汽车碰撞模拟分析流程

ANSYS汽车碰撞解析流程FlowChartofAutoImpactAnalysisPreparedBy史志远Date:,2004汽车碰撞模拟解析流程一、碰撞平安性试验介绍：在汽车模拟解析的过程中，提高汽车碰撞平安性的目的是在汽车发生碰撞时保证乘员生存空间、缓和冲击、防备发生火灾等等。但是从碰撞事故解析中可知，汽车碰撞事故的形态也千差万别，所以对汽车碰撞平安性能的评论也必须针对不同的碰撞形态来进行。按事故统计结果，汽车碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车等几各种类。但随着公路条件的改进，正面碰撞和侧面碰撞形态成了交通事故中最常有的碰撞形式。按照碰撞试验的目的划分，现在碰撞试验大体可以分为三类：由政府法规要求的强制性试验：比方FMVSS208、ECER94法规规定的正面碰撞试验，FMVSS214、ECER95法规规定的侧面碰撞试验等等；由汽车制造厂自己拟定的碰撞试验方法：比方用于提出改进汽车碰撞平安性的新举措等等；为消费者提供信息的试验：比方美国、欧洲等国家实施的新车评论程序〔NCAP〕,汽车平安法规中规定了到达政府规定的最低平安性能要求，NCAP以更高的车速进行正面碰撞试验，以展示汽车产品的碰撞平安性能。由于法规试验是政府强制实施的，所以，汽车碰撞试验法规是人们关注的热点。下表列出了一些美国FMVSS,欧洲ECE的汽车被动平安性法规的试验工程。表一FMVSS与ECE的一些汽车平安性法规工程

法规号美国

欧洲平安带固定点侧门强度

FMVSS210FMVSS214

ECER14—车顶强度

FMVSS216

ECER66转向系统FMVSS204ECER12内部凸出物FMVSS201ECER21汽车乘员碰撞保护FMVSS208ECER94FMVSS214ECER95二、人体伤害评论指标：在碰撞试验或碰撞模拟解析的过程中，都使用了标准的碰撞试验假人，经过测量假人的响应计算出伤害的指标，用于定量的评论整车及平安部件的保护效能。HybridIII假人家族的伤害评论基准值：下表列出了正面碰撞试验用的HybridIII假人家族的伤害评论基准值。HybridIII第百分位男性假人是目前生物保真性最好的正面碰撞试验假人，别的，为了评论汽车对不同身材乘员的平安保护性能，按比率方法开发了第95百分位男性的大身材假人和第5百分位女性的小身材假人。表二HybridIII假人家族的伤害评论基准值身体地域伤害评论指标小身材〔5％〕中等身材〔50％〕大身材〔95％〕头部HIC〔t2-t1<=15ms〕11131000957头/颈向前弯曲力矩〔Nm〕104190258接合面向后弯曲力矩〔Nm〕315778轴向拉伸〔N〕见相关文件轴向压缩〔N〕剪切〔N〕见相关文件胸部胸脊椎上的加速度〔g〕736054粘性指标〔m/s〕111大腿骨轴向压缩〔N〕见相关文件膝部小腿骨至大腿骨间的位121517移〔mm〕压缩载荷〔N〕255240004920小腿骨轴向压缩〔N〕510480009840Fc－轴向力极限〔KN〕侧面碰撞假人的伤害评论基准值：下表所示为目前使用的用于侧面碰撞用的假人SID,EuroSID-1的伤害评论基准值：表三侧面碰撞用的假人的伤害评论基准值身体地域伤害指标SIDEuroSID-1头部HIC(t2-t1<=15ms)－－HIC(t2-t1<=36ms)－1000胸部肋骨至胸骨积压量－42(mm)二门车〔g〕9090四车门〔g〕8585粘性指标〔m/s〕－1腹部横向载荷〔KN〕－骨盆横向加速度〔g〕130130耻骨结合部载荷〔KN〕－10伤害评论指标的计算a．头部伤害指标HIC(HeadInjuryCriterion)定量地评论头部碰撞忍受能力地基础是WanyneState耐力曲线WSTC,Versace对WSTC进行了进一步地研究，提出了新地头部伤害指标HIC：1t2HICmax(adt)2.5(t2t1)(1)t2t1t1式中：a－头部质心点地合成加速度，g；t1,t2－碰撞过程中地任意两个时刻，s；平时把最大地积分区间取为36ms,即要求t2-t1<=36ms。当HIC仅限于做头部接触碰撞伤害评论时，将积分区间取为15ms即可。b．粘性指标VC(ViscousCriterion)胸骨的挤压量指标不能很好地反响较高速度碰撞造成地伤害地可能性，关于更高地速度冲击，挤压变形速度对伤害显得更重要。粘性指标VC是变形速度V(t)和相对挤压变形量C(t)的乘积。VC的单位与速度单位相同，为m/s，试验说明，造成严重伤害的概率为25％时的忍受水平VCmax＝1m/s。c．胸部伤害指数TTI(ThoracicTraumaIndex)TTI是用于胸部侧面碰撞时伤害评论的指标，计算TTI所用的加速度值是从第12根肋骨上获得的，对胸部伤害相关系数较大的是侧面加速度峰值，自然，还要考虑人体的质量和年龄。TTI=*AGE+*(RIBY+T12Y)*MASS/Mstd(2)式中：TTI－胸部伤害指数，g；AGE

－人体的年龄，岁；RIBY

－第

4、8根肋骨的侧面加速度峰值，

g；T12Y

－第

12肋骨处的侧面加速度峰值，

g；MASS

－人体的质量，

kg；Mstd－标准人体的质量，Mstd＝75kg。关于50％的假人，TTI可简化为：TTI=*(RIBY+T12Y)(3)三、汽车碰撞解析的软件介绍：前后办理软件：eta/简介：VPG软件是ETA在对各大汽车厂商〔如FORD、GM、DAIMLER-CHRYSLER、KIA等〕近20年合作的工程咨询和技术效劳过程中，积累了丰富的汽车业CAE技术效劳经验而开发出的整车仿真软件。eta/分为三个模块：VPG/PrePost:前后办理器模块：前办理包括：支持多种CAD数据格式，强大的网格自动划分功能，焊点的生成，100％支持LS-DYNA的重点字，支持多种CAE数据格式等等；图1.eta/前办理界面后办理包括：云纹图的动画显示(显示应力，应变，变形等)，强大的GRAPH功能等等；(X-Y曲线表示能量，力，位移，加速度，速度的变化历程等)VPG/Structure:结构模块：它是长久性解析的环境，它包括：悬挂模块(Suspension),轮胎模型(Tire)和路面库(Road)；1)VPG/Structure中Road库的种类有：图2.Road库中的路面种类图3.Road库中的路面种类VPG/Structure中的悬挂模型有：图4.前后悬挂的种类图5.MACPHERSONA-ARM悬挂示意图VPG/Structure的轮胎模型：图6.VPG轮胎示意图VPG/Safety:平安模块：它能帮助我们方便进行碰撞与平安性解析。它包括：美国和欧洲的各种碰撞法规，各种碰撞工具如运动壁障小车、头部模型以及摆锤模型等，还有家人模型，平安带模型等等。VPG/Safety包括的碰撞法规有：图7.VPG/Safety的碰撞法规的假人模型有：图8.VPG/Safety的假人模型图9.VPG/Safety的假人模型示意图的运动壁障小车：图10.VPG/Safety的运动壁障模型示意图计算软件：LS-DYNA(version970-PC)简介：LS-DYNA是一个通用非线性瞬态动力解析有限元软件，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，其散布存储显式并行求解器提供了最快的计算速度，可运行在Ｕnix,Linux和WindowsClusters环境下。LS-DYNA还拥有更多的解析功能，包括：热耦合解析，流体动力学，流体-结构交互作用、光顺质点流体动力(SPH)、无网格解析(EFG)等。LS-DYNA可以解决高速碰撞、复杂的金属成型等问题，可以无缝地解决多物理场、多相位、多工况等方面的问题；它作为通用的多物理仿真软件，用户可以经过各种功能的组合将其运用到好多领域的解析。LS-DYNA可以运用在：汽车碰撞及乘员平安性解析；爆炸、穿甲解析；发动机的包容性解析；板材冲压成型模拟。四、汽车碰撞模拟解析的一般流程：由于用实际的车来做碰撞解析〔特别在设计开发阶段〕一方面价格周期比较长，别的一个方面价格比较昂贵，所以，大量的碰撞模拟试验都在计算机上完成。而且，随着计算机技术的飞速展开，使这种解析模拟工作不只成为可能，而且越来越方便，越来越在设计开发过程中占有主导地位。下面就以侧面碰撞解析〔正面碰撞也邻近似〕为例，来阐述怎样在计算机上模拟整车的前碰撞解析的过程和方法并可以考据eta/VPG软件(含求解器Ls-dyna)在使用过程中的性能。1)将车模型的CAD数据导入：(Import)在VPG前办理中，有多种CAD数据种类的接口，包括：UG，CATIA，IGES，PRO-E，STEP等等，如下列图。可以直接将这些种类的数据读进来。图11.与CAD数据的接口用网格的自动划分功能划分网格：(Auto-Mesh)在中有一个强大的网格自动划分功能：即TOPOLOGYMESH功能。利用次功能可以将读入的CAD模型数据划分成网格，在划分的过程中，可以同时采用整个模型的面来划分，也可以对单个面逐一划分，这样划分出来的网格质量比较好，看起来也很圆滑。设置的参数如下：图12.TOPOLOGYMESH参数设置在表中你可以设置这样一些参数：单元网格的大小(ELEMENTSIZE),，忽略孔的大小(IGNOREHOLESIZE)，面与面的缝隙(SURFACEBDYGAP)，还有一些控制网格质量的参数，如翘曲度(WARPAGE),，锥度(TAPER)，单元的长宽比值(ASPECTRATIO)等等。一般我们采用的网格的大小为10mm左右，其他参数都可以采用默认值。如果整车模型的单元大小同样的话，那么整车模型的单元数就会比较多，因此，为了减少模型的大小，在碰撞解析不是很重要的地方，相应的网格尺寸可以取大一些，比方，如果是该模型已经确认好了要用于模拟前碰撞解析，那么关于车的前部的网格要求质量比较高，网格的大小也可以小一点，而车后部的网格可以划得大概一些，网格的大小也可以相应的大一些；如果该模型已经确认好了要用于模拟侧碰撞解析，那么运动壁障车所要碰撞的那一侧边门网格要密一些，结构也要齐全一些，而关于它的对立面，网格尺寸可以大一些，甚至侧边门可以不画，用质量块单元来代替，所以，这是要视详尽情况而定。3)网格质量检查(ModelCheck)在网格进行自动划分今后，需要对自动划分的网格进行质量检查。其实，每个公司也许每个人对网格质量的认识有所不同，因此，不同的人便可能会有不同的网格质量标准，而ETA在多年的工程工程解析过程中也形成了一套自己的标准，关于里各项检查功能来讲，将ETA自己的网格质量的标准设置成默认值，用户按照这个网格质量标准检查完的模型，在计算解析完所获得的结果也就比较可靠。详尽的检查工程如下列图：图13.模型检查功能在对网格质量进行检查的过程中，如果存在网格质量不好的单元，可以用网格的自动修复功能(AUTOREPAIR功能)对其进行网格的自动修复，也许手工进行更正。自动网格划分的结果如下列图所示：图14.车身的有限元网格示意图创立焊点〔Spotweld〕及质量块单元〔TrimMass〕在创立有限元模型的时候，建立焊点是一项重要的工作，在中多种连接方式可以提供给用户。一般情况下，在LS-DYNA中，可以定义成*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY，也可以定义成*CONSTRAINED_SPOTWELD。在本模型中，一共产生了2000多个焊点，定义的方式是*CONSTRAINED_SPOTWELD。有限元模型中，质量块单元代表的是一些非结构质量，它是由于一些结构在创立有限元模型的时候被忽略了，比方电池，备用胎，仪表盘上的部件等等，但是在解析模拟的时候，如果这些部件完全不考虑的话，那么对整车模型的质量就会有影响，所以，我们就用一些质量块单元来代替这些被忽略部件的作用。在创立的时候，质量块单元的地址取在被忽略部件的质心，它有两种连接方式，一种是直接连接在节点上，另一种是当质心离连接点比较远的时候经过刚性连接来连接。焊点和质量块如下列图所示。图15.焊点与质量块单元示意图创立悬挂(Suspension)悬挂的产生：关于汽车的悬挂模型，如果用户有该悬挂的CAD模型，那么可以按照前面所说的方法：可以将该CAD模型导入到中，然后利用网格自动划分功能对其进行网格划分来获得汽车悬挂的有限元模型，这里产生的悬挂是有二维或三维单元组成的。但对来讲，还有别的一种方法，那就是在VPG/Structure模块中，它包含有自动产生悬挂的功能，我们可以利用这个功能来产生悬挂的。在VPG中的Suspension菜单下，它有两种前悬挂和八种后悬挂，用户可以根据汽车的悬挂来选择一种悬挂种类,产生的过程中界面比较友好，用户可以自己更正悬挂的几何参数以及弹簧的刚度，阻尼系数等等参数。用户也可以在该悬挂基础上持续进行更正，直到与汽车的真实悬挂一致，这里产生的悬挂都是有一维单元组成的。如果经过自动产生的悬挂需要进行几何地址上的调整，才能让悬挂和车身处于适合的地址，以便于悬挂和车身的连接。悬挂与车身的连接：在悬挂与车身之间有多处需要连接，调节后的悬挂与周围部件的连接关系如下列图所示。图16.焊点与质量块单元示意图创立轮胎(Tire):在VPG/Structure模块中，包含有自动产生轮胎的功能，因此，在这个模型中，我们就是利用这个功能来产生轮胎的。轮胎的产生：用VPG30来产生轮胎的过程中，需要定义一些参数，如下列图所示。(a).定义轮胎压力：VPG产生的轮胎它是可变形的轮胎，不是刚性的轮胎，而且在VPG轮胎中带有平安气囊的，因此，在定义轮胎时需要定义轮胎的胎压。(b).定义轮胎的几何参数：关于轮胎的几何参数，都可以用VPG提供的默认值，用默认值的好处是：这样产生的轮胎和实际一个这样的轮胎的刚度比较凑近，不需要用户自己去调节轮胎的刚度。(c).定轮胎的重量和同时产生轮胎的个数；(d).轮胎的材料和特性：在轮胎产生的同时，VPG会给轮胎的各个部位赋予材料与厚度，材料包括橡胶材料，刚性材料，弹性材料等等。图17.产生轮胎时参数的设置轮胎与悬挂的连接：VPG中，轮胎和车轴之间可以定义成旋转的，它可以用一种铰接来定义。连接用的铰接以及轮胎和悬挂的连接如下列图所示。图18.轮胎和车轴之间的连接方式图19.轮胎和车轴之间的连接示意图在前办理中定义车身材料、单元特性以及接触：在前办理中，关于LS-DYNA的各种卡片是100％支持的，因此，如果用户需要定义任何卡片，都可以直接经过的前办理功能完成，这关于用户是很方便的。关于悬挂和轮胎，如果是用自动产生的，那么这局部单元的材料以及单元特性在自动产生的过程中VPG也相应的创立并且也赋给了这些部件，只需对车身上的材料和单元特性需要到的前办理中去赋值。如果悬挂和轮胎也是经过用户自己划分网格产生的，那么这局部单元的材料和单元特性也需要定义。定义车身的材料：在LS-DYNA中，关于材料的卡片就有近200种之多，用户可以在VPG中采用材料种类，然后再定义材料参数，材料种类有：图20.中的材料列表在汽车模型有限元中，并不是所有的材料模型都能用到，关于车身上柔性体定义的大多数是弹塑性材料(LS-DYNA中对应的是24号材料),只是关于不同的部件它的强度有可能不一样，也就是材料的应力应变曲线以及信服应力不同样;关于刚体定义的材料是刚性材料(LS-DYNA中对应的是20号材料)。别的，在整车模型中，可能还有塑料材料、泡沫材料，玻璃材料，橡胶材料等，关于不同的材料在VPG中选择不同的材料模型以及定义不同的材料参数。定义整车的单元特性:在前办理中，不同的单元种类需要定义不同的单元特性，有一维单元，二维单元，三维单元等等，如下列图。图21.中的单元特性列表在汽车有限元模型中,大多数的单元种类都是壳单元,因此在定义壳单元特性时采用的LS-DYNA卡片都是*SECTION_SHELL,壳单元的积分方式都采用LS-DYNA的默认值(Belytschko-Tsay),而单元在厚度方向上的积分点个数一般取为2;关于三维立体单元的特性采用*SECTION_SOLID，关于一维梁单元的特性采用*SECTION_BEAM。定义接触:接触算法是LS-DYNA中一个很重要的内容，关于模拟汽车的碰撞解析，接触算法是必不可少，因此，正确定义汽车各部件的接触就显得尤为重要。定义接触时，一方面选择正确的接触种类，另一方面还要确定会发生接触的各个部件，即主面和从面。主面和从面的定义可以有多种形式，可以是节点集，或单元集，或部件集等等，用户要根据接触种类以及定义的方便来选择主面和从面的定义方式。在定义接触时还要确定接触部件之间的静态和动向摩擦系数也很重要。下列图所示的是3-dimension的接触种类。图22.中的接触种类列表8)利用VPG/Safety模块创立欧洲的侧碰撞解析模型〔ECER95〕一般在国内，要求做的汽车碰撞解析是前碰撞，汽车厂商自己可能会做的解析是侧碰撞解析，中国的碰撞法规可能参照更多的是欧洲的碰撞法规。关于前碰撞法规欧洲有ECER94,美国有FMVSS208;关于侧碰撞法规欧洲有ECER95,美国有FMVSS214。这两种法规大同小异，它们的要求与试验内容之间的比较如下表所示。表四ECE94与FMVSS208法规的比较表五ECE95与FMVSS214法规的比较从上表可以看出，欧洲ECER95的试验内容是：在车内需要有一个欧洲侧碰撞假人，移动壁障是可变形的，移动壁中心线与汽车中心线垂直，碰撞时运动壁障的速度为50km/h，而且，关于移动壁障车的质量也有要求，要求移动壁障车的质量大小为950KG。在创立侧碰撞解析模型过程中，可以利用过程引导的方法〔ProcessGuidance〕一步一步〔Stepbystep〕创立ECER95模型是特别简单的。在创立ECER95模型时，首先要确定两个参数：一是要确定运动壁障的地址，别的一个是由于ECER95需要有一个欧洲侧碰撞假人，因此需要确定假人摆放的地址〔H-Point〕。关于法规中的运动壁障车的要求，在中都设置成了默认值。创立的方法如下：a).将用户自己创立的整车模型导入到中；b).然后选择菜单/Safety/CrashWorthiness/ECE95EUROSIDEIMPACT;c).定义侧碰撞的信息，包括运动壁障车的地址和车速；如下列图。图23.定义侧碰撞信息d).在汽车侧边上选择一个测量运动壁障车与汽车间距为20mm的点；e).如果选择要用法规中的默认假人的话〔欧洲侧碰撞假人〕，那么需要定义假人的摆放地址，即H-Point；f).定义假人与汽车之间和汽车与运动壁障车之间的接触；g).定义一些控制卡，碰撞的结束时间以及一些以便于解析结果文件；创立完的ECER95侧碰撞解析模型如下列图。图24.ECER95侧碰撞解析有限元模型计算与结果：在提交解析从前，根据用户自己想要获得的解析结果，可以定义一些数据结果文件，以便在后办理中进行解析。创立好了前碰撞解析有限元模型今后，就可以交由LS-DYNA进行解析，在该模型中，定义的碰撞结束时间是90ms。解析所获得的结果可以用VPG/PrePost来办理，获得的结果解析如下：1．汽车侧碰撞