机电产品的力学仿真分析二次开发

杨杰，张祥，王晓凯，张红

（1.合肥同智机电控制技术有限公司，合肥 230088；2.安徽大学 物理学院，合肥 230601；3.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年来，新能源汽车产业蓬勃发展，汽车上的电气设备数量也越来越多，电源系统、配电系统等机电产品已经成为汽车不可或缺的一部分。车载的机电产品在汽车行驶过程中经历振动工况，这对机电产品的结构安全性提出了更高的要求，因此在产品设计中引入了CAE软件进行仿真分析，对结构强度进行验证[1-2]。有限元仿真技术随着计算机的发展得到了广泛的应用，在产品设计阶段能够验证设计、降低材料成本、减少返工、缩短研发周期，对于工业生产有着重大意义。在此基础上，基于CAE软件的二次开发对于工业生产也越来越重要[3-5]。

商用CAE软件具有强大的计算能力和良好的通用性，能够解决大部分的问题，而对于特定的CAE用户和企业，制定适合自身的流程化CAE软件包能够提高仿真分析的效率，加速产品设计流程，提高仿真分析的准确性。但是CAE软件包的定制不仅需要扎实的基础知识和软件开发技术，还需掌握一定的工业背景，无论是CAE软件提供商或是CAE用户都不合适。CAE软件提供的二次开发接口是一种折中方案[6-7]。二次开发用于模型前处理能够减少建模时间，方便进行重复建模；用于后处理时能够快速提取数据、创建所需的可视化界面[8]；用于模型的封装和调用时，能够自动完成多目标的优化设计[9-10]。本文基于CAE软件针对某一款机电产品的力学仿真分析前处理部分进行二次开发，以提高此类产品的仿真分析效率。

1 程序功能

本文围绕力学仿真的模型前处理开展CAE软件的二次开发，主要功能包括几何清理、删除圆弧、删除孔、简化零部件并创建材料属性、切割实体、网格划分等，并集成于软件中，如图1所示。

图1 仿真分析前处理二次开发功能集成示意图

本文以一款车载电源为分析对象，介绍本文二次开发的具体原理、功能和示例如下。

1）几何清理。通过测量所有零部件的体积，将体积小于设定值的零部件自动删除，同时还能指定删除零部件，比如航插、按钮等结构复杂但又不承受载荷的部件，使用效果如图2所示。

图2 几何清理程序效果示意图

2）简化部件。基于部件最大尺寸和惯性矩等价的原则，将结构复杂且非承载作用的零部件简化为规则的长方体，并根据实际质量赋予密度参数，使用效果如图3所示。

图3 部件简化程序效果示意图

3）删除圆弧。实际生产中的折弯件会出现圆弧，这部分会增加仿真模型的单元数量，降低计算效率。通过二次开发可批量删除多个部件的圆弧，效果如图4所示。其原理是利用圆弧特征识别圆弧和关联的曲面，然后直接删除或者利用圆弧特征线和大小构造新的直角特征。

图4 删除圆弧程序效果示意图

4）删除圆孔。通过孔特征识别圆孔和关联的曲面，批量删除圆孔，并对剩下的面进行修补，最后重新通过面生成实体，该程序还可选择要保留的圆孔，如主要承载的螺栓对应的圆孔。程序使用效果如图5所示。

图5 创建短轴、螺栓程序效果示意图

5）创建短轴、螺栓。基于选定的孔特征或者圆弧的半径大小及轴的方向和位置，创建同轴的短轴，用以模拟承载结构的螺栓等，考察其强度，使用效果如图6所示。

图6 删除圆孔程序效果示意图

6）实体分割与网格划分。利用钣金件或复杂实体的大面多次切割实体后，再设定网格的特征尺寸和厚度方向的网格层数，对实体进行六面体网格划分，用以进行仿真计算。程序使用效果如图7所示。

图7 实体切割与网格划分程序效果示意图

通过对各个部件进行几何操作和网格划分，完成三维模型的处理，在施加边界条件和载荷条件后，即可对模型开展计算。基于以上的描述，此二次开发程序可以加速此类产品的模型前处理过程，实现机电产品的快速化分析。

2 实例分析

利用上述基于CAE软件的二次开发，开展一款机电产品分别在随机振动和冲击载荷下的仿真分析。该机电产品三维模型处理前和处理后的示意图如图8所示。

图8 基于CAE软件二次开发的机电产品模型处理前后示意图

如图9所示，随机振动载荷参照GJB 150.16A—2009中的C.1图谱规定的条件，施加于产品底部。

图9 随机振动载荷图谱

基于材料失效的第四强度理论的Von Mises应力，以其均方根值考察3个轴向随机振动载荷下的结构响应。隐藏机箱外壳后的结构应力分布云图如图10所示，具体数值如表1所示。

表1 隐藏机箱外壳后的结构振动载荷数值

图10 随机振动仿真分析应力云图

冲击载荷参照GJB 150.18A—2009中的运输跌落工况，产品置于携行箱中，于1.22 m高度跌落。不同面落地的仿真结果如图11所示。

以上的仿真分析实例表明，针对一种类型产品的仿真软件的二次开发能够减少仿真分析前处理时间，快速完成此类产品的仿真分析。

3 结论

通用性较强的仿真分析软件作为计算机辅助分析的主要工具，在工业领域得到了广泛的使用。同时，对仿真软件的二次开发能够帮助企业定制适合自身产品的仿真分析流程，提高仿真分析效率。本文针对仿真分析中的前处理进行二次开发，对于结构复杂程度不高的产品，通过几何清理、简化部件、删除圆弧、删除圆孔、创建短轴、划分网格等程序，能够实现模型的快速前处理，建立标准化流程，提高仿真效率，进而缩短产品的研发周期。另一方面，产品中的结构件复杂多样，目前的二次开发程序暂无法对所有结构模型进行自动前处理，个别结构需进行手动模型前处理，此二次开发程序仍有进一步完善的空间。