碰撞分析建模手册(中文).doc

碰撞分析FEM建模指南建立一般性的車輛有限元模型原則請參考陳亨毅寫的（1）“產品開發中品質的重要性”（2）“分析性樣車及其效益”（3）“車輛耐疲勞分析 計算機產生的道路載荷和應力分析”（4）“缺乏測試的車輛結構分析”和本文中的藍顔色字體。一、车身模型建模要求1、 建模工具软件AltairHyperMesh2、 建模总则工欲善其事，必先利其器。有限元模型是仿真的基礎，數模交接時，數模的邊必須是連續的。要保證數模的完整性，鄰近數模的面必須要有共同邊。繼則由建模人員依照建模手冊行事；建立有限元模型的時間是佔整個結構應力分析耗時的百分之七十。遺憾的是許多分析人員沒有介入有限元的建模工作，因此儘管分析結果是和測試的結果有誤差，分析人員很難能在有偏差的有限元模型上做應有的貢獻，更不要說增進工作的效率。有限元模型是設計人員依照分析人員的要求，將CAD的焊點，焊綫，綫和面交給建模人員。若工況會導致焊點破裂，可以將焊點模擬成六毫米見方的固體單元，來顯示金屬鈑失敗。焊點是必需要投影在翻邊的面上以保證單元的一致性。前後擋風玻璃和窗框之間是黏膠，設計人員應該將擋風玻璃的最下層面交給建模人員。黏膠可以用固體單元模擬，它的厚度就是擋風玻璃底面和窗框金屬鈑間的空隙。軟件雖然有自我接觸面的算法，最好是選擇性的應用。建模時應順便將接觸面，被接觸面一對一對的建立。1）、車輛有限元分析钣金零件模擬的單元是採用目前公認精確度最佳的MITC4殼單元（ADINA，ANSYS，LSDYNA 都有MITC4殼單元）。MITC4單元應有的特性是：不用特殊殼原理。不會有單元變形而能量不變的缺陷。在薄鈑分析中沒有抱死現象。沒有可調節的參數。精確度不會因網格形狀而受影響（NEWTON COTES FORMULAS）。是全集分單元（GAUSS FORMULAS）。薄殼分析需用十六節點單元，單元形成應可延伸至低次單元，即三節點單元有兩高式（GAUSS）積分點，四節點單元有三高式（GAUSS）積分點。 2）、每个零件的FE模型建立在几何模型的中面。如果CAD模型为实体模型应抽取中面进行网格划分，如果原CAD数模是上表面或下表面时，网格划分完后单元应偏移到中面。 3）、不允许有单元贯穿中心对称面，位于对称中面的单元节点应布置在对称中心。 4）、统一单位制为：毫米（mm）、秒（s）、吨（t）、牛顿（N）。 5）、同一厚度的零件，也要有個別的PID，该零件的PID应是唯一的，不同厚度的零件和不同材料的零件应分割成相应的Part并赋予相应的PID。 6）、每个零件及相应的属性特征命名规则如下：PID_零件名称、SID_零件名称、MID_零件名称。 7）、每个Part对应唯一的单元特征属性（SID）和唯一的材料属性（MID），且对应的ID号码相同即：PID=SID=MID。8）將主導的整車有限元模型分別應用于不同的碰撞分析。左右主導分析的有限元模型可以依據不同的踫撞分析工況再予以區域性的細分。所有的非綫性分析軟件都有自我接觸面，但是不宜濫用；建議花點時間建立傳統的一對對接觸面和被接觸面。接觸面和被接觸面的網格大小應相當。零件在衝壓後的厚度是不均勻的，在耐疲勞試驗和踫撞試驗中，往往金屬失敗處鈑金厚度是比同部件較薄；最理想的有限元模型是鈑金衝壓後的成品，3、 网格划分要求觀察網格粗細之收斂，是與單元的質量，單元的形成方式有關，是與單元厚度上的積分點數目有關，是與接觸面的公式化有關，加上焊點的模擬方法，和網格的走向都會對收斂構成影響。網格太細則浪費計算時間，網格太粗則祇能顯示出低階的曲率屈曲模態。網格的大小劃分是根據分析的精確度要求而定，唯有用確定收斂的網格尺寸，分析的結果在這種狀態下才不會改變，纔有意義。正確的結構網格大小是可經過多次預先分析，比較結果，或是由判斷變型圖的柔滑度得知。正規的做法是依照結構分析後的等應力綫的延續性光滑度為凖，要知道這過程是必要的。踫撞時會折疊的縱樑部位或是會折疊的車身部位，其接觸面的網格大小可以細分為一至三毫米，否則會影響變形位置破壞分析結果；關鍵是分析的質量是不容折衷，單元的質量按比例減低和單元的質量按比例增加的做法是不允許的，因爲計算時間的步驟是不容人爲的折衷。1）、碰撞变形区域的网格平均长度为10mm，网格最小尺寸不小于5mm（零件结构中有加强筋和槽的位置网格最小尺寸可为4mm），网格最大长度不大于12mm。正面碰撞： A柱与B柱中间位置以前的所有钣金零件（车门除外），包括纵梁、纵梁前段、防撞梁、翼子板支撑结构等的平均单元长度为8 mm；侧面碰撞：前后从A柱至C柱（包括A柱与C柱），横向左半部所有零件及其某些零件的左半部（框内的零件及其某些零件的框内部分）；背面碰撞：C立柱（包括C立柱）以后的所有零件及其某些零件的后部（车门除外）。 2）、非碰撞变形区域的单元平均尺寸为15mm，最小网格尺寸不小于5mm。 3）、每个零件单元之间不许有穿透发生，整个FE模型进行穿透检测，不允许有穿透产生。穿透检查时建议设置零件厚度系数为0.65。 4）、网格质量要求ELEMENT GUIDELINESCriterionMust1Element Length - minimum5mm4mm2Aspect ratio2.03.03Warpage10 154Jacobian0.65Skew ness45606QUAD element minimum internal angle45o40o7QUAD element maximum internal angle135o140o8TRIA element minimum internal angle30o20o9TRIA element maximum internal angle120o135o10Total number of triangles5%l 每个零件网格划分完成后，检查网格质量满足上面要求；l 每个零件网格内部不能有多余的自由边出现l 每个零件的网格单元法向方向相同l 不允许有重复节点l 不允许有重复单元l 二个或者多个三角形单元不允许共用一个节点5）圆角处理網格允許小到一至兩毫米。l 圆角半径小于4mm，圆角弧边上不用划分节点4mml 圆角半径大于55 mm，圆角弧边上划分二排或多排单元6）、翻边处理l 焊边上至少划分二排单元l 为了保证焊点与单元垂直，应该保证焊边的初始形状，焊边单元不应有多余的角度产生。7）、包边和折叠结构的处理l 对于车身结构中四门二盖以及其它结构中有包边和折叠结构，用五階層複合材料單元（即金屬鈑，薄膜，金屬鈑，薄膜，金屬鈑），金屬鈑間摩擦力可由摩擦系數和包邊的壓力算出。处理如下图 所示。8）、孔的处理a) 螺栓孔对于螺栓连接孔，孔边至少布置6个节点且节点个数为偶数，周围做一圈washer。当孔边单元最小长度小于4mm时可以扩大孔的直径使其达到网格质量要求。螺栓孔直径小于5mm时，该孔可以直接去掉不模拟，但螺栓孔中心位置应布置一节点为以后模型连接时使用。b) 铆接孔处理用于铆接的孔直接去掉不模拟9）、焊点模拟焊點在踫撞區域用六毫米見方的六面體單元模擬，其它部位的焊點可以鉸點模擬之。焊点单元采用MAT100的*Element_BEAM单元或者hexa六面体单元模拟，焊点材料属性选用MAT100号材料模型。Element_BEAM或者hexa六面体单元l 对于气体保护焊结构的连接，采用 TIED_NODES_TO_SURFACE的连接形式10）、胶粘模拟兩片金屬鈑夾膠黏膜可選擇能分層失敗的典型三層殼複合材料單元。擋風玻璃模擬法可用三層（即玻璃，PVC，玻璃）及五層（即玻璃，PVC，玻璃，黑色黏膠，金屬鈑）的殼複合材料單元。請參照陳亨毅寫的“車輛耐疲勞分析”。l 对于车身中车门、发动机罩、后备箱盖的内外板部分连接采用胶粘结构采用六面体实体单元模拟胶粘连接，材料赋予相应的粘胶材料属性。模型中实体单元与内外板连接可以采用节点重合形式，也可以采用TIED_NODES_TO_SURFACE 或者 TIED_SURFACE_TO_SURFACE连接l 前后挡风玻璃采用橡胶连接结构，采用六面体实体单元模拟橡胶连接，材料赋予相应的橡胶材料属性。模型中橡胶实体单元与车体连接可以采用节点重合形式，也可以采用TIED_NODES_TO_SURFACE或者 TIED_SURFACE_TO_SURFACE连接。l 胶粘连接同样可以采用弹簧单元模拟连接，需设置XYZ三个方向的弹簧刚度。11）、铰接鉸鏈大小形狀，因車而異；鉸鏈的功能是旋轉。在正常的踫撞工況絞鏈可用固體單元，或是鈑單元，加上一組接觸面。如是才可以正確地將部件間的力互相傳遞。对于车门绞链、底盘零部件中涉及到的各种绞链连接结构，相对应的采用绞链单元模拟：CONSTRAINED_JOINT_SPHERICALCONSTRAINED_JOINT_REVOLUTECONSTRAINED_JOINT_CYLINDRICALCONSTRAINED_JOINT_PLANARCONSTRAINED_JOINT_UNIVERSALCONSTRAINED_JOINT_TRANSLATIONAL12）、零件几何结构模型中工艺加强筋和工艺槽的处理加强筋自有其功用，不可刪除。 对于碰撞变形区域的加强筋和工艺槽结构尽量要保留其原始结构形状。 13）、斜边的处理对于一些零部件的结构存在斜边，网格划分过程中应使网格的走向与边界垂直。網格的走向應依據踫撞時的應力波的方向，或是垂直，或是平行。二、底盘、动力传动系统模型建模要求請參照陳亨毅寫的“車輛耐疲勞分析”。一般要求掌握好部件的模擬是必要的。因爲前面部件的變形影響到後面部件變形的位置和時段，影響到車輛踫撞峰值的時段；對感應器是極爲關鍵。發動機的安裝墊，螺栓材料，襯套的屬性，泡沫，塑料，複合材料等材料的測試數據是不可缺少的。要確定每個部件的重量和重心和實物一致。要確定每個部件間的連接，部件與車身連接是和實物一致。要確定力的傳導方向不發生偏差；橡膠墊，連杆，橡膠襯套應該用固體單元模擬。橡膠襯套的金屬面和橡膠連接地方是分不開的，可採用同一節點。原則上副車架是使用固體單元模擬，在固體單元不可避免的細小時，可用剛體單元取代。一對對接觸面的建立是必要的。 底盘和动力传动系统模拟模型的建立时，每个零部件应分割成不同的Part，并且每个Part赋予相应的材料属性。每个Part的属性ID号码相同即：PIDSIDMID。 底盘和动力传动系统可以分割成如下的几个部件总成模型：1）、发动机：主要包括发动机主体、发动机进油管路、发电机、空气压缩机、水泵、过滤器、蓄电池、刹车助理器、ABS、齿轮箱、差速器、传动轴等。2）、排气系统：提取器、管路、接触转换器、消声器、固定支架等。3）、冷却系统：散热器、风扇、风扇支架等4）、发动机安装点5）、转向系统6）、前、后副车架7）、前、后悬挂系统和轮胎刹车系统网格划分要求1. 发动机 对于发动机、变速箱等比较大的结构，抽取发动机和变速箱的外表面，并适当简化，网格基本尺寸为1520mm。 发动机和变速箱等本体在分析中作为刚体处理，但必须保证单元质量，可以作适当的几何简化处理 对有安装支架的蓄电池、ABS、过滤器等零部件，安装支架需抽取几何中面，保证其实际的厚度。网格质量要保证。划分网格的基本尺寸10mm，最小单元尺寸需大于5mm。2.排气系统 排气管、接触转换器、提取器等抽取零件的几何中面保证其实际厚度。消声器抽取外表面模拟。排气系统零件的连接采用节点重合方式。划分网格基本尺寸为10mm 3、冷却系统 网格划分基本尺寸为10mm 风扇、风扇框架、风扇固定支架采用壳单元模拟。 冷却器和散热器采用六面体solid单元模拟，至少保证3层实体单元，使用蜂窝材料属性Honeycomb。4. 发动机安装点网格划分基本尺寸为10mm 发动机安装结构抽取几何中面，保证单元质量。橡胶垫和液压阻尼采用弹簧单元模拟5、转向系统抽取转向系统零部件的外表面，采用壳单元模拟。保证单元质量，网格划分基本尺寸为10mm。6）、前、后副车架 主要采用壳单元模拟，抽取零件的中面，网格划分基本尺寸10mm，最小单元尺寸为5mm。7、前、后悬架和轮胎刹车系统懸架的螺旋彈簧與彈簧座接觸區域，必須以固體單元加上接觸面和被接觸面的模擬。材料數據可向材料供應商索取，有限元模型包括輪胎的性能必需要和測試數據相符。 前、后悬架主要采用壳单元模拟，抽取零件的外表面，网格划分基本尺寸10mm。刹车盘采用实体单元模拟，轮胎采用壳单元模拟抽取外表面。 三、座椅模型建模要求座椅海棉： 座椅海面、靠背海棉和头枕采用五面体和六面体实体单元模拟，单元平均尺寸为20mm，最小单元尺寸为4mm，翘曲小于15度。 座椅骨架 座椅骨架模型的网格尺寸为10mm。 座椅骨架的所有部件抽取中面建立模型，每个部件采用真实的厚度。三、内、外饰模型建模要求1、 正面碰撞模型的内、外饰件包括前保险杠、仪表板。