汽車側(cè)面碰撞有限元模型的建立

1、汽車側(cè)面碰撞有限元模型的建立1 有限元模型的建立對于汽車側(cè)面碰撞研究的意義20 世紀(jì) 50 年代,歐美開始汽車碰撞試驗研究 , 隨著轎車在汽 車 中所占比例增多 , 開始出現(xiàn)對汽車側(cè)面碰撞的研究。剛開始時 采用實 車碰撞試驗方法 , 再根據(jù)碰撞試驗的分析研究結(jié)果 , 改良 設(shè)計。隨后 開展了臺車試驗和試驗臺沖擊試驗等模擬碰撞技術(shù), 這兩種試驗方法是以實車試驗的結(jié)果為根底確定試驗條件。 隨著 計算機技術(shù)的開展 , 出現(xiàn)了計算機仿真技術(shù)。采用虛擬模型代替 實際模型 ,利用計算機進 行分析計算得出平安結(jié)論 , 已成為汽車 平安技術(shù)開展的一個重要方向。通過建立汽車碰撞模型 ,乘員模型及保護系統(tǒng)模型 ,

2、 進行計 算分 析 , 評價汽車平安性能和保護系統(tǒng)作用。代表性的模擬軟件 可以分為 兩類 :一類是 CVS 碰撞傷害模擬軟件 ，該類軟件采用多 剛體系統(tǒng)動力 學(xué)理論建模 , 主要用來模擬碰撞事故中乘員與環(huán)境 的相互作用 ， CAL3D 和 MADYM 就屬于這一類 ； 另一類是采用顯式 有限元理論建 模 , 主要用來描述車身結(jié)構(gòu)的抗撞性 , 這類軟件以LS-DYNA3 丙 PAM-CRAS 為代表。其中采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理 論建模的軟件可以模擬碰撞事故中乘員與環(huán)境的相互作用 , 能很 好地 再現(xiàn)事故過程 , 而采用顯式有限元理論建模的軟件可以用來 描述車身 結(jié)構(gòu)的抗撞性 , 處理很多異常復(fù)雜

3、的結(jié)構(gòu)大變形問題。 這些軟件的模 擬結(jié)果能與實車碰撞結(jié)果大致吻合 , 尤其是對于車 身結(jié)構(gòu)的改良 , 可 以使用這些軟件和算法在短時間內(nèi)對多種方案 做出比擬 , 得到滿意的改良方案2 汽車側(cè)面碰撞有限元模型的建立 汽車側(cè)面碰撞與正面碰撞計算 機仿真的最大區(qū)別在于 , 除了 要建立整車模型外 , 還必須建立移動變 形壁障模型。本文整車有 限元模型和移動變形壁障模型的開發(fā)均根據(jù) 我國汽車側(cè)面碰撞 標(biāo)準(zhǔn)?汽車側(cè)面碰撞的乘員保護? (GB2007-2006) 的要求進行。2.1 可變形移動障礙壁結(jié)構(gòu)特性及仿真模型的建立(GB2007-2006) 標(biāo)準(zhǔn)中 ，可變形移動障礙壁 (MDB 主要由移動 車 和

4、可變形碰撞塊兩局部組成。 碰撞塊由連在一起的 6 個局部組 成 , 其 形式及位置如圖 1 所示 :2.2 移動變形壁障的建立根據(jù) (GB2007-2006) 法規(guī)，從模擬的角度出發(fā) ，通過 IGES 圖 形 數(shù)據(jù)交換格式將 CAD 模型轉(zhuǎn)入有限元分析前處理軟件 Hypermesh 中 , 對所建立的移動變形壁障模型進行了網(wǎng)格劃分和 定義各個部件的材料、 屬性, 及各部件間的聯(lián)接關(guān)系 , 最后對模型 施加載荷、約束或邊界條 件。在移動變形壁障有限元模型中 , 主 要模擬的部件是移動臺車模型、 變形吸能塊模型、 膠水和前后連 接面板。移動臺車用殼單元模擬 , 由 于它在碰撞過程中不會發(fā)生 變形

5、, 采用的材料是剛性材料 (MAT_RIGID); 變形吸能塊用實體單 元模擬 ，采用的是鋁蜂窩材料 ( MAT_HONEYCOM 膠水用梁單元模 擬 , 采用非線性塑性離散彈簧材 料MAT_NONLINEAR_PLASTIC_DISCRETE_BEA/ 車模型以車架為基體 ,一些部件 如車輪、后連接板、配重點質(zhì)量等通過CONSTRAINED_RIGID_BOD 的定義建立其與車架的聯(lián)接 ，最后部 分 的吸能塊是通過 TIED 接觸與后連接板連接在一起?；谝陨?的建模 思路 , 最終得到移動變形壁障有限元模型。3 整車有限元模型的建立與相關(guān)驗證3.1 轎車側(cè)面碰撞整車有限元建模技術(shù)流程 汽車

6、側(cè)面碰撞有限元 模型與其它類似碰撞模型建模思路大 體是一致的 , 不同之處在于因分 析的目的的差異而對汽車車身部 件的關(guān)注不同而已。在建立整車有限 元模型時 , 首先應(yīng)核對設(shè)計 部門提供的車輛實際結(jié)構(gòu) 3D 數(shù)模以及 3D 焊點 ,并重點關(guān)注所有 影響碰撞分析的一些結(jié)構(gòu)部件。之后 ，將整車 各零部件的 CAC 三 維模型存成 IGES 格式文件 ,通過 Hypermesh 軟 件的格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 接口輸入零件的幾何外形 , 利用其線和面進行網(wǎng)格 的劃分 , 劃分 時應(yīng)保存主要特征線 , 網(wǎng)格要與幾何保持良好的貼合。 整車各子 系統(tǒng)和零部件的建模方法取決于結(jié)構(gòu)特點和碰撞過程中的響 應(yīng) 特點。一般來

7、說 , 側(cè)面碰撞建模中 , 可以分成三類部件的建模 : 一是 車 身薄壁件 , 如側(cè)圍部件車門門檻是變形吸能和承載的主要部件 它們是 車體碰撞后變形的主要表現(xiàn)體 ; 二是底盤和動力總成系統(tǒng) 它們的質(zhì)量 和剛度相對車身結(jié)構(gòu)件來說比擬大 , 雖然它們多數(shù)在 側(cè)面碰撞中不發(fā) 生接觸和大變形 , 但是其慣性特性不容無視 ; 三 是車身附件 , 它們的 變形吸能能力很小 ,但其質(zhì)量所占的比例大 , 對車身運動響應(yīng)影響較大 在側(cè)面碰撞建模中還尤其重要的有前 后懸架的彈性 /阻尼特性 ,橡膠懸置的剛度特性等因素都影響碰 撞過程中車身的俯仰、側(cè)傾等運動響 應(yīng) , 這是側(cè)面碰撞與正面碰 撞仿真的重要區(qū)別。 整車

8、模型的裝配是 按照汽車制造的工藝流程 進行 ,首先應(yīng)是各個小總成之間的連接關(guān)系 , 然后組裝各個分總 成, 最后總裝完成整車模型。整車模型的裝配通過 在其聯(lián)接位置 增加相應(yīng)的聯(lián)接單元 (焊點鉸接短梁 ) 或約束 (如剛性約 束 ) 來實 現(xiàn)。最后通過定義邊界條件以及碰撞時部件之間的各種接觸 問 題。轎車側(cè)面碰撞整車有限元建模技術(shù)流程根據(jù)工作性質(zhì)不同 可以 分為以下幾個階段 :(1) 建立幾何模型 , 構(gòu)建用于碰撞模擬分析的有限元模型。(2) 有限元網(wǎng)格劃分 (考慮精度與效率的關(guān)系 , 處理好關(guān)鍵部 位 和非關(guān)鍵部位的網(wǎng)格 ) 。(3) 部件之間的聯(lián)接設(shè)定邊界條件約束以及各部件之間的各 種接 觸

9、。(4) 求解。(5) 與試驗結(jié)果進行比擬 ,如果不滿足驗證條件 , 修改模型直 到 模型合格。3.2 側(cè)面碰撞仿真驗證 計算機仿真結(jié)果的正確與否最終需要試驗 來檢驗 , 對仿真結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確的評價 , 通常采用定性和定量的評價方法。參 照我 國正式公布實施的?汽車側(cè)面碰撞的乘員保護? (GB20071-2006) 進行該款車的碰撞仿真模擬。碰撞位置為:移動變形壁障的沿縱軸的中垂面與車輛上通過碰撞側(cè)前座椅R 點的橫斷面重合。3.2.1 能量關(guān)系碰撞總能量變化趨勢如下列圖 2 所示。碰撞完 成后 , 系統(tǒng)總體變形能 (內(nèi)能 )和動能各占約 47.5%, 其余的 5%能 量為碰撞 界面能和數(shù)值

10、計算過程中的沙漏能。 其中 , 沙漏能只占 總能量的 2%。 所以 , 由圖及數(shù)據(jù)可以看出 ,此仿真模型是可信的。3.2.2 車身加速度比擬圖 3 為被撞側(cè) B 柱下端的加速度 -時 間曲線 比擬 ,從圖中可以發(fā)現(xiàn) ,試驗峰值的時刻是 39.6ms, 其值為 18.6g 。仿 真峰值時刻是 34.7ms, 其值是 17.7g 。圖 3.26 所示為 車體中央通道處 的加速度比照 , 試驗加速度的第一個峰值為 -15.1g, 仿真結(jié)果為 -14.8g, 二者的時間點根本相同 ,試驗加速度 的最大值為 18.4g, 仿真結(jié)果為 19.1g 。以上測得兩處加速度曲線 的變化根本相同 , 仿真的變化趨勢 一致。4 結(jié)語 按照我國正式公布實施的?汽車側(cè)面碰撞的乘員保護?(GB20071-2006) 進行