公路护栏安全性能评价仿真技术-建模技术与验证测试方法

1、附录 B（规范性附录）建模技术与验证测试方法B.1 车辆建模技术车辆模型部件车辆模型的部件应包括车身、车架、悬架、车轮和转向系统：a） 车身是车辆用来载人或装货的部分，包括车窗、车门、驾驶舱、乘客舱、发动机舱和行李舱等。车身可分为非承载式车身和承载式车身：非承载式车身的车辆设有刚性车架，常用于货车、客车和越野车，车身本体悬置于车架上，采用弹性元件进行连接；承载式车身的车辆没有刚性车架，车身即为发动机和底盘各总成的安装基体，车身兼有车架的作用并承受全部载荷，一般用于轿车。在有限元模型中，车身形状和材料属性应精确，通常这一部分模型是由具有适当厚度的壳单元构成。车身材料通常为钢或铝合金，在有限元方法

2、中一般采用弹塑性材料，对应变率敏感材料，应考虑材料的应变率效应。b） 车架俗称大梁， 是跨接在车辆前后车桥上的框架式结构，一般由两根纵梁和几根横梁组成。在有限元模型中，通常采用壳单元对车架各构件进行建模，采用刚性点焊单元、梁单元进行连接。c） 悬架是车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，保证车辆能平顺行驶。在对护栏的碰撞模拟中，悬架在确定车辆轨迹和运动姿态（横摆、侧倾和俯仰） 方面发挥着重要作用。悬架主要有两类：非独立悬架和独立悬架：非独立悬架结构的特点是两侧车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身下

3、面，非独立悬架结构简单、成本低、强度高，多用在货车和大客车上；独立悬架结构的特点是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身下面，独立悬架质量轻，车辆稳定性和舒适性较好，多用于轿车。在有限元模型中，悬架可进行简化，悬架的导向机构及减震器等可使用简单的壳单元和实体单元建模，弹性元件（弹簧和阻尼器）或转向节可采用离散一维单元建模。d） 车轮总成由车轮和轮胎组成，直接参与对护栏的碰撞过程。车轮总成建模时，需考虑以下两个要素：1） 车轮的自由滚动， 可通过在两个刚体间定义一个沿特定方向相对旋转的转动接头来实现。2） 轮胎变形以及与路面的摩擦。轮胎的胎压可在有限元模型中通过设置气囊属性来20模拟

4、；对于轮胎和路面之间的摩擦系数，需要定义静摩擦系数和动态摩擦系数。e） 转向系统主要由方向盘、转向轴、转向器、转向横拉杆、 减震机构及连接结构组成，如图 B.1 所示。在有限元模型中，转向系统可进行简化，转向拉杆套筒、方向盘和转向器等使用简单的壳体单元建模并进行配重， 转向轴、转向横拉杆及连接机构可以用离散一维单元建模。图 B.1转向系统示例车辆模型组织为快速识别车辆模型中各零部件并理解其连接装配关系， 同时为方便模型操作， 随时对车辆模型的某一系统进行测试和校核， 应对车辆模型进行模块化管理。 采用模块化管理后的模型架构为： 每个子系统包含在一个单独的文件中， 所有子系统之间的边界条件、 接

5、触和约束包含在一个单独的文件中，所有子系统内定义的材料包含在一个单独的文件中，整个模型可以用一个使用file include命令的主文件来调用，例如，在某商业有限元软件中使用*INCLUDE实现。图 B.2 提供了某商业有限元软件应用程序的模型结构。因此，主文件可为：$Main.index$ Heading$*KEYWORD*INCLUDEBodyBody.index*INCLUDESuspensionsRr_susp.index21*INCLUDESuspensionsFr_susp.index*INCLUDEEngineEngine . index*INCLUDEWheelsRr_Whee

6、ls.index*INCLUDEWheelsFr_Wheels.index*INCLUDEBoundary_conditions.index*INCLUDEMaterials .index*END图 B.2 小型汽车的子部件细分示例车辆模型模块化开发规则车辆模型的模块化开发规则包含以下几方面：a）文件架构应包含子系统模型文件、子系统连接及接触关系文件，调用这些文件的 “主”22文件。 各子系统文件应彼此独立，可单独打开。当模型针对广泛的用户时，如果不同的分析人员需要使用模型，模块化结构具有很大优势，可以使模型易于理解，以便进一步修改或适应不同的碰撞情况。b） 每个子系统的节点和单元编号应各自使

7、用一个可区分的范围，每个子系统中节点和单元应按顺序编号。例如， 考虑到车辆模型由多个子系统组成，每个子系统又由许多部件组成，车辆模型可以选择范围1-1000000 ，该范围应大于节点总数和单元总数并有充分的余量。对于每个单独的部件，可以为其分配子范围，这种技术对于快速识别节点或单元属于哪个部分或子系统十分有效。c） 如果对模型进行平移、旋转或任何几何操作，应尽量减少对车辆模型的操作，例如相对于公路护栏对车辆进行定位、平移或旋转，最好通过移动或旋转护栏来进行定位。d） 当车辆模型整体修改时，可在每个单独的子系统中进行修改。e） 模型的首选单位是毫米、牛顿、吨和秒（这些单位保证了结果的一致性）。节

8、点坐标应在车辆坐标系中定义。车辆模型材料车辆模型的材料应考虑以下3 方面：a） 材料本构关系应与仿真模拟的范畴相符，例如材料本身能够承受较大的塑性变形和破坏，则模型中的材料定义应反映这些能力。车辆模型文件应包含所有使用的材料卡和材料本构关系。b） 当应变率对材料屈服点有影响时，应变率参数会影响材料的破坏或材料破坏程度，因此，应考虑材料的应变率。c） 金属材料的屈服可通过米塞斯（Von Mises）应力来判断。车辆模型二维网格技术参数一般规定车辆模型的二维网格技术参数应遵循下列规定：a） 通常碰撞过程中只有车体的部分结构直接接触并撞击护栏，在建立车辆有限元模型时，直接参与碰撞的车体局部结构宜采用

9、细密网格。对于护栏模型， 同样可以考虑将可能与碰撞车辆发生接触的横梁或护栏的其它结构进行网格细化。b） 应合理定义单元的类型和尺寸，对于较厚部件的失效可通过在壳体单元厚度方向上定义积分点来模拟。c） 在对车辆结构建模时，没有包含内饰、座椅、门锁机构及其它部件。缺失的部分以质量点的形式均布在车体结构上，一般这部分质量占整车质量的10% 20%。23车辆模型二维网格划分要求车辆模型二维网格技术参数的几何细节网格划分应满足下列要求：a） 孔的网格可按表B.1 来划分，其中D 为孔直径。b） 倒角的网格划分可按表B.2 来划分，其中 R 为倒角半径。表 B.1 孔的网格划分建议尺寸建议D<10m

10、m孔可以忽略。D=10 20mm可将孔划分网格后成方形孔。20mm<D<40mm孔周边用四边形单元环形均布，且至少应有六个单元。D>40mm按照建模尺寸，保留偶数单元。表 B.2 倒角的网格划分建议尺寸建议R <10mm倒角可以忽略，通过沿着与倒角边缘相切的线适度扩展网格来修剪倒角。10mm<R <20mm倒角中间至少保留一个点。20mm <R <40mm倒角中间留有23 个点。40mm <R<100mm倒角中间留有4 个点。R>100mm按照建模尺寸划分。图 B.3倒角的网格划分示意车辆模型二维网格特征金属板壳主要使用四边形单

11、元划分网格，可使用三角形单元来保持网格一致性，但三角形单元不应超过模型中单元总数的5%，而在单个钣金构件中不应超过其单元数的10%。表B. 3 为壳单元特征推荐性建议。表 B.3壳单元特征推荐性建议网格特征推荐性建议24网格尺寸接触区域的网格尺寸为 10mm，非关键位置的网格尺寸为10mm20mm 。远离撞击点部位网格尺寸为 4050mm（例如：车头左侧撞击，车体后右侧可用4050mm 网格尺寸进行划分） 。网格均匀性网格应尽可能均匀一致。单元最小数量单元尺寸不应大于焊接间距，相邻两个焊点之间应至少有3-4 个单元；对于方柱和方梁：沿截面每个尺寸方向定义至少5 个单元。长宽比6表 B.3 （续

12、）网格特征推荐性建议翘曲度15°四边形单元最小角度： 45°；最大角四边形单元最大角度： 135°；最小角三角形单元最小角度： 20°；三角形单元最大角度： 120°。雅可比0.65偏斜度45°车辆模型二维网格的焊接和连接技术参数一般规定车辆模型二维网格的焊接和连接技术参数应遵循下列规定：a） 点焊可采用刚性或可变形单元连接进行建模，需要连接的节点应尽可能一一对应，两个连接节点的投影距离不应超过7mm。b）缝焊可通过刚性单元连接焊缝周围节点来建模，也可采用节点合并的方法进行建模。c） 在结构采用粘胶（如结构胶、玻璃胶）的情况下，粘接胶

13、处可使用实体单元建模，也可在节点之间使用单自由度弹簧元件， 但应提供足够计算验证弹簧特性。 如果胶粘没有结构性功能，则可以忽略。d） 螺栓可以用一维梁单元建模， 并设置适当的刚度特性。 模型螺栓的头部中心和螺母的理论中心应刚性连接至连接件的接触周围。车辆模型三维网格技术参数一般规定车辆模型的三维网格技术参数应遵循下列规定：a）实体单元优先选用8 节点六面体单元， 五面体单元不应超过模型中单元总数的2%，四面体单元不应超过模型中单元总数的0.1%。b） 实体单元特征推荐性建议如表B. 4 所示。表 B.4实体单元特征推荐性建议网格特征推荐性建议网格尺寸10mm 左右。25细小特征3mm 尺寸的细

14、小特征可以忽略不计。对于薄壁结构（厚度34mm ），单元的最大尺寸由厚度决定。在其它情况下，至少应在厚度方向上单元最小数量定义两层单元。宽高比5面翘曲度30°面偏斜度45°雅可比0.5车辆模型检查车辆模型检查包括以下几方面：a） 每个零件的单元应连续，保证其自由边只出现在零件的实际边界上。b） 同一零件的单元法线方向应一致。c） 每个薄壁零件的单元网格应位于零件的中面，如果因为接触界面处理的需要，也可位于零件的表面，但此时应与接触厚度的定义相配合使用。d） 除定义弹簧、铰链轴外，每个零件中不得有重复的单元。e） 模型可按90%的结构厚度进行穿透检查。B.2 护栏建模技术护栏

15、模型材料要求参见。护栏模型二维网格技术参数的一般规定见条，几何细节网格划分条，网格特征为： 金属板壳应使用四边形单元划分网格，可使用三角形单元来保持网格一致性，但三角形单元不应超过模型中单元总数的5%，单个钣金构件中不应超过单元数的10%。基于当前研究和行业发展实践给出壳单元特征推荐性建议如表B.5 所示。表 B.5壳单元特征推荐性建议网格特征推荐性建议网格尺寸精细的网格通常单元边长5mm 30mm。不需要精细网格的部件（远离接触区的部件）可采用边长30 100mm 尺寸建模。网格均匀性网格应尽可能均匀一致。对于点焊部件，单元尺寸不应大于焊接间距。最小单元数量对于方柱和方梁，沿截面每个尺寸方向

16、定义至少5 个单元。横向尺寸大于最小单元尺寸的翻边，翻边上应至少有3 排单元。26长宽比优选比例 2；最大允许 5。翘曲度优选极限 10°；最大允许 20°。四边形单元最小角度：45°最大角四边形单元最大角度：135°最小角三角形单元最小角度：20°三角形单元最大角度：120°雅可比0.65偏斜度45°护栏模型二维网格的焊接和连接技术参数一般规定护栏模型二维网格的焊接和连接技术参数应遵循下列规定：a） 点焊应使用刚性单元建模，需要连接的节点应一一对应，两个连接节点的投影距离不应超过7mm ，连接两个相邻板的两个节点之间的最大

17、距离不应大于10mm， 80情况下不应大于7mm 。b） 缝焊应采用刚性单元来模拟焊缝周围节点之间的连接。c） 在结构采用粘胶（如结构胶、玻璃胶）的情况下，粘接胶处可使用实体单元建模，也可在节点之间使用单自由度弹簧元件，但应提供足够计算验证弹簧特性。如果胶粘没有结构性功能，则可以忽略。d） 螺栓的模拟可根据实际情况考虑以下因素：摩擦、接头滑移、 螺栓张力、 螺栓弯曲、螺栓剪切、接触定义、材料失效准则、螺栓预紧力和螺栓拉拔力。B.2.4 护栏模型三维网格技术参数一般规定当护栏结构中包含铸造、 机加工或锻造金属部件时， 其单元类型合适采用实体单元。蜂窝和塑料泡沫等专用材料也可能需要实体单元来表示其

18、几何形状。目前用于二维单元的网格尺寸和质量通常也用于实体单元。实体单元特征推荐性建议如表B.6 所示。表 B.6实体单元特征推荐性建议网格特征推荐性建议网格尺寸精细的网格单元通常边长5mm 30mm。不需要精细网格的部件（远离接触区的部件）可采用边长30100mm 尺寸建模。网格均匀性网格应尽可能统一和均匀。护栏模型检查可参考车辆模型检查，见。27B.3 验证测试方法车辆模型的车辆零部件测试主要包括前后悬架模拟测试：将车辆悬空，对每个车轮进行单独加载。 在车轮底面施加载荷， 将车轮推至减振器底部 （小型车典型受力值约为4000N ），车轮的运动应当反映出受悬架影响的相应运动。对于采用独立悬架的前悬测试，车轮运动应与悬架的振动不相干。图 B.4 为小型汽车单轮加载实例，图 B.5 为对称载荷下的后悬架测试实例。 本阶段包括3 种不同的测试方法：1 单轮加载； 2 前后悬架系统对称载荷；3 前后悬架系统的非对称载荷。a）初始位置b）右前悬架压缩图 B.4施加在单个右前轮上的荷载a）初始位置b）后悬架压缩图 B.5后悬架车轮压缩（对称载荷）车辆模型线形 /环形轨迹测试要求如下：28a） 线形轨