基于Marc的汽車密封條有限元分析與二次開發(fā)設計說明

1、畢業(yè)設計題 目 基于Marc的汽車密封條有限元 分析與其二次開發(fā)學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械工程與自動化班 級 機自0902學 生 清杰學 號指導教師 宋衛(wèi)衛(wèi)二一三 年 五 月 二十四 日20 / 24摘 要采用非線性有限元分析軟件MSC.Marc對車窗和車門密封條受力過程進行分析，并掌握了它們的整個分析過程，對整個分析過程進行進一步的研究和簡化，來提高工作效率。而對于各種不同的密封條的分析有些過程是一樣的，因此可以對其進行二次開發(fā)，省略其中的繁瑣的過程，而MSC.Marc支持Python程序的調(diào)用，使用PyMentat模塊來建立或修改模型時，Python腳本就會發(fā)送一系列命令給MSC.

2、Marc Mentat，這些命令和選擇適當?shù)牟藛芜x項時提交的命令是一樣的，也就是說Python腳本程序命令MSC.Marc軟件執(zhí)行相應的操作，來進行不同程度的建模、分析以與后處理。所以采用Python語言進行一系列的編程，簡化了車窗和車門密封條的有限元分析過程，而且通過PyMentat模塊在Python腳本中使用MSC.Marc Mentat PARAMETERS可以很簡單的進行變量的輸入，在調(diào)用Python程序前可輸入要改變的變量，例如受力的大小等。關鍵詞：MSC.Marc；密封條；python程序；有限元分析ABSTRACTBy using the nonlinear finite ele

3、ment analysis software MSC.Marc for window and door seal force process analysis, and grasp the whole analysis process are simplified, and further research on the whole process of analysis, to improve work efficiency.Analysis of sealing strip for a variety of some process is the same, so it can be tw

4、o times the development of its, omit the tedious process, while the MSC.Marc Python program to support the call, to create or modify the model using the PyMentat module, the Python script will send a series of commands to the MSC.Marc Mentat, these commands and select the appropriate options menu to

5、 submit orders is the same, that is to say the Python script commands of MSC.Marc software implementation of the corresponding operation, to varying degrees of modeling, analysis and processing. So a series of programming using Python language, simplify the finite element window and door seal analys

6、is process, but also through the PyMentat module in the Python script using the MSC.Marc Mentat PARAMETERS can be very simple for variable input, input to change the variables in the calling Python program, for example, force size etc.Keywords： MSC.Marc; seal; Python program; finite element analysis

7、目 錄摘要IABSTRACTII1 前言11.1 汽車密封條研究背景與意義11.2 密封條的介紹11.3 Marc軟件的簡介11.4 Python程序簡介22車窗密封條的有限元分析32.1 車窗密封條分析參數(shù)的確定32.2 車窗密封條網(wǎng)格模型的建立32.3 接觸條件定義52.4 車窗密封條分析的后處理結果53車門密封條的有限元分析73.1 車門密封條介紹與分析參數(shù)的確定73.2 車門密封條網(wǎng)格模型的建立73.3 邊界條件定義83.4 車門密封條分析的后處理結果84針對密封條分析的Marc軟件的二次開發(fā)114.1 Marc軟件與Python聯(lián)系114.2 Python開發(fā)流程114.2 Pyth

8、on語言基本應用124.3 車窗密封條分析的程序代碼125結論175.1 總結175.2 展望17參考文獻19致201 前言1.1 汽車密封條研究背景與意義中國汽車的數(shù)量越來越多，而中國的汽車制造水平還有很大的提高。密封條是汽車的重要組成部分，對于汽車的密封性能起到了主要作用。密封條遍布汽車各部，有車窗密封條、車門密封條、后備箱密封條等，填補了車體間的間隙，對汽車起到了很好的密封盒保護作用。好的密封條可以大大提高汽車的總體性能和使用壽命，因此密封條的設計是非常有必要的。對于對密封條新產(chǎn)品的設計與制造，目前已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的設計方式，利用先進計算機輔助設計技術，來對密封條進行設計模擬分析，改善密封

9、條結構，提高密封條性能。由于汽車密封條材料的復雜性、結構的特殊性、接觸載荷和邊界的非線性等因素，因此應用計算機輔助設計手段，可以提高預測能力，降低開發(fā)試制成本。目前，在汽車密封條結構設計方面，國密封條企業(yè)已有長足進步，數(shù)家先進企業(yè)已經(jīng)成功推廣應用了CAD/CAE技術，適用了汽車制造廠家的要求。將計算機輔助試驗(CAE)技術用于產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量改進、缺陷分析、壽命預測等方面,可以有效地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。CAE技術在密封條的設計方面起到了非常大的作用，通過CAE技術可以分析密封條的受力情況、溫度影響，使用壽命等，提高了密封條的設計制造技術。本文主要簡單模擬了密封條的受力過

10、程，并對起分析過程進行了簡化。1.2 密封條的介紹轎車車身有一個很重要的密封件，就是用合成橡膠制成的密封條，又稱為防護性成型鑲條。主要應用在車門門框、側面車窗、前后檔風玻璃、發(fā)動機蓋和行箱蓋上，起到密封的作用，另外也起到減振保護的作用。密封條的制作材料主要是聚氯乙烯（PVC）、乙丙烯橡膠（EPDM）、合成橡膠改性聚丙烯（PP-EPDM）等，通過擠壓成型或者注射成型等方法制成。1.3 Marc軟件的簡介MSC.Marc是功能齊全的高級非線性有限元軟件，具有極強的結構分析能力。為滿足工業(yè)界和學術界的各種需求，提供了層次豐富、適應性強、能夠在多種硬件平臺上運行的系列產(chǎn)品?？梢蕴幚砀鞣N線性和非線性結構

11、分析包括：線性/非線性靜力分析、模態(tài)分析、簡諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩(wěn)、失效和破壞分析等。為滿足工業(yè)界和學術界的各種需求，提供了層次豐富、適應性強、能夠在多種硬件平臺上運行的系列產(chǎn)品。它提供了豐富的結構單元、連續(xù)單元和特殊單元的單元庫，幾乎每種單元都具有處理大變形幾何非線性，材料非線性和包括接觸在的邊界條件非線性以與組合的高度非線性的超強能力。MSC Marc是世界著名的非線性有限元分析軟件，并且MSC Marc軟件擁有300多個具有特定功能的開發(fā)程序公共塊和100多個用戶子程序。用戶可以根據(jù)自己的需求調(diào)用特定的用戶程序模塊。對于MSC M

12、arc有限元分析的用戶子程序的應用的成功案例所國外有很多，特別是在用戶對材料屬性的定義、復雜邊界條件定義等方面特別成功。MSC Marc軟件為用戶提供了實用的、完善的、多層次的二次開發(fā)功能，以MSC Marc已有的軟件為基礎平臺，可以開發(fā)出很多典型的材料本構、邊界條件的用戶分析子程序，從而形成自身的可長期持續(xù)應用和發(fā)展的非線性有限元分析系統(tǒng)。MSC Marc嵌入了Python腳本程序，可以通過腳本編程來完成MSC Marc的很多操作，本設計就是應用Python進行編程來簡化MSC Marc的分析過程，對車窗和車門密封條的分析過程進行了簡化，提高了工作效率。1.4 Python程序簡介Pytho

13、n 是一門優(yōu)雅而健壯的編程語言，它繼承了傳統(tǒng)編譯語言的強大性和通用性，同時也借鑒了簡單腳本和解釋語言的易用性，是容易上手且功能強大的程序語言。Python是免費的，雖然它并不是唯一一個免費的編程語言，但不同的是它提供了豐富的技術支持。人們可以不用購買任何軟件，而且不用擔心問題就可以編寫、發(fā)布Python程序。Python語言寫的程序不需要編譯成二進制代碼。你可以直接從源代碼運行程序。在計算機部，Python解釋器把源代碼轉換成稱為字節(jié)碼的中間形式，然后再把它翻譯成計算機使用的機器語言并運行。事實上，由于你不再需要擔心如何編譯程序，如何確保連接正確的庫等等，所有這一切使得使用Python更加簡單

14、。由于你只需要把你的Python程序拷貝到另外一臺計算機上，它就可以工作了，這也使得你的Python程序更加易于移植。Python非常易于使用，并且可用于腳本程序，針對Marc軟件而嵌入了Python程序，方便使用者進行Marc的二次開發(fā)。它的設計混合了傳統(tǒng)計算機語言的軟件工程的特點和腳本語言的易用性。Python語言很適合用作其他應用程序的擴展語言，例如可以用Python來擴展CAD、Marc等設計軟件的功能。2 車窗密封條的有限元分析2.1 車窗密封條分析參數(shù)的確定由于車窗密封條與車窗玻璃的相互作用過程中表現(xiàn)出了非常復雜的力學特性，而且車窗密封條材料屬于橡膠類材料，根據(jù)橡膠材料的特性，分析

15、中涉與復雜的非線性有限元分析過程，所以利用功能強大的非線性有限元軟件MSC Marc對車窗密封條進行非線性接觸分析。車窗密封條材質(zhì)為橡膠，橡膠材料的單軸拉伸實驗的應力應變曲線如圖2.1所示。通過Mentat的實驗曲線擬合功能得到Ogden的模型參數(shù)，并分析在車窗關閉的過程中密封條橡膠的位置變化與應力云圖。圖2.1 材料的應力應變曲線2.2 車窗密封條網(wǎng)格模型的建立利用Marc軟件畫出玻璃和密封條曲線模型，對密封條曲線添加均勻種子點，然后進行四邊形網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后共有911個單元，車窗密封條有限元網(wǎng)格如圖2.2所示。由于玻璃壓縮過程中的車窗密封條的變形主要是截面面積方向的變形，長度方向變形不

16、大，所以可將密封條變形過程認為是平面應變過程，可按照平面應變問題來建模，這樣可以減小模型的規(guī)模，從而大大提高分析效率，建模時，可將密封條厚度設置為1mm。圖2.2 車窗密封條有限元網(wǎng)格對車窗密封條進行材料屬性定義，將實驗測出的材料單軸拉伸應力應變曲線擬合成Ogden材料，并且施加到所以單元上。擬合后的材料應力應變曲線如圖2.3所示。圖2.3 擬合后的材料應力應變曲線2.3 接觸條件定義車窗玻璃相對于密封條而言，剛度無限大，故可視玻璃為剛性體，并將密封條為可變形體。在變形體與剛體的接觸過程中，變形體的力和位移是通過與之相接觸的剛體的運動產(chǎn)生的，剛體的運動描述通過給定位移來描述，定義玻璃向X方向移

17、動10個單位，玻璃位置表如圖2.4所示。圖2.4 玻璃位置表然后進行接觸體定義，邊界條件的定義和載荷工況定義，最后創(chuàng)建作業(yè)。2.4 車窗密封條分析的后處理結果設置顯示等效Cauchy應力圖和位移圖，指定好要處理的變量Equivalent Von Mises Stress。玻璃未插入車窗密封條時如圖2.5所示，玻璃插入時車窗密封條變形圖和應力分布云圖如圖2.6所示。圖2.5 玻璃未插入車窗密封條圖2.6 玻璃插入時車窗密封條變形圖和應力分布云圖3 車門密封條的有限元分析3.1 車門密封條介紹與分析參數(shù)的確定車門頭道密封條的結構有兩種，一種為全海綿膠泡管，另一種由密實膠基體和海綿膠組成。這種密封膠

18、粘貼或鑲嵌在車門上，與門框密封條配合，以增加車門與車體的密封作用。車門密封條主要用于車門的固定、防塵與密封。主要由具有良好彈性和抗壓縮變形、耐老化、臭氧、化學作用、較寬的使用溫度圍（-40+120）的三元乙丙橡膠(EPDM)橡膠發(fā)泡與密實復合而成，含獨特的金屬夾具和舌形扣，堅固耐用，利于安裝。 主要應用在車門門扇門框，起到防水、防塵、隔音、隔溫、減震、裝飾等作用。3.2 車門密封條網(wǎng)格模型的建立在Marc軟件里用貝塞爾曲線和支線畫出車門密封條的曲線輪廓，設置好均勻分布的種子點，對其進行四邊形網(wǎng)格劃分，車窗密封條有限元網(wǎng)格如圖3.1所示。由于車門密封條壓縮過程主要是截面方向的變形，所以可以認為密

19、封條的變形方式是平面應變，因此可以簡化為平面分析。在Marc建模時采用四邊形單元建模時，將密封條厚度設置為1mm。圖3.1車窗密封條有限元網(wǎng)格3.3 邊界條件定義將車門密封條下端固定，約束X、Y方向的自由度，如圖3.1所示施加變化的力模擬車門關開過程的受力情況，作用力的表格如圖3.2所示。玻璃位置表如圖2.4所示。圖3.2 玻璃位置表然后進行材料特性定義，定義橡膠材料采用Mooney模型，將設置為8、設置為2,。再進行載荷工況定義，最后創(chuàng)建作業(yè)，激活創(chuàng)建的兩個工況，單元類型選擇為四節(jié)點四邊形平面應變?nèi)e分Herrmann單元（Marc中編號80）。選取等效柯西應力作為后處理的數(shù)據(jù)。3.4 車門

20、密封條分析的后處理結果設置只顯示變形后的網(wǎng)格，設置顯示應變云圖，指定好要處理的變量等效柯西應力（Equivalent of Cauchy Stress）。記錄的車門關開過程中的密封條的等效柯西應力圖如圖3.3到圖3.5所示。圖3.3 車門關閉前密封條應力圖圖3.4 車門關閉后密封條應力圖圖3.5 車門關閉又開開后密封條應力圖4 針對密封條分析的Marc軟件的二次開發(fā)4.1 Marc軟件與Python聯(lián)系在MSC.Marc 軟件中執(zhí)行一個操作時就會出現(xiàn)兩種結果，一是出現(xiàn)一個新的菜單屏幕，二是提交了一個命令。本設計二次開發(fā)的原理就是利用了第二條，用Python腳本語言編出一系列的命令，當在Marc

21、軟件里加載Python程序時，Pyhton就會將這一系列命令發(fā)送給MSC.Marc Mentat，然后Marc就會執(zhí)行相應的操作。例如，如果用戶選擇下面幾何屬性定義的菜單：Geometric PropertiesNew(Structural)Planar Plane Strain PropertiesThickness 1 Elements Add All Existing用戶就會看到在MSC.Marc Mentat對話區(qū)域會出現(xiàn)一下命令：*new_geometry *geometry_type mech_planar_pstrain *geometry_param norm_to_plane

22、_thick 1 *geometry_option cdilatation:on *geometry_option assumedstrn:on*add_geometry_elements all_existing因此，如果用戶想用Python腳本來執(zhí)行幾何屬性的定義，就是把以上命令傳遞給MSC.Marc Mentat軟件，告訴它執(zhí)行此過程進行幾何屬性的定義，這樣Marc軟件就會完成Python腳本發(fā)出的命令。用Python語言進行二次開發(fā)的好處是Marc軟件可以直接調(diào)用Python程序。不需要像其它語言似的需要建立各種連接才能正常使用。而且用于Python程序的開發(fā)軟件小，非常實用和方便。本

23、設計就是用Python 3.3軟件進行的程序編寫。4.2 Python開發(fā)流程 熟悉Marc操作過程中的常用命令，在Python程序編寫時開發(fā)流程如圖4.1所示。圖4.1 Python腳本開發(fā)流程4.2 Python語言基本應用對于Python與Marc的之間的連接調(diào)用，就得從py_mentat包中調(diào)入所有信息，只需要在Python腳本程序第一行加入以下程序語句，來建立它們之間的連接，不需要進行其它任何設置。from py_mentat import *同樣，使用PyPostt模塊的Python腳本需要按下面語法調(diào)入py_post模塊：from py_post import *一些Python

24、函數(shù)（或子程序）被創(chuàng)建用來生成網(wǎng)格。在定義一個Python函數(shù)時，需要使用復合語句def，語法形式如下：def NAME ( args ) :冒號后面的容即為該函數(shù)的組成部分，在書寫上它們必須要縮進一格。函數(shù)中的代碼書寫結束后，新的代碼不能夠繼續(xù)保持縮進，應該在原位置開始書寫。在本設計的Python代碼中，大部分地方創(chuàng)建了一個字符串，然后使用子程序py_send將其發(fā)送到MSC.Marc Mentat中執(zhí)行。就是用來傳遞命令給Mrac軟件進行相應的操作。在Python中也可以直接在子程序py_send的參數(shù)中直接創(chuàng)建字符串，然后傳遞給子程序py_send發(fā)送給MSC.Marc Mentat，例

25、如在如下的語句中：py_send("*add_nodes %f %f %f" % (x, y, z)需要發(fā)送的命令和浮點型數(shù)據(jù)直接在子程序py_send的調(diào)用參數(shù)中指定。4.3 車窗密封條分析的程序代碼#該語句將PyMentat模塊調(diào)入到Python腳本中，對于需要訪問PyMentat模塊的Python腳本。from py_mentat import *#幾何屬性的定義。def geom_pr(): py_send("*new_geometry *geometry_type mech_planar_pstrain") py_send("*geo

26、metry_param norm_to_plane_thick 1") py_send("*geometry_option cdilatation:on") py_send("*geometry_option assumedstrn:on") py_send("*add_geometry_elements all_existing") return#材料屬性的定義。將實驗測出的材料單軸拉伸應力應變曲線擬合成Ogden材料，并且施加到所有單元。def mate_pr(): py_send("*new_md_table

27、 1 1") py_send("*table_name tension") py_send("*set_md_table_type 1 experimental_data") py_send("*table_add") py_send("0 0") py_send("0.9 100") py_send("1.6 250") py_send("1.9 300") py_send("2.2 500") py_send("

28、2.4 600") py_send("2.6 700") py_send("2.9 1000") py_send("*table_fit") py_send("*new_mater standard *mater_option general:state:solid") py_send("*mater_name rubber") py_send("*mater_option structural:type:ogden") py_send("*xcv_tab

29、le uniaxial tension") py_send("*xcv_model ogden") py_send("*xcv_mode uniaxial on") py_send("*xcv_positive on") py_send("*xcv_checks yes") py_send("*xcv_compute") py_send("*xcv_apply_curr") py_send("*xcurve_fill") py_send(&quo

30、t;*current_graphics_window model:1") py_send("*add_mater_elements all_existing") return#定義剛體玻璃位置表和接觸體。def glass_po(): py_send("*new_md_table 1 1) py_send("*table_name glassl") py_send("*set_md_table_type 1 time") py_send("*table_add") py_send("0

31、 0") py_send("1 10") py_send("*table_fit") py_send("*new_contact_body *contact_deformable") py_send("*contact_body_name rubber") py_send("*add_contact_body_elements all_existing") py_send("*new_contact_body *contact_rigid") py_send(&qu

32、ot;*contact_body_name glass") py_send("*contact_option control:position") py_send("*contact_value px 1") py_send("*cbody_param_table px glassl") py_send("*add_contact_body_curves 2 3 1 #") py_send("*new_contact_table") py_send("*contact_tab

33、le_entry 1 2") py_send("*contact_table_option $ctbody1 $ctbody2 touching") return#定義邊界條件。約束密封條外側所有節(jié)點的自由度。def boun_con(): py_send("*new_apply *apply_type fixed_displacement") py_send("*apply_dof x *apply_dof_value x") py_send("*apply_dof y *apply_dof_value y&qu

34、ot;) py_send("*add_apply_nodes 295 294 293 292 291 #") return#進行網(wǎng)格重劃分設置。def re_mesh(): py_send("*new_adapg *adapg_type advfront_quad") py_send("*adapg_option increment_crit:on") py_send("*adapg_param increment_freq 1") py_send("*adapg_rmsh_body rubber&quo

35、t;) return#定義載荷工況。激活載荷，采用分布加載方式，總時間為1s。def load_case(): py_send("*new_loadcase *loadcase_type struc:static") py_send("*add_loadcase_loads apply1") py_send("*loadcase_ctable ctable1") py_send("*add_loadcase_adapgs adapg1") py_send("*loadcase_option multicr

36、iteria") return#創(chuàng)建作業(yè)。激活工況，選取等效Cauchy應力作為后處理的數(shù)據(jù)。def job_s(): py_send("*new_job *job_class structural set($anl_class_job,true)") py_send("*add_job_loadcases lcase1") py_send("*add_job_applys apply1") py_send("*job_option frictype:coulomb_roll") py_send(&quo

37、t;*job_contact_table ctable1") py_send("*job_param max_el 1000") py_send("*job_option strain:large") py_send("*add_post_var von_mises") py_send("*add_post_var eel_strain") py_send("*job_option dimen:pstrain") py_send("set($threed_anl_dim,fa

38、lse) set($axisym_anl_dim,false) set($planar_anl_dim,true)") py_send("*element_type 80 all_existing") return#主程序?qū)?zhí)行以上子程序def main(): geom_pr() mate_pr() glass_po() boun_con() re_mesh() load_case() job_s() return5 結 論5.1 總結經(jīng)過幾個周的設計使我對有限元分析方面有了更多的認識，對Marc軟件的應用有了基本的了解，能夠進行一些容的分析工作。對于非線性分析方

39、面有了一些認識，認識到有限元分析在工程應用方面的重要性。雖然在設計過程中遇到很多坎坷，一開始方向就錯了，以為用Fortran語言可以實現(xiàn)對Marc的二次開發(fā)，后來發(fā)現(xiàn)fortran比較難實現(xiàn)，Python能夠輕松實現(xiàn)，于是又改用Python語言。在編寫程序過程中要不斷的嘗試，有時一點小小的錯誤就會導致程序的失敗，所以在編程的過程中必須非常的細心，沒當調(diào)試過了一個程序就會豁然開朗，感覺自己犯的錯誤是多么的不應該！希望在以后的工作中能夠不斷豐富這方面的知識并將其應用到工作當中。 剛開始時Marc軟件都不會，而且界面全是英文的，感覺完了，做不出來了，可是一路過來我明白了很多，有些東西不是表面看起來那

40、么的難，不要被嚇到，只要你去試著去學習，就會感覺它并不是想的那么難，要敢于面對。 對于本次設計容的總結如下：（1） 有限元分析(CAE)。通過MARC分析軟件，分析設計密封條的結構和受力變形行為，通過計算機模擬密封條在裝車過程中所受的應力和應變分析，驗證或優(yōu)化改進密封條的結構與材料設計。（2） 經(jīng)過對MARC的二次開發(fā)，每次汽車密封條的分析過程不需要經(jīng)過各種條件定義就可以直接進行分析，調(diào)入程序，得出分析結果。通過對汽車密封條分析過程的二次開發(fā)，大大縮短了時間提高了工作效率。5.2 展望隨著工業(yè)技術的迅速發(fā)展，有越來越多的復雜結構，包括復雜的幾何形狀、復雜的載荷作用、復雜的支撐約束等問題需要去分

41、析研究。必須對復雜問題作出簡化，才能提高工作效率。未來CAE技術會得到更廣泛的應用，本研究能夠很好的應用到CAE技術中，對于一樣分析過程的分析完全可以調(diào)用同一Pyhon程序，大大縮短有限元分析的過程。但是本設計在以下方面還需要作進一步的研究和開發(fā)。（1）通用性問題，在不同版本marc軟件里一樣的操作執(zhí)行的命令可能不一樣，這樣的話針對Marc2011編寫的Python程序就可能不能應用于其他版本的Marc，因此在通用性方面還需要進一步的研究和改善。（2）復雜分析問題的解決，就需要用到fortran語言來進行編程，而Python語言可以嵌入到fortran里，如果能將其結合起來也許能夠解決復雜分析的問題，在這方面還有很大的提高余地。（3）在程序修改方面需要用到其他軟件來編寫，而編寫完了又不能確定程序是否可用，必須調(diào)入到Marc里才知道程序的好壞，所以在以后的設計中希望能夠?qū)⒕幊誊浖苯忧度氲組arc軟件里，這樣可以直接在Marc軟件里編寫程序和調(diào)試程序，這樣就方便多了，就像autocad里的AutoLISP二次開發(fā)技術的應用一樣。如果在能夠解決以上這些缺點的話，我相信本設計在以后能夠得到很好的發(fā)展和應用。參 考 文 獻1 超，丹丹，火紅. 全新Marc實例教程與常見問題解析M. ：中國水利水電，2012.2 Campbell.Python編程實