入后，需要将原模型赋予内、外板的厚度信息去掉，这才完成了成形结果的调用。

5 两种仿真结果对比

建立完一体化分析模型后，需要对其和原始结构分析模型进行加载。由于本题仅调用了成形中的厚度结果，因此仅对其进行刚度分析即可。边界条件如下：侧向刚度工况：在发罩铰链处施加全约束(1,2,3,4,5,6)，在发罩锁环处施加部分约束(3)；并在发罩锁环处施加 Y 向力 100N，使用 Nastran 进行静态求解。扭转刚度工况：将发罩铰链全约束(1,2,3,4,5,6)，发罩左缓冲块为部分约束(3)，创建 GRAV 卡片，赋予重力加速度9810N/mm，使用 Nastran 进行静态求解。

两种模型的仿真结果如表 2 所示。通过表 2 我们可以清楚的看出，一体化分析法与传统分析法还是有一定差异的，无论质量还是刚度，二者都有不同。从直观来看，由于成形仿真主要表现在材料减薄方面，由此造成最终零件的质量下降，刚度也会随之下降。

此外，还选取了一体化分析模型中几个厚度变化最大的节点（表 3），分别对比了侧向刚度和扭转刚度工况下这些节点的应力值（图 9）。从图中我们不难看出，一体化分析得到的应力值较传统分析值要大，并且与厚度变化率有关，厚度变化越明显应力差异也越大。

6 结论及展望

基于 HyperForm 软件，将制造因素的影响引入产品设计性能分析中，建立了车身结构一体化分析流程，并对其计算结果与传统分析法进行了比较，从而证明该方法的可行性。上述方法仅考虑了成形仿真的厚度变化影响，而残余变形和应力等影响因素将是进一步研究重点，并且应用范畴将进一步拓展到疲劳性、安全性等与制造工艺更密切的性能方面。总之，本文仅对一体化仿真方法的应用作了一些尝试，更多的工作还有待进一步的研究和探索。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/14/2007)


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