一套新手自學(xué)整車碰撞仿真分析的奧秘(請(qǐng)收藏)
2019-04-18 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
眾所周知,CAE仿真分析已經(jīng)成為整車研發(fā)過(guò)程中不可或缺的一部分。整車CAE仿真分析通常包括模態(tài)分析、剛度分析、強(qiáng)度分析、疲勞分析、碰撞分析、乘員約束系統(tǒng)分析、NVH分析以及CFD分析等。而整車碰撞仿真分析是一項(xiàng)難度較大,需要多個(gè)CAE仿真工程師人員共同進(jìn)行配合完成的一項(xiàng)工作。
對(duì)一個(gè)新手來(lái)說(shuō),要想自學(xué)整車碰撞仿真分析是一項(xiàng)很艱難的事情。對(duì)主機(jī)廠而言,培養(yǎng)一個(gè)合格的碰撞仿真工程師,就需要一個(gè)有多年碰撞仿真分析經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)指導(dǎo),再加上實(shí)際動(dòng)手操作,才有可能成為一名合格的碰撞仿真工程師。
本課程就是結(jié)合我多年的碰撞仿真分析經(jīng)驗(yàn),希望能夠深入淺出地把在整車碰撞仿真分析中有可能所遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)一一給大家講解。當(dāng)然,大家如果要想真正地理解、掌握整車碰撞仿真分析,還需要大家能夠多學(xué)、多練、多思考。下面我就帶大家來(lái)初步了解一下整車碰撞仿真分析的奧秘。
一、整車幾何模型及參數(shù)的輸入
要想做一款整車碰撞仿真分析,無(wú)論是正碰、偏置碰還是側(cè)碰,當(dāng)然整車的幾何模型是必須的。俗話說(shuō)巧婦難為無(wú)米之炊,沒(méi)有整車的幾何模型輸入,在厲害的碰撞仿真工程師也做不出整車碰撞仿真模型來(lái)。
那么整車幾何模型通常包括那幾個(gè)部分?一般來(lái)說(shuō),整車幾何模型主要包括白車身、底盤、開閉件、內(nèi)外飾及電器系統(tǒng)等。有了整車幾何模型,那么我們就可以開始啟動(dòng)網(wǎng)格劃分工作。網(wǎng)格劃分只是整車碰撞仿真分析萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步。
當(dāng)然,整車碰撞仿真分析除了需要整車幾何模型以外,還需要整車BOM表,焊點(diǎn)、焊縫、及膠粘等信息,相關(guān)材料的性能參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變曲線,整車的質(zhì)量和質(zhì)心統(tǒng)計(jì)表等等。通常整車碰撞仿真分析輸入涉及到整車研發(fā)過(guò)程中的多個(gè)部門。
整車碰撞仿真分析輸入內(nèi)容及要求詳見表1所示。
表1 整車碰撞仿真分析輸入內(nèi)容及要求
二、網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分只是整車碰撞仿真分析工作的第一步。我們通常采用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
由于整車幾何結(jié)構(gòu)大多是鈑金沖壓件,輔以少量的鑄件,其中,鈑金件主要集中在白車身和開閉件上,鑄件主要集中在底盤和動(dòng)力總成上。
目前,各大主機(jī)廠和汽車研究院都有一套自己的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn),但差不多都大同小異。對(duì)于白車身和開閉件等這種鈑金沖壓件來(lái)說(shuō),我們通常采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格大小目前基本以10mm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。
下面我們就來(lái)簡(jiǎn)單了解一下整車碰撞仿真分析網(wǎng)格劃分的基本原則。
1、保留主要幾何型線,網(wǎng)格要與幾何保持良好的貼合。
2、碰撞網(wǎng)格劃分應(yīng)該依據(jù)正交原則進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分,特別在碰撞吸能區(qū)要按照應(yīng)力波傳遞方向進(jìn)行網(wǎng)格布置,網(wǎng)格密度均勻分布,不能過(guò)于稀疏與過(guò)于集中。
3、整個(gè)模型中三角形單元不允許超過(guò)總單元數(shù)的5%;每個(gè)部件中三角形單元不能超過(guò)該部件單元數(shù)的10%。
4、防止集中出現(xiàn)翹曲單元和三角形單元的區(qū)域。
5、干涉檢查,每個(gè)part之間不允許有初始穿透干涉。
6、在整個(gè)模型中最小單元尺寸不應(yīng)該小于3mm。
7、每個(gè)零件要進(jìn)行法向、自由邊檢查,法向一致,每個(gè)部件不能有自由邊。
圖1 白車身及開閉件網(wǎng)格劃分圖
整車碰撞仿真分析中殼單元的網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)見表2所示。
表2 殼單元的網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)
限于篇幅的原因,對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)我們?cè)诖瞬蛔鲈敿?xì)介紹。重點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格劃分主要包括以下幾個(gè)方面:
① 倒角處的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
② 幾何孔(包括螺栓孔)處的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
③ 翻邊處的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
④ 包邊(主要位于開閉件處)的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
大家如感興趣的話,可以通過(guò)我即將直播的整車碰撞仿真分析系列課進(jìn)行詳細(xì)了解(溫馨提示:整車碰撞仿真分析進(jìn)階20講的課表見后文)。
三、整車碰撞模型建模的關(guān)鍵技術(shù)
各總成網(wǎng)格劃分完成后,可以先通過(guò)nastran或者optistruct等軟件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證各總成連接是否存在問(wèn)題,以防出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題和自由部件。各總成通過(guò)模態(tài)計(jì)算完成后,就可以進(jìn)行整車碰撞模型的建模工作了。
1、連接方式處理
在整車碰撞模型中,存在各種各樣的連接方式,主要有以下幾種常見的連接方式:焊點(diǎn)連接、焊縫連接、膠粘連接、螺栓連接以及鉸接等。比如白車身的連接方式主要是焊點(diǎn)連接和焊縫連接為主;車門及發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板有大量的膠粘連接。見下圖2和圖3所示。
圖2 白車身焊點(diǎn)示意圖
圖3 車門上膠粘示意圖
鉸接主要在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后懸架以及車門鉸鏈等處。見下圖4和圖5所示。
圖4 車門鉸鏈?zhǔn)疽鈭D
圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)疽鈭D
在整車建模過(guò)程中使用最多鉸鏈主要為球鉸、柱鉸、萬(wàn)向鉸、平動(dòng)鉸和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸。由于鉸鏈要實(shí)現(xiàn)其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系,所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鉸鏈自身不能變形,即要求鉸鏈所有節(jié)點(diǎn)為剛性體節(jié)點(diǎn)。所以在剛性體上建立鉸鏈可以利用剛性體自身的節(jié)點(diǎn),在可變形體上建立鉸鏈則一般需要使用rigidbody,或其他剛性體網(wǎng)格來(lái)連接節(jié)點(diǎn)和可變形體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。在可變形體上建立鉸鏈通常也可將部分可變形網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為剛性體網(wǎng)格,然后在轉(zhuǎn)化后的網(wǎng)格上建立鉸鏈。
2、前后懸架及輪胎模型
前后懸架系統(tǒng)及輪胎涉及到許多運(yùn)動(dòng)部件,這就要求我們碰撞仿真工程師不僅要理解各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,還要將運(yùn)動(dòng)關(guān)系用合理的方法反映到整車碰撞模型上。也可以這樣說(shuō),前后懸架及輪胎建模也算是整車碰撞建模過(guò)程中最難的部分。
前懸架裝置包括前副車架總成、前懸架橫向穩(wěn)定桿裝置、支柱總成、下擺臂總成、前副車架加強(qiáng)板以及前車輪等。某前后懸架的CAE模型見下圖6和圖7所示。
圖6 前懸架系統(tǒng)及前輪CAE模型
圖7 后懸架及后輪胎CAE模型
3、加速度
加速度是重要的輸出內(nèi)容,在前處理中需預(yù)先定義加速度計(jì)的位置和輸出。加速度計(jì)一般布置在不發(fā)生變形,有一定平面的地方。汽車碰撞試驗(yàn)中會(huì)布置很多的加速度傳感器,分析模型中可以根據(jù)試驗(yàn)時(shí)布置傳感器的地方建立加速度傳感器。見下圖8所示。
圖8 B柱加速度計(jì)設(shè)置位置
4、截面布置
截面力是考察汽車碰撞過(guò)程中力傳遞方向和大小的有效方法,輸出截面力的截面一般設(shè)置在車身主要的吸能部件,如正碰中的吸能盒、前縱梁、A柱和門檻梁等;側(cè)碰中的門檻梁、B柱、頂橫梁、座椅安裝橫梁等部位,可根據(jù)需要輸出各部位的截面力。見下圖9所示。
圖9 某車身截面設(shè)置位置
四、整車碰撞工況簡(jiǎn)介
1、基于C-NCAP 2018正面100%重疊剛性壁障碰撞
試驗(yàn)車輛100%重疊正面沖擊固定剛性壁障。碰撞速度為
2、基于C-NCAP 2018正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)
試驗(yàn)車輛40%重疊正面沖擊固定可變形吸能壁障。碰撞速度為
3、基于C-NCAP 2018可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)
移動(dòng)臺(tái)車前端加裝可變形吸能壁障沖擊試驗(yàn)車輛駕駛員側(cè)。移動(dòng)壁障行駛方向與試驗(yàn)車輛垂直,移動(dòng)壁障中心線對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)車輛R點(diǎn)向后250mm位置,碰撞速度為
圖10 整車碰撞CAE模型(正碰、偏置碰和側(cè)碰)
五、整車碰撞結(jié)果后處理
在整車碰撞仿真分析過(guò)程中,其實(shí)我們更關(guān)心的是整車碰撞仿真結(jié)果,因?yàn)橹挥蝎@得了整車碰撞仿真結(jié)果,我們才能了解我們所做的這款車的一些基本耐撞性能,才來(lái)根據(jù)整車的碰撞仿真分析目標(biāo)提出合理的優(yōu)化建議。當(dāng)然這一切都要確保在前面的整車建模是準(zhǔn)確合理的。
一般來(lái)說(shuō),我們基于C-NCAP來(lái)做的整車碰撞仿真分析,都是為了實(shí)現(xiàn)我們?cè)谡囇邪l(fā)初期所定的目標(biāo):星級(jí)評(píng)價(jià)。同樣的情況下,碰撞星級(jí)評(píng)價(jià)越高的車在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力就越強(qiáng)。針對(duì)碰撞星級(jí)評(píng)價(jià),就需要對(duì)整車耐撞性的一些指標(biāo)進(jìn)行量化。
對(duì)正碰和偏置碰來(lái)說(shuō),這些量化指標(biāo)主要包括車身最大加速度、回彈時(shí)刻、整車壓潰量、前圍板侵入量、離合踏板安裝點(diǎn)、剎車踏板安裝點(diǎn)的變形量等等。
對(duì)側(cè)碰來(lái)說(shuō),這些量化指標(biāo)主要包括B柱不同高度測(cè)點(diǎn)的侵入量,B柱腰線處的侵入速度等等。
我們會(huì)根據(jù)不同星級(jí)評(píng)價(jià)制定相應(yīng)的可量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。我們會(huì)在后期推出的課程中進(jìn)行詳細(xì)講解。當(dāng)然不同的車型,評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)有所不同。
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