基于TCL编程的HyperMesh二次开发在抗凹分析中的应用

摘要：抗凹性是汽车外覆盖件性能的重要指标之一。传统抗凹分析方法存在考察点选取不准、操作复杂、参数无法固化与费时较长等缺点。本文基于TCL语言利用HyperMesh二次开发了抗凹分析自动化工具，使抗凹分析流程自动化、准确化。抗凹分析自动化工具能准确找到外板的薄弱点，固化了根据经验总结出的参数设置以保证精度，3分钟之内完成全部设置。
关键词：TCL编程 抗凹分析 二次开发 HyperMesh

1 概述

抗凹陷性能（简称抗凹性）是指车身外表零件抵抗外加负荷在其表面产生压痕的能力。轿车车身常见的表面缺陷（变形）有三种形式，即耳形塌陷、斜坡变形和张力松弛[1]，经常出现的位置如图1所示。这些缺陷隐患处主要是加工成型中相对难以控制的部位，也是外覆盖件抗凹陷分析与检查的重要位置。在经济型车辆的外覆盖件中，最容易出现的就是张力松弛缺陷，直观地表现为表面质地发软，其根本原因就是表面的设计刚度不足。

图1 外覆盖件抗凹陷性能

静态载荷作用过程中，覆盖件表面将表现三个明显的刚度响应阶段——弹性区、塑性平滑区与硬化区[2]。在从第一响应区向第二响应区过渡时，在特定情况下可能发生失稳现象——油罐效应现象，即表现为载荷突然变小而出现大的滑移。这种失稳现象的刚度变化曲线如图2所示。

图2 静力加载过程中多个刚度响应区段

在日常的使用中，例如洗车、受小石子打击等情况是不可避免的，因此设计中必须要求车身外覆盖件的表面能够承受一定的载荷（静态与动态载荷）而不发生大的变形。车身表面的抗凹陷特性也就需要满足以下条件：1）施加一定载荷时，不发生过大的变形，即表面抗凹陷刚度足够；2）卸载后残余变形小，具体表现为无明显的压痕。

抗凹性是用户选购新车的重要指标，抗凹性差导致车身外表掌压刚度和指压刚度低，影响用户感受，而且车身表面易在外力作用下产生压痕，影响外观且易损伤锈蚀。通过抗凹分析发现汽车外板薄弱点，校验其抗凹性能，给出优化建议和方案。

本文利用TCL语言基于HyperMesh进行二次开发抗凹分析自动化工具，使抗凹分析流程自动化、准确化。

2 传统抗凹性分析方法

抗凹分析的工作过程分为预分析和抗凹性分析两步，首先通过预分析筛选外表面的薄弱点作为考察点，然后进行抗凹分析，建立压头模型与接触关系，对考察点逐个校核。

传统抗凹分析方法一般采用均布压强或重力场法筛选考察点，通常不能准确找到最薄弱的点，如图3所示。需对主面、从面、接触对、载荷步进行几十步操作，设置接近二十多个参数，操作难以规范化，易出错，如图4所示。参数值的设置尚无统一规定，通常需对参数反复调整才能收敛，不同的参数值对计算结果有较大影响。需要2~3次试算，花费工时较长，每项分析需要4h~20h（不含求解计算时间）。存在考察点选取困难、操作复杂、正确性较低、费时较长等缺点。

图3 侧围考察点选取示意图

图4 抗凹分析参数设置示意图

3 HyperMesh二次开发工作目标

开发和应用外覆盖件抗凹性自动化分析工具，实现以下功能：1、提供选择考察点的有效方案，能够快速准确地筛选出车身外表面抗凹性薄弱的位置，作为抗凹性分析的考察点。2、固化参数设置，能够提供一套通用性好的分析参数数值，对于大多数情况均能保证计算收敛性和精度。3、自动完成各种操作和设置，能够根据简单的用户指令，在HyperMesh环境中自动实现预分析（用于薄弱点选择）和抗凹性分析所需的各种操作设置，生成可直接提交求解器计算的文件。

4 HyperMesh二次开发实施方案

对HyperMesh软件二次开发实现分析自动化，利用宏命令开发用户界面，利用TCL脚本语言编程实现功能。

预分析中采用单点加集中力法筛选薄弱点，在模型上选上百个点，每个点分别施加法向集中力建立载荷步进行线性扰动分析，根据线性扰动分析得到的法向位移结果确定薄弱点。

根据实际经验固化抗凹性分析参数设置，总结多个项目的抗凹性分析设置，反复调整各参数进行计算，测试其对收敛性和计算结果的影响。

在实际项目中应用、调试和验证，在实际项目中应用自动化工具，并与传统分析方法详细对比。根据使用者的反馈，修正bug，改进功能。

5 HyperMesh二次开发实施过程

二次开发实施过程分为方案制定、目标确定、开发调试、应用验证四个阶段。

方案制定首先确定技术路线，然后确定二次开发的主要功能，最后规划二次开发的工作流程。

目标确定需对各实际项目总结提炼，测试各种参数的影响，比对各种考察点选择方案与各种压头模型和加载方案。

开发调试需固化各项参数设置，完成界面和主程序的开发，与传统方法详细比对和修正BUG改进功能。

应用验证用于实际项目使用，验证实际功能和效果并根据使用者反馈进一步改进。

图5 二次开发工作流程规划

6 HyperMesh二次开发抗凹分析自动化工具

基于HyperMesh开发的抗凹分析自动化工具如图6所示。其中“Pre_Calc”按钮用于查找薄弱点，为每个试算点建立一个loadstep，施加法向集中力进行线性扰动分析。“Pre_UNDO”按钮自动删除Pre_Calc设置，仅剩余外边界约束与考察点处局部坐标系。“Head_12mm”按钮在考察点处进行抗凹分析所需的全部设置（12mm刚性压头），“Head_120mm”按钮在考察点处进行抗凹分析所需的全部设置（120mm刚性压头），能够根据板材料厚自动调整刚性压头初始位置，使刚性压头与板材的初始间隙为0，自动为刚性压头的参考点赋局部坐标系，.dat文件中的U3数值即为参考点沿外板法方向的位移值，无需进行坐标变化，实施的各项分析参数设置是基于多个实际项目经验的总结，对于绝大多数情况均能保证良好精度和收敛性。“Head_UNDO”按钮自动删除Head_12mm或Head_120mm的所建立的抗凹分析设置。

图6 抗凹分析自动化工具

7 结论

传统抗凹分析方法通常不能准确找到薄弱点，需进行几十步操作，设置接近二十个参数，易出错。参数设置难以统一，不同的参数对结果的精确性影响较大。通常需要2~3次试算，共需花费工时4h~20h （不计计算机求解时间）。

基于TCL编程的HyperMesh二次开发抗凹分析自动化工具能找到外板中的全部刚性较低的点，鼠标仅需点击数次即完成全部操作和设置，固化了根据经验总结出的参数设置，利于不同车型之间的抗凹分析结果对比。3分钟之内（不计计算机求解时间）即可完成全部设置。

HyperMesh二次开发抗凹分析自动化工具还具有简单易用、选点正确、规范操作、收敛性好、结果准确等特点，推广使用后每个项目可节省约500个工时。

8 参考文献
【1】Hodgins B., The Numerical Prediction of the Dent Resistance of Medium Scale Aluminum Structural Panel Assemblies. Waterloo, Ontario, Canada, 2001.
【2】New Dent Resistance Data. Dow metal Products News, December 1960.