面向车辆滚翻的运动姿态协同仿真环境研究

1、面向车辆滚翻的运动姿态协同仿真环境研究摘 要：为解决车辆滚翻研究过程中有限元仿真面临的计算效率和精度问题，参照美国FMVSS208平台车试验条 件，分别进行了车辆滚翻多刚体动力学和有限元仿真研究：基于滚翻过程中车辆运动姿态对两种仿真方法之间进 行运动学数据交换，形成面向车辆滚翻的运动姿态协同仿真方法.结果表明，该方法可以利用多刚体动力学仿真 替代有限元仿真中部分运动学计算过程，在有限元仿真精度基础上提高有限元仿真效率，为研究车辆滚翻安全性 提供了新的思路和技术途径：关键词：车辆滚翻;多刚体动力学仿真;显式有限元仿真;协同仿真Research on Collaborative Motion Si

2、mulation Environmentfor Vehicle RolloverAbstract: In order to solve the problem of computational efficiency and accuracy of finite element simulation in vehicle ro l l over research，multi?rigidbody dynamics and finrte e l ement simu l ation of vehicle roliing were carried out respectively based on t

3、he test conditions of FMVSS208 platform vehicles i n the Un i ted States. Considering the k i nemat i c data exchange between the two s mulaton methods of vehcle movement atttude -n the rollng process，a cooperatve s mulaton method of the motion attitude of vehicle rolling was presented. The results

4、show that the method can take the advantage of mult rgd body dynamcs s mulaton to replace some knematc calculaton process -n fnte element s mulaton， mprove the effcency of fnte element s mulaton on the bass of fnte element s mulaton accuracy，and provde a new technology way for the study of vehcle ro

5、llover safety.Key words: vehicle rollover; multrigid body dynamcs simulation； explicit finite element simulation； cooperative simulation近年来，汽车滚翻研究备受重视，相关汽车滚 翻研究结果也为汽车滚翻安全性的提高提供了巨 大帮助目前，基于整车滚翻的试验研究虽然较 多，但滚翻过程伴随大幅度和多自由度运动，试验 实施过程中的相关数据信息采集困难，车辆破坏 严重，试验可重复性低，造成试验研究的成本过 大，并且试验偶然因素影响太强，无法通过极少量 的试验来进行完全的验

6、证和评价，因此各类试验 研究都不具有代表性，采用较多的是美国平台车 试验.利用仿真技术进行整车滚翻过程仿真模拟, 可以提高研究效率、缩减研究成本，更能大幅度提 升车辆的安全性能，相对于试验研究的实施难度， 滚翻仿真研究体现出巨大优势.在车辆滚翻仿真研究中，目前分为两种方法即 多体动力学仿真研究方法和有限元仿真研究方法. 多刚体动力学乘员损伤研究模型计算效率较高，但 无法得出车体变形情况以及乘员具体损伤机( 关于有限元方法的研究，针对某些特定影响因素的 研究建模较多，并且研究边界条件多集中于美国平 台车滚翻试验有限元模型需要离散化，可以研 究车辆滚翻中车体变形情况，便于研究车内关键部 位防护和乘

7、员损伤机(，但显式动力学有限元方 法是一种迭代计算，不适合应用于持续时间长的滚 翻仿真，在滚翻仿真超过1 S后其计算结果可信度 较低，且计算成本较高，仿真中的计算精度和计算效 率问题是有限元应用于滚翻计算的难题.因此，为利用有限元仿真进一步研究整车滚翻 过程中车体结构和乘员损伤机(，结合上述两种方 法的优点，基于美国FMVSS208法规提出多体动力 学仿真和有限元仿真协同仿真方法研究，验证了方 法可行性，利用多刚体动力学仿真效率高的优点取 代有限元仿真中部分运动学计算过程，减少有限元 仿真计算时间，避免有限元仿真因为时长过长而造 成的精度问题，从而提高有限元仿真效率的同时保 证有限元仿真精度.

8、1车辆滚翻动力学仿真方法1滚翻边界条件美国在研究汽车滚翻方面相继颁布了一系列联 邦机动车法规，其中动态滚翻试验FMVSS208中规 定了车辆平台车滚翻模拟试验实施过程逍，此法规 虽然不具有强制性，但相关车辆碰撞性能认定机构 多采用此方法进行抗车辆滚翻性能验证，相关的仿 真研究也大部分基于此边界条件.试验装置如图1 所示.试验规定，翻车平台以48. 28 km/h的恒速垂 直于汽车纵向轴水平运动，并且在足够长的时间里 让汽车与平台达到相对静止，平台在距离不足7. 62 cm长度内从48. 28 km/h速度减为0,减速度至少 20 g,最短时间为0. 04 s$8%.图1平台车试验Fig. 1

9、Plat/orm vehicle testL2多体动力学模型多体动力学是研究多体系统运动规律的科学, 主要研究在力的作用下，物体的运动与运动中产生 的力的关系，包括多刚体动力学和多柔体动力学，根 据力学基本原理推导的动力学数学模型相同.其动 力学方程形式为拉格朗日坐标阵的二阶微分方程 组，即A(,q,t)q =,( 1 )式中q为所有U的拉格朗日坐标阵.对于多刚体模型，选质心为基点时，刚体的绝对 运动可分解为随同质心的平动和绕质心的相对转 动，根据质心运动定(即可得质心运动方程；根据对 质心的相对动量矩定(，得质心转动动力学方程组JS= + (Jc , JB)wrwq = 2?- (F,),6

10、=13% JbS $ (J N Jc)SpSr = 2?t (F6 , ( 2 )i=13JcSr + (Jb J/)% = 2?T (Fi).i= 1式中:Jn , Jb, Jc为刚体中心主转动惯量*-,3,4 为刚体固连坐标系分量*Sp,Sq,叫是刚体角速度 在固连中心主轴系各轴上分量其中，Sp,Sq,Sr与 欧拉角之间的欧拉运动学方程为%= = 0 sin * sin( $ * cos 甲,% sq = 0 sin * cos( _ * sin( 3 )Sr = 0 cos * $ (.式中0,*，(为欧拉角.上述方程联合在一起即为多 刚体一般运动的微分方程.根据上述平台车标准建立多刚体

11、动力学模型, 如图2所示，模型主要包括整车模型、翻车平台和地 面模型，通过运动副建立整车各部分之间的连接关 系，建立车与翻车平台、车与地面之间的接触关系, 按照边界条件定义模型各部件之间相对运动关系.图2多刚体模型Fig. 2 Multi-body model1.3有限元模型有限元分析核心是解决动力学方程问题，目前 主要采用时域分析法中的逐步积分法对动力学方程 进行求解逐步积分法根据算法的不同又有隐式 和显式之分，汽车碰撞分析中主要采用显式算法，本 文主要运用显式算法的中心差分法进行求解.其动 力学方程为M8+) +C8+) +K8+) = P+),(4 )式中：K为总体刚度矩阵;M为总体质量

12、矩阵(+) 为节点位移矩阵(+)为节点速度矩阵(+)为节 点加速度矩阵P+)为节点载荷矩阵.对上述方程利用差分法求解t + +t时刻的位 移得：M(= p(t),-,1%m = 土 m+ac !2+ ) m+) P()- (K-*+)( 分别在Adams和Ls _dyna中进行仿真计算.对刚 体车身，以整车滚翻与地面第一次接触时姿态为截 止状态，计算中可以看出有限元仿真单机运行计算 时间约为两小时，时长比多刚体动力学仿真时长大 12倍以上.对多刚体动力学计算结果与有限元计 (结果中整车滚翻轨迹进行比较，如图3所示.轨 迹为平台车开始减速，整车发生滚翻至第一次与地 面接触过程.为使两种仿真结果便

13、于比较，结果以 平台车开始减速时刻为0时刻.图3整车滚翻轨迹Fig 3 Rollover track o/ the entire vehicle由仿真轨迹可以看出，在相同的边界条件下，两种 仿真过程中整车模型滚翻过程中轨迹几乎完全相同； 过程中车辆滚翻姿态相同,车身触地部位相同；整车模 型都是在平台车挡板拌翻之后进行多自由度运动，整 车在发生一定上抛运动的同时绕自身转动轴转动，在 距离平台车速度减为零后一定距离与地面发生第一次 触地碰撞;碰撞位置都位于驾驶员左上侧顶盖位置.M( ：建立与多刚体运动学模型相对应的整车有限元实体模型.为避免刚体发生完全弹性碰撞，平台车 和地面有限元模型设为柔性体.

14、建立相应部件之间的连接关系、接触关系和运动关系.2运动姿态协同仿真方法研究# 1协同仿真方法可行性研究将上述建立的多刚体动力学模型和有限元模型7有限元仿真X方向0.0 0.10.2 0.3 0.4 0.50.6 0.7s图4M( ：建立与多刚体运动学模型相对应的整车有限元实体模型.为避免刚体发生完全弹性碰撞，平台车 和地面有限元模型设为柔性体.建立相应部件之间的连接关系、接触关系和运动关系.2运动姿态协同仿真方法研究# 1协同仿真方法可行性研究将上述建立的多刚体动力学模型和有限元模型7有限元仿真X方向0.0 0.10.2 0.3 0.4 0.50.6 0.7s图4整车位移变化曲线Fig 4 V

15、ehicle displacement curve有限兀仿真有限兀仿真X方向多刚体仿真X方向 -有限元仿真K方向多刚体仿真K方向 -有限元仿真Z方向多刚体仿真Z方向0.00.10.20.30.40.50.60.7t/s图5整车速度变化曲线Fig. 5 Vehicle velocity curve图6整车角速度变化Fig. 6 Vehicle angular velocity curve多刚体动力学仿真中整车模型从平台车开始减 速时刻起约0. 726 S后与地面发生接触碰撞，有限元 中整车模型从平台车减速起约0. 7 s后与地面接触. 以平台车开始减速位置为参考，两种仿真中车身质心 速度相近，位

16、移变化曲线中Z方向位移在第一次落地 前出现微小差距，车身转动角速度差别很小.根据运动学参数比较，两种仿真结果中运动学 参数基本一致，多刚体动力学可以替代有限元运动 学计算过程.2车辆滚翻姿态协同仿真流程通过以上仿真结果中整车滚翻姿态、运动参数 的比较，可以看出，滚翻过程中，在车辆与地面接触 之前，车辆本身只进行空间运动，不存在受力形态和 变形情况，而有限元仿真中这部分运动过程计算占 据巨大计算时间,若是考虑车身变形，在有限元中车 身必定作为柔性体进行计算，所需的时长会更多，无 疑增加了时间成本.在车辆滚翻未与地面接触的空 翻过程，可以使用多刚体动力学分析替代有限元分 析，通过多体动力学仿真结果

17、中车辆运动参数作为 有限元仿真后续计算边界，从而实现协同仿真环境. 提出车辆滚翻姿态协同仿真方法，协同仿真流程如 图7所示.图7协同仿真流程Fig. 7 Co-simulation process在车辆滚翻仿真研究中，在车辆只有纯运动不 涉及结构变形阶段，通过建立研究对象的多体动力 学模型先进行多体动力学仿真，根据多体动力学运 动学计算结果，获取车辆在滚翻触地之前某一时刻 的运动姿态和相关运动学参数.建立与之对应的有限元模型，根据多体动力学 仿真获取的运动姿态调整有限元模型初始计算姿 态，输入多体动力学仿真获取的相关运动学参数建 立初始边界条件，替代有限元仿真中碰撞前的运动 学计算过程，直接进

18、行碰撞中动力学计算，从而更好 地进行车辆滚翻运动形式及其结构损害和乘员损伤 机理研究.这种协同仿真可以很好地提高有限元仿 真计算效率.3姿态协同仿真结果分析1协同仿真精度和计算效率验证在整车滚翻过程中车辆接触地面之前整车属于 空翻运动过程，车体自身除受重力和运动惯性力之 外，不承受外界力.根据现有研究结果由，在车辆接 触地面之前,有限元分析中车体内部应力场分布显 示应力梯度较小，）处于弹性阶段，车体各部件的连 接完好，各部件均未发生明显变形和失效破坏现象, 因此对于车身整体运动而言，并未体现明显柔性体 和刚性体差别，故可在整车与地面接触之前的空翻 运动过程中将车体作为刚体处理.由于无法直接实现

19、多刚体动力学软件和有 限元软件之间仿真结果的直接对接，因此协同仿 真中必须对多刚体动力学结果进行处理后，人为 输入有限元中进行再次计算.根据初次多刚体动 力学仿真结果，提取整车在触底前某一时刻的初 始参数.由上述多刚体动力学仿真结果可以看出车辆约 在平台车开始减速后约0. 73 s时触地，在协同仿真中输入时刻选取在触地之前的某一时刻.本次仿真 中选取平台车开始减速之后0. 7 s时刻的姿态及参 数作为输入，获取的姿态参数中欧拉角参数如表1 所示，获取的车身质心运动参数如表2所示.表1车辆姿态参数进动角0/0自转角p/c)章动角81.8157.6994 70表2车身质进动角0/0自转角p/c)章

20、动角81.8157.6994 70表2车身质心运动参数Tah 2Parameters of body masscenterMx7. 301 35 0.161 134. 921 580. 849. 894 81Tah 1 Parameters of vehicle posture0.00 0.050.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/s有限元仿真X方向 有限元仿真丫方向 -有限元仿真z方向0.00 0.050.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/s有限元仿真X方向 有限元仿真丫方向 -有限元仿真z方向曲向彳方置X方荷 伽同所真滂向 协同仿真Z方向有限元仿真X方向 一-有

21、限元仿真丫方向 -有限元仿真Z方向协同仿真 X方向 协同仿真y方向协同仿真Z方向图10碰撞前后整车速度变化Fig 10 Vehicle speed before and after collision图8协同仿真姿态输入Fig. 8 Ccrsimulation input posture根据协同仿真计算结果，将整车第一次触地碰 撞前后滚翻轨迹与有限元仿真计算结果进行比较. 轨迹从协同仿真初始开始，在整车与地面发生第一 次碰撞后至与地面发生第二次接触前某时刻停止. 为使两种仿真结果便于比较，结果以协同仿真初始 输入时刻为 0 时刻.由仿真结果得知，通过多刚体动力学提取的结 果参数作为协同仿真初始

22、输入后，得到的车身轨迹 与单一有限元计算出的车身轨迹能够很好贴合，车 身在第一次触地弹起后的运动姿态虽有较小差异! 但两种分析结果中整车都有相同的运动趋势，车身 第二次碰撞点发生区域基本相同.为了验证联合仿真方法能够保证有限元仿真的 精度基础，根据仿真计算结果，对与地面撞击前后的 整车进行运动参数进行对比，对比结果如图912 所示.%有限元仿真X有限元仿真X方向 一-有限元仿真丫方向 -有限元仿真Z方向协同仿真 X方向 协同仿真y方向协同仿真Z方向图10碰撞前后整车速度变化Fig 10 Vehicle speed before and after collision图8协同仿真姿态输入Fig.

23、 8 Ccrsimulation input posture根据协同仿真计算结果，将整车第一次触地碰 撞前后滚翻轨迹与有限元仿真计算结果进行比较. 轨迹从协同仿真初始开始，在整车与地面发生第一 次碰撞后至与地面发生第二次接触前某时刻停止. 为使两种仿真结果便于比较，结果以协同仿真初始 输入时刻为 0 时刻.由仿真结果得知，通过多刚体动力学提取的结 果参数作为协同仿真初始输入后，得到的车身轨迹 与单一有限元计算出的车身轨迹能够很好贴合，车 身在第一次触地弹起后的运动姿态虽有较小差异! 但两种分析结果中整车都有相同的运动趋势，车身 第二次碰撞点发生区域基本相同.为了验证联合仿真方法能够保证有限元仿

24、真的 精度基础，根据仿真计算结果，对与地面撞击前后的 整车进行运动参数进行对比，对比结果如图912 所示.%有限元仿真X方向”：:土有限兀仿真Y方向.fy：有限元仿真z方向卜-协同仿真x方荷f Pg!协同仿真Y方向5 j J!协同仿真Z方向!0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/s图11碰撞前后整车角速度变化Fig 11 Vehicle angular velocity before and after coliision有限元仿真-协同仿真0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35t/s图12整车与地面碰撞撞击力曲线Fig, 12

25、Curve impact force between vehicle and ground协同仿真能够保证有限元仿真的运动学精度基 础.上述模型协同仿真中单机运行计算时长约为 1 h,相比单一有限元计算时间节约60%以上.为了进一步验证协同仿真精度和计算效率，建 立某型轻型越野车有限元模型如图13所示，模型包 含壳单元和实体网格，整车有限元模型网格单元数 量为1 909 522,节点数为2 063 873.网格单元尺寸为 1020 mm, Jacobi值大于0. 65,翘曲度小于15.图13有限元模型Fig. 13 FEA model在相同边界条件下进行柔性体车身和刚体车身 滚翻仿真,柔性体车身中不考虑焊接部位（效，整车 与地面之间采用面面接触，整车各部件之间采用自 接触,设置计算时间为3 s,采用单机计算.通过计算过程可以看出，在求解器中设置相同