Hypermesh联合Abaqus仿真：热应力分析专题（汽车前保险杠）

汽车保险杠是吸收和减缓外部冲击力，保护车身前后部的安全装置，也是主要外饰件之一。目前前保险杠大多以塑料材料为主。尤其对于燃油车而言，前保靠近发动机区域，且塑料（如ABS，改性PP，POM等）的软化点温度较低，高温环境（70-90℃）下塑料的弹性模量有不同幅度的下降，冷热环境会产生局部热应力。因此在汽车强度耐久分析中，前保热应力分析 是一个比较关注的项。

本文对汽车前保的热应力分析流程做一个详细介绍。

1. 分析前准备

前保从室温度环境到高温环境时，模型的温度场发生变化时，模型会产生变形，其应力应变场也会发生相应的改变。前保首先经历一个瞬态传热 过程，零件从室温升温至高温，但我们不关心前保在温度均匀达到某温度值（假设90℃）前零件上的传热过程和温度分布。我们只关心零件从室温（23℃）到温度均匀达到90℃后的热应力变化。

因此该分析项是一个静力学分析 （static，general），温度作为和位移类似的边界条件进行加载即可。

前保模型如下图所示：

2. 4个关键分析步骤

1. 设定材料的热参数

• 定义材料的线膨胀系数（expansion）
• 定义材料的不同温度场的弹性模量

1. 定义分析步
   该类型分析采用static，general，因为只是单纯分析温度对应力的变化。务必请与热-力耦合类型（coupled temp-displacement进行区分。
2. 设定模型的初始温度场

• 可以直接给出温度值
• 也可以读入传热分析的结果文件

1. 设定模型的结束温度场

• 可以直接给出温度值
• 也可以读入传热分析的结果文件

3. Hypermesh 关键分析步骤创建方法

在开始一个cae分析前，脑海中一定要有清晰的思维，即严格按照有限元分析 流程进行相关步骤设置，否则会容易出现各种遗漏和错误！

这也是我反复提到的有限元分析流程，即：3个大步骤、8个小步骤，思维导图如下：

备注：下文内容不会对8个小步骤依次讲解，仅仅将关键的几个步骤操作方法示意。

3.1 确认无误的有限元基本模型

在开始该分析之前首先对拿到手上的前保模型进行确认：包括单元类型、装配连接关系、是否有0D/1D自由节点、是否有未连接的单元、是否有未分配材料/属性的单元、名称命名是否符合要求等等。

最重要的是保证基本模型可以通过abaqus 自由模态、重力场工况下的求解试算！

3.2 材料添加热属性

1. 线膨胀系数（expansion）
   

1. 不同温度场的弹性模量

3.3 分析步

静力学分析步（static），如下图：

备注：

Nlgeom：几何非线性开关是否打开，可以先打开试算一下，如果前包变形较小，没有大变形，即关闭该选项。

Name：建议勾选，方便hyperview后处理识别分析步名称

initial increment：初始增量步大小，建议根据实际情况调整

Total period：可以省略，abaqus默认即单位时间1

Minimum increment：最小增量步大小，根据实际情况调整，abaqus默认1e-5

Maximum increment：最大增量步，abaqus 默认1

3.4 定义载荷和边界条件

1. 定义初始载荷
   即模型初始温度场（23℃），在abaqus里这类初始条件（initial conditions）叫做“预定义场”，它是写在STEP关键词之前。 *STEP关键词和 *END STEP关键词之间的数据全部是历程数据（History conditons）
   Step1：创建loadcollector，如下图：
   

Step2：创建set节点集（NSET），包含所有模型单元
Step3：analysis→temperature→create→按下图设置，创建初始温度场

1. 定义模型升温后的温度载荷
   Step1：创建loadcollector，如下图，卡片类型为HISTORY
   

Step2：analysis→temperature→create→按下图设置，创建模型升温后的温度载荷

1. 对已创建的分析步分配高温温度载荷
   如下图所示，card image为Initial_condition类型的loadcollector可以不用分配，因为这类型的边界条件和预定义场只能定义在模型数据中。
   

1. 定义边界条件

先将前包所有安装点建一个set集（NSET）

Step1：创建SPC边界条件的loadcollector

Step2：analysis→ constraints：

3.5 输出选项设置

因为该分析项比较简单，只需要定义场变量（FIELD）输出即可。如下图所示：

Step1：创建output

Step2：将output分配给分析步

3.6 INP求解文件输出

【备注】：一定要全英文路径！

3.7 BAT文件提交求解

4. Hypermesh高效率建模应用

第3小节基本对前包热变形分析做了详细介绍，虽然只是一个很简单的静力学分析，是否觉得建模过程还是比较繁琐，那有没有可能在准备好确认无误的有限元模型后，10分钟内完成整个模型搭建呢？

答案是肯定的。本小节讲解hypermesh高级建模应用，直接编辑INP文件关键词，直接通过INP文件编辑快速搭建模型。

Step1：打开有限元基本模型，对模型仅仅定义3个set集。

1. Set集1：set_grav，定义重力加载的单元set集，set_grav
2. Set集2：定义边界条件SPC的节点set集，set_spc
3. Set集3：定义施加温度的整个模型的节点set集 ，set_plastic

Step2：开始编写inp文件

1. *INITIAL CONDITIONS, TYPE = TEMPERATURE **初始温度场
   关键词代码如下：

**HWNAME LOADCOL          1 initial_temp_plastic
**HWCOLOR LOADCOL          1     1
*INITIAL CONDITIONS, TYPE = TEMPERATURE
set_plastic,23.0

2. *BOUNDARY **边界条件

**HWNAME LOADCOL          2 spc
**HWCOLOR LOADCOL          2     6
*BOUNDARY
set_spc,1,6,

3. *INCLUDE **include文件

*INCLUDE, INPUT =FrontBumper_ThermalDeformation.inp

4. *STEP **静力学分析步

**HMNAME LOADSTEP          1 loadstep
*STEP, NAME = step_load_temp_90degree, NLGEOM = YES    
*STATIC                                         **定义静力学分析类型
**HWNAME LOADCOL          3 load_temp_90degree   **定义高温温度载荷
**HWCOLOR LOADCOL          3     3
*TEMPERATURE, OP=MOD 
set_plastic,90.0      ,,
**HWNAME LOADCOL          4 gravity        **定义重力场
**HWCOLOR LOADCOL          4     4
*DLOAD     
set_grav,GRAV,9800.0    ,,,-1
*OUTPUT, FIELD, TIME INTERVAL = 2.0         **定义输出
*NODE OUTPUT
U,
*ELEMENT OUTPUT
S,
E,
PEEQ,
*END STEP

5. 保存该inp文件，由于上述代码很多ID号是重复的，然后在hypermesh重新打开，hypermesh会自动重新对一些重复ID编号，查验模型没问题就可以保存，然后提交求解计算了。

【编者语】

对于新同学来说，可能刚开始看这些关键词比较费劲，这个需要自己在实际工程项目中逐渐积累自己的关键词数据库。

作为过来人，我建议大家平时工作时，将频率使用的关键词编辑代码整理，推荐使用typora ，具备markdown语法，特别方便代码笔记记录。

当你的关键词编辑代码整理到一定程度后，你就会发现写法全部都是固定的，此时可以利用python编程，将这些关键词代码写成函数，并将代码里的变量设置成形参。以后就可以快速调用函数了。

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