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HyperWorks自动化技术在白车身模态识别中的应用.pdf

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HYPERWORKS 自动化 技术 车身 识别 中的 应用
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Altair 2013 技术大会论文集 -1- HyperWorks 自动化 技术在 白车身 模 态 识别 中 的应 用 Application of HyperWorks Automatization Technology in BIW Modal Identification 包国建 黄茁 瞿元 李畅 (奇瑞 汽车 股份 有限 公司 安徽芜 湖 241009 ) 摘 要: 针 对白 车身 模态 分析中 存在 一阶 重要 模态 识别不 准确 及效 率低 下等 问题, 结 合 HyperWorks 流程自 动化 技术 , 开 发了 白车身 模态 识别 工具 。 结 果表明 , 应 用该 工具 不仅 可以使 模态 分析 结果 处理 变得规 范和 准确 , 而且 还能 将原来需要 2 小时 完成 的 工作缩 短 至 5 分钟 内完 成, 显着提 升了 工作 效率 。 关 键词 :白车 身 HyperWorks 模态 识别 二 次开 发 Abstract :A post processing program is developed with HyperWorks automation technology for modal identification of vehicle body in white structure. The case study show that the automation method enhances consistency and accuracy of analysis results and significantly improves efficiency in data processing, sometimes reducing a 2 hour process to 5 minutes. Key Words :BIW, HyperWorks, Modal identification, Secondary development 1 概述 CAE 技术 在 轿 车开 发 过 程 中发挥 着不 可替 代的 作用 。 随着汽 车行 业竞 争越 来越 激烈及 消费 者对汽 车各方 面要 求的 提高 , 缩 短开发 周期 并在 同样 的单 位时间 内将 产品 研发 做的 更好是 每个 整车 企业 的 追 求。CAE 对项 目的 快速 响 应已成 为必 要, 提 高 CAE 效率是 方式 之一 ,而 模型 的前处 理效 率和 后处 理 效率都 是 CAE 效率 中的 重 要内容 。Altair 公 司的 HyperWorks 软件 已成 主流 的 商用 CAE 软件 ,并且 HyperWorks 软 件提 供了 良好的 二次 开发 接口 功能 , 进行二 次开 发就 能替 代人 工 高效 地 完 成很 多 工 作。 在轿车 开发 的过 程中 , 白 车 身模 态是 重要 的考 察内 容。 模态 分析 中模 态频 率 和模态 振型 直接 反应 车身的 动态 性能 , 并主 要 根据一 阶 重 要模 态 对 车身 动态性 能 进 行判 断 。 然而传统方 式 对 振型 的识 别主 要靠经 验 , 这种 方式 通常 会产生 精度 和效 率的 双重 困难, 尤其 在有 些模 型很 难通过 肉眼 来判 断, 出现 识别不 准确 的精 度问 题; 为保证 结果 的准 确性 , 通 常要进 行车 身模 态识 别处 理。 由 于振 形难 以直 接判 别, 后 处理 自动 化也 存在 困难, 模态 分析 的效 率提 升出现 瓶颈 。 本 文针 对 白 车身模 态识 别问题 开 发相 应的工 具使 白车 身模 态分 析流程 化的 同时 效率 得到 了较大 提高 ,减 小 了 工程 师的工 作量 。 2 白车身模态识别分析概 述 2.1 分析原 理介绍 1 一阶重 要模 态 如 图 1 所 示: 若在 1 ,2 ,3 ,4 四 个位置 的振 型主 要 表现 为 Z 向的 振动 形式 , 若 1 与 2 处的 振动 方向相 反 、1 与 3 处 的振 动方向 也相 反 、1 与 4 处 方向相 同 时 ,此 时的 振型 称为扭 转振 型 , 并第 一次 出现该 种振 动形 式 时 ,此 时模态 为称 为一 阶扭 转重 要模态 。同 理, 若 1 、2 、3 、4 的振 动方 向相 同,Altair 2013 技术大会论文集 -2- 并第一 次出 现的 该种 振动 形式 时 ,则 此时 的振 动 称 为一阶 弯曲 ,相 应的 模态 为一阶 弯曲 重要 模态 。 图 1 激励 点取 点示 意图 2 白车身 一阶 重要 模态 识 别 本文使 用的 模态 识别 方法 是基于 传递 函数 的频 率响 应分析 , 通 过计 算加 载点 到输出 点的 加速 度 响 应并输 出实 部及 虚部 响 应 曲线, 通过 对响 应曲 线峰 值的评 估来 找出 对应 的典 型模态 。 在白车 模态 识别 中, 模态 识别方 法 有 四点 法和 二十 四点法 , 他 们依 据取 值点 的不同 而命 名 , 由于 白车身 的特 点一 阶扭 转和 弯曲模 态 采 用四 点法 就足 够。 四 点法 是在 白车 身上 四个点 上添 加 相 应的 激 励,然 后输 出激 励点 的加 速度实 部与 虚部 响应 。 所以对于 激 励点 的选 取将 很关键 , 由一 阶重 要振 型 的特点 可知 , 在白 车身 模 态识别 中 四 点法 的四 个点选 择可 按如 下方 式进 行:即 前两 个点 可以 取在 前减器 座上 , 后 两个 点可 以取在 弹簧 座上 , 取 点时 左右对 称, 如 图 1 所示 。 在 模态 识别 中识 别每 种重 要模态 都要 在激 励点 施加 相应的 力 , 以 便能 激发 相 应的振 型 。 由 此在激 励点处 施 加 Z 向的 单位 力 如表 1 所 示: 表 1 模态 识别 工况 表 模态识别工况 激励点 1 激励点 2 激励点 3 激励点 4 扭转工况 -1 +1 +1 -1 弯曲工况 +1 +1 +1 +1 2.2 前处理 在分析 中 对 激励 点或 输出 点的布 置 要 求比 较规 范 , 包括取 点位 置及 节点 编号 。 在 模型 的前 处理 中 需要对 各个 点添 加相 应的 激励, 并输 出相 应的 响应 , 卡片 设置 比较 复杂 , 工 作量较 大 , 通常 需要 耗费 工程师 至 少 1 小时 以上 。 如图 2 所示 : 设 置好 相应 的信 息后可 以导 出计 算文 件提 交给求 解器 进行 求 解 。 Altair 2013 技术大会论文集 -3- 图 2 卡片 设置 示意 图 2.3 后处理 将计算 得到 的 PUCH 导入 到 HyperGraph 中, 查看 四 个响应 点加 速响 应曲 线的 实部同 时为 零且虚 部达到 峰值 的频 率, 据此 来判断 是否 为一 阶重 要模 态 。 如图 3 为扭 转模 态识 别响应 曲线 , 图 4 为 弯曲 模态识 别响 应曲 线。 图 3 扭转 模态 识别 响应 曲 线 由图 3 可 以看 出。 虚 部靠 前的峰 值 在 1 处出现 时, 实部曲 线也 同 时 经过 零点 , 由此判断 1 处 对应Altair 2013 技术大会论文集 -4- 的模态 频率 值为 一阶 扭转 模态。 图 4 弯曲 模态 响应 曲线 图 4 中虚 部的 峰 值 较多 , 但靠前 的峰 值中 在图中 1 处达到 峰值 时 , 实 部也 经 过 零点。 由此 认为 1 处对应 的 模 态频率 值 为一 阶弯曲 重要 模态 。 在 实际 情况 中, 找到 满足 条件的 大概 频率 值 后 , 再 去查看 模态 分析 频率 谱时 发现, 满足 条件 的值 有时可能 会 出现 好几 个, 若只凭 经验 判断 , 将 会出 现识别 不准 确的 情况 , 引 入新的 手段 辅助 识别 时 (如 进行模 态贡 献量 分析 ), 分析效 率 将 无法 保证 。 3 自动化实现介绍 针对白 车身 模态 分析 中存 在一阶 重要 模态 识别 不准 确及效 率低 下等 问题 , 运 用 HyperWorks 流程 自动化 技术 进行 相应 的二 次开发 能有 效解 决该 问题 。整个 流程 如 图 5 所示 : Altair 2013 技术大会论文集 -5- 启 动HyperMesh 创建 激励点节 点集 创建 工况卡 片 建 立工况 将节 点集自动 按规范编 号并 导出计算 文件 将计算文件提 交服务器计算 服务求解得到计算结 果下载.puch 文件及.op2 文件 启动HyperView 读入.op2 文件 提取各阶模态值 读入.puch 文件 生成加速响应曲线并提 曲线的坐标值 根据判定准则对各阶 模态从小到大进行判定 结束 否 是 导 入模型图 5 模态 识别 流程 3.1 前处理 自动 化 由图 2 可 知模 态识 别分 析 中, 需要 设置 的卡 片较 多 , 这 样 增 加工 程师 的工 作 量, 且 容 易导 致错 误 的产生 , 因 一个 小小 的错 误而将 计算 文件 重复 提交 导致计 算资 源 浪 费, 并使 分析效 率大 大降 低。 由此 针对前 处理 效率 低下 及容 易出错 的问 题 开 发相 应的 工具, 工具 如图 6 所示 。 按照界 面上 的按 钮依次操 作,就 能保 证参 数设 置准 确高效 。 图 6 模态 识别 前处 理界 面 3.2 后处理 自动 化 根据 一 阶重 要模 态的 识别 规则 , 可以 利 用程 序自 动 识别一 阶重 要模 态 。 需 要 的文件 有模 态分 析计 算得到 的 op2 文件, 模态 识别分 析得 到 的 puch 文 件 。 在 op2 文 件中 可以 知道 各阶模态 的 频率 值 , 如Altair 2013 技术大会论文集 -6- 图 7 所示 。由 puch 文 件 生成的 曲线 实质 上是 由一 系列离 散的 点生 成的 ,两 两相邻 的点 之间 纵坐 标 y 与横坐 标 x 存在 线性 关系 , 即可 表述 为 y=kx (k 为 常数) 。加 速响 应曲 线中 各 离散 点的 坐标 如 图 8 、 9 所示 。从 各点 横坐 标的 分布形 式来 看, 每点 间 隔 0.5 ,起 始步 长可 由工 程师 设定。 图 7 各阶 模态 频率 值 图 8 加速 响应 曲线 实部 各 点坐标 值 图 9 加速 响应 曲线 虚部 各 点坐标 值 各阶模态 频率 值 可以 从后 台获取 。由于从 puch 文件 获取的 点为 离散 点的 特性 ,所以 需要 确定 各 阶模态 频率 值所 在区 间 , 判断响 应曲 线在 该区 间中 是否满 足一 阶重 要模 态的 要求 。 每 个激 励点 在每 种 重要模 态的 识别 中都 有一 条实部 曲线 和一 条虚 部曲 线。 识 别每 种重 要模 态需 要 同时 在所 有 激 励点 加速 响应曲 线上 找到 满足 实部 为零且 虚部 同时 达到 峰值 的频率 。 由以上 说明 可知 : 在响 应 曲线在 区间 上是 否有 零点 的判断 准则 可确 定 为 : 当 响应曲 线上 前后 两个 值 x1 、x2 满足 x1≤a≤x2 , 且 Real(x1)≤0, 且 Real(x2)>0 ,或 Real(x1)≥0, 且 Real(x2)Img(x1), 且 Img(x2)>Img(x1), 则在 x3 至 x2 之间存 在峰 值 a (其 中 x1 、x2 、x3 被 0.5 整除 ,a 为某阶 模态 值 ) 。 根据重 要模 态的 特性 可 知 零值需 从实 部曲 线上 获取 , 峰 值需 从虚 部曲 线上 获 取。 根据 以上 判定 准 则,举 例如 下 : 从 op2 文 件中读 取的 模态 频率 值 a = 18.29 , 根据 过零 点的 准则 可以 确定 区间 , (18,18.5) , 在 实部 曲线 中 Real(18)=-0.513426 ,Real(18.5)=0.48694 , 由于 曲 线的连 续性 , 可 知曲 线 在 18 至 18.5 之 间存 在零 点值。 根据 峰值 的准 则可 以确定 区间 为 (18,19 ) 和 (17.5 ,18.5 ) 应 判断Altair 2013 技术大会论文集 -7- 的点的 横坐 标分 别 为 17.5 、18 、18.5 、19 。由 于存 在 Img(18)=0.5009 ,Img(18.5)=0.68089 , Img(19)=0.24425 。 此 时 Img(18)Img(19) , 所 以 Img(18.5) 为 峰值,即 虚部 响应曲 线 在 18 至 19 之 间 存在峰 值 。 若 在其 它曲 线 上 也能找 由该 模态 频率 值确 定的过 零点 且存 在峰 的 区间 , 则 可以 判定 a=18.29 为一 阶重 要模 态 , 若 此时 a 的值 是在 扭转 模态 响应 曲线上 获取 , 则 a=18.29 为一阶 扭模 态的 值, 在弯 曲响应 曲线 上获 取的 , 则 a=18.29 为一 阶弯 曲模 态 。 根据 图 5 所述 的 流 程可 以 开发相 应的 工具 , 通 过后 台就可 以 快 速准 确地 提取 出一阶 重要 模态 , 并 可以将 重要 模态 的振 型图 导出, 自动 写 PPT 报告等 。 4 运用效果对比 这里以 某型 三 厢 轿车 为例 , 应用 有限 元分 析方 法, 对车身 进行 适当 简化 , 减 少单元 的数 量, 保留 其主要 骨架 。然后 对 模型 进行模 态分 析, 由简 化模 型 得到 模态 分布 值更 加密 集。 4.1 前处理 效率 对比 由以 上 介绍 可知 , 若 工程 师 手动 设置 卡片 、 制 定工 况需要 耗费 工程 师大 量精 力且容 易出 错 。 若开 发相应 工具 进行 加载 ,仅 需要很 短的 时间 就可 完成 。 时间 统计 对比 如表 2 所 示: 表 2 不同 加载 形式 时间 统 计表 加载形式 手动加载 工具加载 花费的时间 1 小时 30 秒 4.2 后处 理 效率 与准确性 由 扭转 响应 曲线 图 3 可知 : 在 18.5HZ 及 44HZ 左 右的地 方虚 部峰 值明 显, 实部值 大概 处于 零点 处。在 18.5 左右 处产 生的 峰值形式 满 足扭 转模 态识 别激励 的形 式,即 1 、4 曲 线峰值 同向 ,2 、3 曲 线峰值 也同 向, 但 1 、2 曲 线峰值 反向 。而 44HZ 左 右处的 峰值 形式 不满 足要 求。 但 在查 看模 态分 析 得到的 频率 谱时 发现 在 18.5HZ 左 右处 存在 18.29HZ 及 19.05HZ 两阶 模态 ,非 常接近 。分 别查 看振 型时发 现 18.29HZ 符 合一 阶扭 转 的振 型,如图 10 所 示: 而 19.05HZ 只是 局部 模态,如图 11 所示 : 图 10 18.29HZ 处振 型图 图 11 19.05HZ 处振 型图 Altair 2013 技术大会论文集 -8- 而采用 自动 化程 序处 理时 将能找 出 由 18.29 在 实部 曲线上 确定 的区 间 (18 ,18.5 ) 内在 四条 响应 曲线都 有零 值存 在 , 由 19.05 在 实部 曲线 上确 定的 区 间 (19 ,19.5 ) 内没 有满 足要求 的零 值存 在 。 同 时还能 进一 步判 断在 虚部 曲线上 由 18.29 确定 的区 间 (18 ,19 ) 内存 在峰 值 , 而由 19.05 确定 的区 间 (18.5 ,19.5 )或 (19 ,20 )内 均不 能同 时存 在峰 值 。 由自 动处 理程 序可 准 确 得出 18.29HZ 为 一阶 扭转模 态。 所以 可以 说明 自动处 理结 果比 具有 高效 性和准 确性 。 由扭转 响应 曲线 图 4 可知: 出 现的 峰值 较多 , 且 此 时频率 谱模 态值 的分 布也 比较密 集 , 有 经验 的 工程师 可结 合振 型判 断, 但应用 自动 化程 序将 能高 效准确 的得 出。 若依靠 后处 理程 序就 能自动 高效 的处 理 模 态分 析结 果 时, 后续 还能 高效 地进 行自动 生成 报告 及 数 据归档 等工 作。 5 结论 与展望 针 对白 车身 模态 分析 中 存 在一阶 重要 模态 识别 不准 确及效 率低 下等 问题 进行 了二次 开发 。 规范了 从前处 理到 后处 理 的 整个 分析流 程 , 其 中包 括前 处 理中分 析参 数的 设置 、 后 处理中 模态 及重 要模 态的 提取, 有效 地 节 约工 程师 的精力 ,保 证了 分析 效率 和结果 处理 的准 确性 ,同 时也便 于数 据的 归档 。 通过本 文成 果的 运用 表明 ,CAE 流 程自 动化 技术 能 有效提 升 CAE 效率 固化 工 程师的 经验 ,并且 该技术 还能使 CAE 技术 更 好地流 程化 集成 化, 甚至 颠覆传 统 的 CAE 分 析方 式 , 进而 充分 发 挥 CAE 技术在 项目 开发 中 的 优势 。 6 参考文献 [1] Altair HyperMesh Reference Guide [2] John K. Ousterhout Ken Jones 着, 张 元章 译.Tcl/Tk 入 门经 典( 第二 版). 北京: 清华 大学 出版 社, 2010 [3] Altair 2009 HyperWorks 技术大会 论文 集 [4] Altair 2011 HyperWorks 技术大会 论文 集 [5] Altair 2012 HyperWorks 技术大会 论文 集
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