搜索有限元軟件RADIOSS在汽車側(cè)碰仿真分析與應(yīng)用
2017-07-04 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
1、引言
車輛側(cè)面碰撞是發(fā)生率較高的交通事故形式,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明全世界約有30%的嚴(yán)重交通事故都與側(cè)面碰撞有關(guān),因此車輛側(cè)面碰撞成為汽車被動(dòng)安全性研究的重要內(nèi)容,也越來(lái)越多的受到政府、汽車制造商,以及消費(fèi)者三方共同關(guān)注。作為汽車企業(yè),為滿足消費(fèi)市場(chǎng)的碰撞安全法律法規(guī)要求,以及越來(lái)越嚴(yán)格的新車碰撞安全星級(jí)評(píng)價(jià)(NCAP)要求,已經(jīng)廣泛采用虛擬仿真技術(shù)來(lái)解決真實(shí)的車輛碰撞問(wèn)題。
在一些實(shí)際的側(cè)面碰撞事故中,出現(xiàn)過(guò)車輛碰撞過(guò)程中存在車門開(kāi)啟的情況,這必然造成車內(nèi)乘員被甩出車外的危險(xiǎn),直接影響乘員的生命安全。故在中國(guó)的法規(guī)GB20071-2006的特殊要求中4.3.1條規(guī)定:在碰撞試驗(yàn)過(guò)程中,車門不得開(kāi)啟;而對(duì)于歐盟的法規(guī)ECER95的5.3.1條也有著相同的要求。除了法律法規(guī)對(duì)車門開(kāi)啟有著這樣要求,NCAP也有著對(duì)此更為嚴(yán)格的評(píng)價(jià),例如中國(guó)2012版C-NCAP的2.1.3.3條有總體罰分項(xiàng)規(guī)定:對(duì)于兩側(cè)的每一個(gè)車門,若在碰撞過(guò)程中開(kāi)啟,則分別減去1分;而歐盟EuroNCAPV6.0中4.2.4條規(guī)定:側(cè)碰試驗(yàn)中每開(kāi)啟一個(gè)門(車門包括后背門和天窗),則總得分扣掉1分,且門開(kāi)啟的修正得分不受車輛總得分的限制。鑒于以上法律法規(guī)和NCAP的要求,針對(duì)側(cè)面碰撞,一般可采用商業(yè)有限元分析軟件包RADIOSS、LS-DYNA、PAM-CRASH等進(jìn)行相關(guān)仿真求解。
2、多域求解的原理
商業(yè)有限元軟件通常采用顯示有限元方法來(lái)求解汽車碰撞的大變形非線性問(wèn)題,而顯示時(shí)間積分求解就涉及到時(shí)間步長(zhǎng)問(wèn)題,只有時(shí)間步長(zhǎng)小于臨界時(shí)間步長(zhǎng)時(shí),計(jì)算結(jié)果才能穩(wěn)定。臨界時(shí)間步長(zhǎng)求解公式如下:
其中c為在材質(zhì)中的傳播速度,l為單元的特征長(zhǎng)度。材料波速c是與材料的楊氏模量E,泊松比ν和質(zhì)量密度ρ的函數(shù),而不同維數(shù)的單元,其特征長(zhǎng)度受實(shí)際單元尺寸大小影響。而汽車常用金屬材料鋼和鋁,其傳播速度為5000m/s左右,故若時(shí)間步長(zhǎng)為1us,則單元的特征長(zhǎng)度為5mm。由此可知,單元尺寸越小,其時(shí)間步長(zhǎng)也越小,故而在有限的計(jì)算資源條件下,所花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間也就越多。通常在汽車碰撞仿真計(jì)算中,需要合理控制模型中最小的單元尺寸,減少相應(yīng)的質(zhì)量增加,才能在較短時(shí)間內(nèi)提供正確的計(jì)算結(jié)果,滿足工作需求。
在側(cè)碰中門開(kāi)啟影響因素中,除了受到車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形影響之外,門鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和空間布置等也影響著門體開(kāi)啟。故對(duì)于門鎖結(jié)構(gòu)建模就需要細(xì)化和詳細(xì),有別于車身結(jié)構(gòu)的單元尺寸,如圖1所示的某款車型的門鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型和細(xì)化模型。由于門鎖細(xì)化模型單元尺寸在1mm左右,故而減小計(jì)算整車的時(shí)間步長(zhǎng),增加計(jì)算時(shí)間,給工程應(yīng)用上帶來(lái)一定的麻煩。為此Altair在RADIOSS求解器中提供了多域求解技術(shù)來(lái)解決同一個(gè)模型涉及到時(shí)間步長(zhǎng)不一致的問(wèn)題,以滿足局部細(xì)化部件求解。其工作原理為RADIOSS分別使用各自的子域模型的時(shí)間步長(zhǎng)求解計(jì)算獨(dú)立的子域模型,然后在主控程序(RAD2RAD)的穩(wěn)定約束條件下計(jì)算各自子域模型之間相互傳遞的力和力矩,如圖2所示。
圖1門鎖結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型(左)、細(xì)化模型(中)和其局部的細(xì)節(jié)(右)
圖2RADIOSS多域求解流程
3、側(cè)碰仿真模型的建立
側(cè)碰后門開(kāi)啟的仿真模型主要有整車模型,后門鎖系統(tǒng)子模型,以及側(cè)碰移動(dòng)可變性壁障(MDB)組成,如圖3所示。MDB模型由Altair公司提供,并經(jīng)過(guò)相應(yīng)的對(duì)標(biāo)和驗(yàn)證。采用RADIOSS的多域求解技術(shù)需要對(duì)子域模型的建立、連接以及接觸等重新定義,下面將逐一進(jìn)行說(shuō)明。
圖3側(cè)面碰撞仿真模型
(1)門鎖子域模型的建立
后門鎖子模型包含有門鎖機(jī)構(gòu)、鎖體拉線,以及內(nèi)、外開(kāi)把手機(jī)構(gòu)等,見(jiàn)圖3a所示。為了區(qū)分子域模型,通過(guò)RADIOSS的前處理軟件HyperCrash在主域中定義一個(gè)門鎖系統(tǒng)的子域RR_Door_Lock_System,其關(guān)鍵字為/SUBDOMAIN。為了后續(xù)操作方便,可將子域模型建立個(gè)Part集合(/SUBSET)。由于門鎖內(nèi)部開(kāi)啟機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜,為了模擬開(kāi)鎖機(jī)制,工程上可采用調(diào)節(jié)拉線行程來(lái)控制鎖舌的旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟。由設(shè)計(jì)部門可獲知內(nèi)、外開(kāi)拉線開(kāi)啟力分別為35N和25N,由此轉(zhuǎn)化內(nèi)、外拉線行程分別在14mm和10mm,當(dāng)兩者達(dá)其一就可將門鎖打開(kāi)。通過(guò)在內(nèi)、外拉線處分別設(shè)定帶有一定剛度的彈簧單元作為鎖舌扭轉(zhuǎn)彈簧開(kāi)啟的必要條件,并由相應(yīng)的傳感器(/SENSOR/OR)參數(shù)來(lái)控制判定,以此實(shí)現(xiàn)門鎖開(kāi)啟仿真,如圖4。
圖4門鎖開(kāi)啟前狀態(tài)(左)和門鎖開(kāi)啟后狀態(tài)(右)
(2)門鎖子域模型的連接
子域模型與主域模型的連接,RADIOSS提供了兩種方式:共節(jié)點(diǎn)法和接觸法。前者是簡(jiǎn)單地將交界處節(jié)點(diǎn)自動(dòng)映射到子域,實(shí)際操作需要劈分三角形單元完成共節(jié)點(diǎn)過(guò)度;而后者采用Tied接觸(/INTER/TYPE2)方式將子域邊界節(jié)點(diǎn)與主域邊界的粗網(wǎng)格綁定在一起,而其在RADIOSSv11.0.240以后版本才支持。本文計(jì)算模型采用前者方式定義后門鎖與門體之間的連接。
(3)門鎖子域模型的接觸
由于采用多域求解,故在定義接觸時(shí),除了整車自接觸和整車與MDB的接觸這些常規(guī)的接觸外,還需要額外定義后門鎖子域的自接觸、后門鎖子域與MDB的接觸,以及后門鎖子域與整車的接觸。在定義后門鎖子域與整車的接觸(/INTER/TYPE7)時(shí),需要注意兩點(diǎn):其一,后門鎖子域和整車定義接觸時(shí),整車側(cè)選擇范圍要合理,保證有效接觸;其二,若后門鎖子域與整車采用TYPE2接觸做連接,此處節(jié)點(diǎn)位置不滿足Gap條件,故需要去除周邊一圈連接單元。
以上僅是子域模型的建模說(shuō)明,若要調(diào)用多域求解計(jì)算還需要對(duì)RADIOSS的Engine文件做相關(guān)的調(diào)整,見(jiàn)表1所示。
表1主域和子域的Engine文件的設(shè)置
4、計(jì)算結(jié)果
整個(gè)側(cè)碰模型建立完成,采用RADIOSS進(jìn)行相應(yīng)的求解計(jì)算,通過(guò)結(jié)果文件重點(diǎn)考察分析了后門鎖系統(tǒng)的變形和拉線受力情況,以此判斷在側(cè)面MDB碰撞過(guò)程中后門體是否存在開(kāi)啟的情況。
(1)鎖體結(jié)構(gòu)變形
鎖體結(jié)構(gòu)完整性是考察側(cè)碰中門開(kāi)啟條件之一,若是鎖體結(jié)構(gòu)無(wú)法承受側(cè)碰的撞擊力而失效,則門體必然會(huì)開(kāi)啟。通過(guò)觀察鎖體結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變,鎖體整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到破壞,完整性較好,而是在圓圈區(qū)域處結(jié)構(gòu)受力較大,其應(yīng)變值超出材料的屈服值,如圖5所示。
圖5鎖體的應(yīng)變?cè)茍D 圖6拉線受力時(shí)間歷程圖
(2)拉線受力
由圖5鎖體應(yīng)變?cè)茍D可知,在圓圈區(qū)域即外開(kāi)拉線與鎖體連接處,應(yīng)變值較大,這說(shuō)明此處的外開(kāi)拉線受力也比較大。輸出拉線的受力時(shí)間歷程如圖6所示,從圖中可看出外開(kāi)拉線受力值在16ms之后已達(dá)到其開(kāi)啟力,說(shuō)明后門存在開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn);而內(nèi)開(kāi)拉線由于受力很小,對(duì)后門鎖開(kāi)啟基本無(wú)影響。
進(jìn)一步對(duì)外開(kāi)拉線受力分析可知,外開(kāi)拉線除了與鎖體連接之外,另一端同外開(kāi)把手的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連,由平衡塊來(lái)控制外開(kāi)把手的開(kāi)啟,由此可知平衡塊所受到慣性力較大,是引起后門開(kāi)啟的原因之一,如圖7所示。而外開(kāi)拉線受力也可以受到門體鈑金件變形擠壓的影響,同樣也會(huì)帶動(dòng)鎖體內(nèi)部鎖舌轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)車門。
圖7外開(kāi)把手的平衡塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(后視圖)
考慮到更改車身結(jié)構(gòu)來(lái)減小拉線受力方案,會(huì)帶來(lái)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),成本大等影響,故建議對(duì)門鎖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化,可以對(duì)平衡塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),減少相應(yīng)質(zhì)量,以便減小慣性力;或是對(duì)拉線布置進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化,增加長(zhǎng)度,減弱拉線受力。
最后將側(cè)碰后門開(kāi)啟仿真分析結(jié)果以及改進(jìn)方案同設(shè)計(jì)部門進(jìn)行溝通反饋,設(shè)計(jì)部門綜合采納以上相關(guān)建議,對(duì)門鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而在此之后的相關(guān)側(cè)碰試驗(yàn)中也驗(yàn)證了分析的正確性,未曾發(fā)生過(guò)側(cè)碰后門開(kāi)啟的情況。
5、結(jié)論
本文利用RADIOSS多域求解的技術(shù),建立后門鎖機(jī)構(gòu)的子域模型,模擬后門開(kāi)啟過(guò)程,通過(guò)仿真結(jié)果分析后門開(kāi)啟的原因,并提供相關(guān)的解決方案,有效的支持設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),減少后期設(shè)計(jì)變更和試驗(yàn)費(fèi)用。
本文只是在汽車側(cè)碰仿真應(yīng)用的例子,其實(shí)RADIOSS多域求解可以應(yīng)用在更多的汽車局部精細(xì)仿真模擬方面,例如行人保護(hù)頭部碰撞仿真中的雨刮結(jié)構(gòu)模擬、氣囊展開(kāi)仿真的儀表板撕裂縫模擬等等,以有效的虛擬仿真手段幫助設(shè)計(jì)部門再現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程和支持進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。
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