轿车车门侧面碰撞性能仿真研究

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分类号UDC密级烈虞甜锻夫哮硕士学位论文轿车车门侧面碰撞性能仿真研究SimulationResearchofSideImpactPerformanceofPassengerCarDoor张继伟指导教师姓名：张光德教授武汉科技大学机械学院申请学位级别论文定稿日期学位授予单位学位授予日期马迅副教授湖北汽车工业学院答辩委员会主席评阔人饯作勤教授杨启梁副教授 第lI页武汉科技大学硕士学位论文AbstractWiththerisingofautomobilepossessioninourcountry,thetrafficaccidentisbecomingabigsocialproblem．Sotheresearchisfocusontheautomotivepassivesafety．Simulationdefinitelyreducesthecostandshortenslead—timeofdevelopment，andbecomesanimportantpartintheautomotivesafetyfield．InJuly2006，theregulationofsideimpacthascarriedout,whichwillpromotetheresearchofsideimpact．Strengthofsidedoorsisspecifiedinthesideimpactregulation．Inaddition，asthemainpartofcarbody,thecardoorhasimportanteffectonsideimpactsafety．Togettheexperienceofsideimpactsimulationandfindnewwaysofautomobilesideimpact．thecardoorisseparatedfromcarbodyinthesimulationofsideimpact．Basedonnonlinearfiniteelementtheory,metallicmaterialsperformancetestisdone．Fromthetest,amaterialmodelofsimulationisobtained．ThroughthesimulationofthetestbyusingLS—DYNAandtheresearchofinfluencingfactorsonsimulation,amodelingwayofnonlinearfinitedementanalysisisacquired．Afterthat,somequestionsofmodelingonnonlinearfiniteelementandthesdeztingofcontrollingfactorsduringthesimulation．Intheend，accordingtothedoorofsomepassengercaLafiniteelementmodelofthecal"door,usingfinitedementpreprocessorsoftware-HYPERWORKSisbuilt．Onthebasisofthemodel，thestructuralperformanceofcatdoorisanalyzed，andthecarsideimpactperformanceissimulatedaccordingtoconcernedregulations，whichprovideexperiencetotheresearchofcarsideimpactperformance．KeyWords：passivesafety；sideimpact；finitedementmethod；cardoor；simulation 武汉科技大学硕士学位论文第1页1．1课题背景和意义第一章绪论随着汽车工业和高速公路在世界各国的迅速发展，交通事故造成的人员伤亡和财产损失呈逐年增加趋势。如今，每年有超过130万起死亡交通事故和300万起的伤害交通事故发生，平均每25秒就有一起造成人员死亡的交通事故发生，平均每秒就有一起造成人员伤害的交通事故发生。由于交通事故发生的概率性和不可避免性，为了消除和减少交通事故给人们带来的生命财产损失，提高汽车事故安全性即被动安全性便成为汽车行业和交通安全部门的重要任务【11。国外早在20世纪六十代就开始了对汽车被动安全性的研究，政府部门专门制定了关于汽车被动安全性的标准和法规来保证被动安全措施的实施。其中比较有代表性的是美国的联邦机动车安全法规(VMVSS)和欧洲法规(EcE和EEC)，其他如日本、加拿大、澳大利亚等国家的法规基本上是参考美国和欧洲的法规制定的。另外，欧美日皆各有Eum．NCAP(NCAPflONewCarAssessmentPro伊am)、美国NHTSA．NCAP及日本J．NCAP计划，进行新车安全性的星级评估。为了满足法规要求，同时提高产品性能与市场竞争力，日美等发达国家的汽车制造公司均有专门的研究所和技术人员从事被动安全性的设计、分析和试验研究工作。由于长期开展汽车被动安全性研究和贯彻安全法规，发达国家汽车事故伤亡人数大大减少，取得了明显的效果。事故统计分析表明，美国交通事故伤亡人数与事故数之比为1：28，德国为1：18，而我国高达1：6121。而事实上，在道路交通事故中，由于侧面碰撞引发的事故比例居于第一位，其比例大约占到总量的32％左右(如图1．1所示)。据《中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编》中的有关数据显示，在我国所发生的交通事故中，侧面碰撞占32％，高于所有其他交通事故形态，是发生频率最高的交通事故。而在交通事故所造成的人员伤亡中，侧面碰撞所造成的人员伤亡人数占总伤亡人数的30．1％，也是造成人员伤亡最多的交通事故形态。在我国，随着道路条件的改善、车速的提高和汽车保有量的激增，交通安全和汽车被动安全问题已十分严重，汽车安全性问题越来越引起人们的关注，开展汽车被动安全性研究成为十分急迫的任务。图1．1交通事故发生分类比较我国也逐渐对汽车被动安全性有了足够的重视，在1989年8月和2006年7月相继出台了乘用车正面碰撞和侧面碰撞的标准法规并已强制执行，各汽车厂家及科研院校在化而碰撞 第2页武汉科技大学硕士学位论文方面的研究也取得了一定的成果。随着新法规的实施，各汽车制造厂家必须提高产品的安全性能，使其达到或超过法规限制的水平，这也是市场发展的必然要求。但国际上法规发展变化很快，所以要求我们紧紧追踪和研究，及时修订我国的法规和标准，并逐步增加新的内容。由于安全性法规认证都是采用的试验方法，而汽车碰撞安全性试验是一项耗资巨大的破坏性试验，且又由于试验中随机因素的影响，使得结果不够稳定，可重复性差，试验数据获取较困难131。随着计算机技术的迅猛发展，以及各种理论，如碰撞理论、材料理论及有限元理论的不断深入，用有限元进行模拟的方法得到了飞速发展，并伴随着出现了一些功能强大的商用软件，如LS．DYNA，PAM．CRASH，MADYMO，CAL3D，DYNA3D等[41，已被国外的一些主要汽车设计公司所采用。基于上述原因并借鉴国外研究的先进经验，计算机模拟是进行被动安全研究的重要途径，而我国在这方面的研究尚处于探索阶段。1．2汽车侧面碰撞性能研究概述1．2．1汽车侧面碰撞概述汽车侧面碰撞有直接碰撞和二次碰撞两种情况【5】。直接碰撞是指汽车的侧面被其他车辆以一定角度直接撞击，又含有相向或同向行驶的不同碰撞条件。二次碰撞是指汽车发生直接侧面碰撞后由于侧滑等原因，车内乘员与车厢内部的固定物比如方向盘、内饰件等发生的撞击。因为汽车发生碰撞后通常会引起侧滑【“，所以二次碰撞情况发生得更多。汽车侧面碰撞的实际状态很复杂，没有固定的碰撞模式，汽车侧面碰撞模式大多来源于交通事故调查统计[71。对发生侧面碰撞汽车的撞击痕迹、汽车侧滑和跑偏的路面拖印等作记录统计，分析汽车侧面碰撞的规律，可作为侧面碰撞试验或计算机模拟碰撞的依据。上世纪30年代，美国通用汽车公司就开始进行翻车和固定壁碰撞试验，研究汽车直接碰撞的危害。50年代中期提出了二次碰撞的概念，各国汽车行业普遍开展了各种实车碰撞和试验台碰撞试验。60年代起，国外开始用计算机统计和分析交通事故的类别，并进行计算机模拟汽车碰撞【8J。这些碰撞试验中包括汽车侧面碰撞，用来确定汽车被动安全性和事后安全性，即汽车侧面碰撞后对汽车和乘员的损害。汽车侧面碰撞试验是检验汽车被动安全性和事后安全性的最重要手段之一。汽车被动安全性和事后安全性是反映汽车安全性能的重要指标。其中，汽车被动安全性是指在汽车事故过程中减轻乘员所受伤害的性能[91，主要包括车身结构、车项和车门强度、车身及内饰件的缓冲性能等。事后安全性主要是指防止火灾性能和乘员紧急脱离被撞汽车的性能。侧面碰撞试验能够检验汽车侧面被撞击后，汽车结构及车门的变形程度、乘员可能受到的伤害程度、及撞车后侧门能否顺利打开进行救援等。侧面碰撞试验有实车碰撞试验、试验台试验、计算机模拟试验等。1．2．2汽车侧面碰撞法规简介1973年，美国联邦机动车安全标准FMVSS只提出了对车门静强度试验要求。经过事故 武汉科技大学硕士学位论文第3页统计分析和试验方案的研究于1990年才在刚VSS214车门静强度试验法规中增加了实车侧面碰撞试验方法。欧洲对侧面碰撞的研究相对较早，在1974年就提出了侧面碰撞试验方法的研究，并于1989年提出了欧洲侧面碰撞方案。1995年正式实施了ECER95侧面碰撞标准110l。在世界范围内，有多种不同的测试程序来评估在侧面碰撞中车辆对乘员的保护性能。侧面碰撞评估测试程序都与欧洲ECER95法规、FMvsS214法规和欧洲新车评价规程(Eu|10．NCAP)相同或相似。我国也逐渐对汽车安全性有了足够的重视，实行了许多强制性安全法规，其中包含了对座椅、安全带固定点、安全带总成等的要求。我国己于206年7月1日实施了《汽车侧面碰撞的乘员保护》强制性国家标准。1．2．3汽车侧面碰撞研究方法在汽车碰撞安全技术研究领域，目前普遍采用的方法为试验方法和计算机仿真方法。一、试验方法汽车侧面碰撞试验的方法主要有实车碰撞试验、滑车模拟碰撞试验、零部件台架试验三个主要部分【“1。现有的侧面碰撞试验形式主要为可变形移动壁障侧面碰撞试验及侧面柱碰撞试验。图1．2分别为整车侧面碰撞和台车侧面碰撞的试验图示。整车侧面柱碰撞台车侧面碰撞试验图1．2两种侧面碰撞试验零部件台架试验可分为动态台架试验和静态台架试验。动态台架试验主要用于评价零部件在承受碰撞冲击载荷作用下的性能；静态台架试验则是评价对速度不敏感的零部件在静态载荷作用下的安全性能。实车碰撞试验主要用来对己开发出的成品车型进行按法规要求的试验，以鉴定是否达到法规要求。实车碰撞试验与事故情况最为接近，是综合评价车辆安全性能的最基本、最有效的方法。它是从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的方式来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆运动状态及损伤状况，并以此为依据改进车辆结构安全性设计，增设或改进车内外乘员保护装置。其试验结果说服力强，但实车碰撞试验的准备工作复杂、费用大、对设备的要求很高。滑车模拟碰撞试验是用于评价乘员保护装置的性能和零部件的耐冲击能力。与实车碰撞试验相比具有简便、在现性好、试验费用低廉的优点。滑车模拟碰撞试验可以比较清晰地反映零部件在碰撞过中的能量吸收，载荷分稚以及结构抗撞／冲击变形等特性，可以模拟 第4页武汉科技大学硕士学位论文较宽范围内的碰撞实情。把实车碰撞过程中从车身的不变形区域测量获得的加速度信号进行积分获得速度曲线，车速由碰撞初速度的v0下降到0。对碰撞过程中的模拟可采用冲撞型、冲击反弹型及发射型。冲撞型滑车模拟碰撞试验设备是使用适当方法(电机或橡皮绳弹射)将滑车加速规定车速Vo后，使脱离牵引的滑车与固定壁上的吸能缓冲器碰撞急速将滑车车速从V0下降到0，通过调节缓冲器的性能使滑车产生的减速度波形与实车对固定壁碰撞的相当。在冲击式滑车实验台上，关键部件之一就是产生符合要求的冲击波形的吸能缓冲装置112J。无论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试验，都要涉及到试验数据的采集和处理。通常采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的系统。试验中要用到大量的传感器和数台高速摄像机，这些数据采集系统以及试验中采用的假人在试验前都要进行严格的标定，其试验准备工作是十分费时的。由于被动安全性试验特别是整车试验都是破坏性试验，试验所需费用是十分昂贵的，由于试验中有一些随机因素的影响，使试验结果往往不够稳定，可重复性差l叫。二、计算机仿真方法汽车碰撞的计算机模拟研究主要集中在两个方面【14】：一是车身刚度设计，二是模拟撞车。车身刚度设计目标是建立能量吸收式的车体结构，在保证乘员安全空间的前提下，使车身变形吸收的碰撞能量最大，从而减少传递给车内乘员的碰撞能量。在模拟撞车方面，代表性的模拟软件可以分为两类：一类是(cvsCrashVictilnSimulalion)碰撞伤害模拟软件，这一类软件从上世纪70年代发展起来，采用多刚体系统动力学理论建模，主要用来模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用，CAL3D和MADYMO就属于这一类；另一类是采用显式有限元理论建模，主要用来描述车身结构的抗撞性，这一类软件是从80年代开始发展起来的，以Ls．DYNA3D和PAM-CRASH为代表。基于多刚体系统动力学的CVS软件，对于人体采用多刚体系统动力学的方法建模，对于车身变形和人体与环境的相互作用则分别采用减速波形和力—变形曲线来描述，减速波形和力—变形曲线需要通过试验或前期计算获得，并作为已知条件输入到程序中【堋。由于对系统内变形部件采用非线性弹簧来描述，因而不能准确的反映物理实际，存在薄弱之处。计算机仿真方法中建立的汽车整车或人体模型本身存在着很多局限，不可能完全反映真实状况，因此计算机仿真特别是并行计算机技术和建模理论有待于进一步发展。1．2．4国外被动安全的研究现状国外最早开展汽车碰撞研究的是美国。早期的汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞和模拟碰撞试验。计算机模拟碰撞技术开始于上世纪印年代，美国开发出当时世界上第一个碰撞模拟软件SMAC。近20年来汽车碰撞计算模拟技术得到快速发展，出现了上述诸多的碰撞模拟的商业化软件。其软件核心部分是以美国【棚∽nccLiVe加。咒NationalLabomtory在70年代开发的DYNA公开版本的理论为基础【“。侧面碰撞情况在各国都很普遍，国外侧碰的研究主要集中在车辆侧面结构吸能特性117l及人体响应方面忙。⋯。吸能转向机构是汽车被动安全的主要措施之一，国外从20世纪30年代就开始对吸 武汉科技大学硕士学位论文第5页能转向机构的结构和性能进行研究，60年代在轿车上装用，80年代末开始进行碰撞的仿真和试验研究【19～221。新型复合材料【23J和结构优化【241被广泛应用及一些先进技术用于侧碰事故中的乘员保护【251。当前美国和欧洲实施的侧面碰撞法规，都是为了提高侧面碰撞的防护性能。今后侧面碰撞实验的研究方向主要包括侧面碰撞事故分析、当前车辆的前端几何形状和刚度的研究、整车侧面碰撞试验结果这三大类l捌。同时相应的模拟计算随之而展开。随着各国安全法规的强制或推荐执行，国外对汽车被动安全性的研究日益深入，汽车被动安全性正成为评价汽车性能的一项的重要指标。当前，汽车结构的耐撞性能已成为发达国家进口和销售汽车的重要检验指标。1．2．5国内被动安全的研究现状我国从90"4z代初，作为国家八五重点项目，在中汽总公司的安排下，清华大学等单位相继建立了台车模拟碰撞试验台，95年清华大学率先对北京吉普车进行了整车试验。随后一汽、二汽、天津中心也相继进行了部分撞车试验。由此，我国的汽车安全领域初步形成以汽车厂为设计主体，以大学、研究所为科研主体的汽车被动安全体系。随着计算机运算速度的提高，国外先进软件的引进，如PARM．CRASH、MADYMO、LS—DYNA等工程软件，国内各大学和研究所都在进行大量的计算机碰撞模拟分析，并且取得了相当的成果12”321。但国内有关汽车安全性的研究大多集中在已定型生产的实车检测方面，在产品的开发过程中进行安全性设计研究的投入还远远不够【81。国内在采用有限元方法对汽车碰撞安全性的工作基本上都是对壁正面全宽碰撞的【8丑,33,341，整车偏置碰撞耐撞性的有限元仿真研究较∥351。通过对汽车碰撞进行模拟来指导和部分取代碰撞试验工作，成为汽车安全性研究的一种趋势吲。在国内，对汽车侧面碰撞安全性的研究才刚刚起步pTl，侯飞等人对某国外车型的车门和整车侧面碰撞的车体抗撞性进行了一定程度的研究和分析，取得了一定的成果【37’柏l。在我国由于交通法规执行情况及道路状况的特殊性，使得由于侧面碰撞而导致死亡的比例高于INgl,的水平【41．421。由于侧碰发生比较频繁，研究的焦点正由正面碰撞转向侧面碰撞【43】。2006年，侧碰法规的实施给汽车设计提出了更具体的要求。如何提升汽车侧碰性能、减小碰撞后假人身上各项指标，一直是各个汽车厂商所关注的，其中比较重要的一方面就是通过车身结构的改进，合理分布载荷的传递，使假人的躯干肢体受到尽量小的由碰撞带来的能量。虽然侧面碰撞成员保护标准已实施，但这还远远满足不了现有的交通状况(统计表明，在我国侧面碰撞事故而导致死亡的案例中有38％是因为成员的头部撞到树或杆上造成的)，因为目前的蜂窝铝移动壁障侧面碰撞试验不能反映来自汽车外部碰撞物对乘员头部的威胁，而侧面柱碰撞正是提供侧面碰撞成员头部保护试验系统中的一部分，因而引入侧面柱碰撞试验是非常有必要的I”。侧面碰撞时可能导致车门框变形而使车门不能开启，影响乘员离开危险地带及对乘员的救援，再者中国国家标准GBl5743—1995中也要求轿车车门要符合规定的刚度和强度要求，因此研究车门侧面碰撞的性能具有重要意义。 第6页武汉科技大学硕士学位论文1．3论文主要的研究内容和方法本课题主要是针对国内某车型的前车门，借助于有限元软件HyperMesh和LS—DYNA，以有限元理论为基础，建立了车门的碰撞有限元模型。通过车门材料的材料性能实验，获得了车门材料的模型，并对金属薄板的拉伸过程进行了模拟，与实验结果的对比验证了这种有限元建模方法的可行性。进而按照Euro．NCAP标准和国家侧面碰撞法规CMVDR295对此车门进行了碰撞模拟仿真。通过对车门变形、关键部件的吸能、关键点的加速度等方面进行分析、评价其侧面抗撞性能。第一章绪论中，首先对汽车被动安全研究的重要性进行了论述，并对侧撞过程的特点及危害、关于侧撞的相关安全法规及国内外汽车侧面碰撞试验等方面进行了研究，对国内被动安全的现状及汽车碰撞安全性的发展动态进行了探讨。第二章中简要介绍了碰撞有限元的基本理论。第三章中以金属性能试验试件为标准件，研究了单元尺寸和材料等相关参数对仿真结果的影响，并在此基础上对拉伸实验进行了模拟。第四章中借助于前处理软件HyperMesh，按照一定的规定对模型进行网格的划分，建立了整个车门、碰撞圆柱的有限元模型。并对车门结构进行了静态性能分析。按照Euro-NCAP和CMVDR295标准对车门进行了侧面碰撞的仿真。得到侧面碰撞模拟结果，包括碰撞过程中加速度的变化情况、关键零件的变形情况和能量吸收的情况，以此分析车辆的侧面碰撞性能。第五章中针对三种不同的碰撞方案进行模拟计算，并对三种方案的车门的变形、碰撞接触力及质心加速度进行比较。分析碰撞位置对车门抗撞性能的影响。第六章为全文总结，对所开展的工作以及后续的展望进行了小结和综述。 武汉科技大学硕士学位论文第7页第二章碰撞有限元模拟计算的基本理论2．1有限元法的理论基础有限单元法是一种根据变分原理来求解数学、物理问题的数值计算方法，对分析复杂结构或多自由度系统来说是一种新型而有效的方法。有限元法的基本思想是运用离散化的概念，假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连，单元间的相互作用力也仅由节点传递。根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，选取各种类型的单元。节点一般都在单元边界上，在此基础上对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来模拟其位移分量的分布规律，即选择单元位移模式。位移模式取决于单元的自由度和有关解的收敛性要求。再通过虚功原理(或变分原理，或其它方法)，求得每个单元的平衡方程，也就是建立单元节点力与节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系按照保持节点位移连续和节点力平衡的方程集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件后解此方程，就可求得节点位移，并计算出各单元应力。可见，有限元法是离散化的数值解法，对于结构力学特性的分析而言，它的理论基础是能量原理，即虚位移原理、最小位能原理和最小余能原理。最普遍采用的离散化技术是有限差分法和有限元法。历史上，有限差分程序最初是为了处理超高速碰撞现象提出的。后来在程序中引进材料一强度模型，用来处理超速现象的后期阶段或弹丸速度范围内的侵彻问题。有限元法开始是在加速度很低的范围内应用，原先用以近似描述承受静载加载的任意结构和结构系统的行为。近年来已经出现能够处理波传播、大塑性流变及流体流动的有限元程序，而且正在用它们替代有限差分程序145】。在有限差分法中，空间和时问网格是通过用差分近似替代连续动力学控制方程中的微分构成的，求解大方程组的标准方法用来求得空间解。时间解是通过积分得到的。有限元方法是结构分析技术的产物，这里离散化程序不是把控制方程处理成差分方程形式，然后求数值解，而是从开头就进行离散化。具体步骤如下I叫：1．利用假想的线把连续系统划分成有限数量的区域或元，假定这些区域或元只是在称为节点的大量离散的点处发生相互作用。在这些点处的位移是这一问题的基本未知量。2．设想一组函数跟据节点位移定义在一个单元内任意点处的位移。3．这些位移函数先定义每一单元内的应变状态。然后根据这些位移及本构特征定义应力状态。4．确定集中作用在节点处平衡外加载荷的力体系。这种方法就产生了刚度关系，即把内部载荷、外部载荷和节点位移联系起来的方程。然后把每个单元(局部)数据汇成总体阵列，利用大的代数方程组采用一般的方法求得节点位移解，再由节点位移决定单元的应变。有限差分法和有限元法的共同特点是把因变量的空间分量和时间分量局部分离丌来。 第8页武汉科技大学硕士学位论文这就允许分别处理时间和空间网格。对许多情况而言，有限元法的运动方程的离散形式是同有限差分法的运动方程的离散形式相同的。这样，因为这两种方法没有基本的数学差别，他们应该在数值计算中有相同的精度。主要的差别不在于这两种方法本身，而是在实现这两种方法的计算机程序的数据管理构件。有限元程序在处理不规则形状和网格大小及分类的变化方面具有明显的优点。这是因为在有限元法中，运动方程是通过每一个元的节点的力列出的。而同邻近网格的形状无关。但在有限差分法中，运动方程是直接根据邻近网格的压力梯度表示的。这不是一个本质的问题，但是对于不规则区域或边界而言，必须分别建立差分方程。两者的另一个主要区别是网格的编号。在有限差分程序中，网格的规律性内涵的产生了连通性信息。而在有限元程序中，网格的连通性显性的被存储了，这个特点使复杂网格系统能自动生成。对于有限差分方法来说，能够克服这一缺点。但是一般要花费大量计算存储空间和时间才获得这种多功能性。碰撞或脉冲加载现象在受影响的结构中激起各种各样的频率。如果结构响应是受相当小的一些低频模式控制的话，一般认为这类问题属于结构动力学范畴。另一方面在波传播问题中，高频模式在整个有关时间内控制着响应。这里我们认为高频是同特征音频在数量级上是相同的或更高些，而低频一般是低于音频一个数量级的。在实际中，往往这些状态结合在一起。在许多低速冲击问题中，例如炸药爆炸加载，意外的碰撞情况中，初始状态是高频逐渐衰减为稳态或自由振动状态。在一些涉及动力学不稳定的情况中(如振动)受约束响应会在达到临界条件时不受限制的突然增大。在一个结构的某些部分力学上刚性高于另一些部分的一些现象会给运动方程的数值积分带来一些困难。如果选择的时间步长小到足以精确处理迅速变化的各个部分的话，那么这种时间步对于其他部分来说则是过分小了，结果使计算的工作量增加，且在低频部分引起舍入误差。另一方面，时间步长按缓慢变化部分调整，又可能引起不稳定性，从而不能精确的求解高频部分。时间积分程序是大多数结构动力学程序的核心部分，概括的说来分为隐式积分方法和显式积分方法。隐式积分方法对于结构动力学问题是有效的，而显式算法则适合于波传播问题。积分连续力学的离散方程采用的方法，如果在计算周期上位移是与此段时间内的加速度无关的话，则称为显式算法，在积分格式中广泛使用的一种是二阶中心插分法。在任意时间步长上，节点的速度和位移是已知的，变形速率和应变可以从应变位移关系中求得，在这一段时间步长上的应力通过材料的本构关系求得，然后运用运动方程得到加速度，加速度连同速度在找到新的位置的时间内是向上增加的，接着再重复整个过程。在隐式算法中，在任意时间t+△f的位移，在不知道相同时间上的加速度时是无法求得的。必须把速度，位移和加速度间的关系同运动方程结合在一起，从而迭代求解最后的联立方程组。许多隐式算法是无条件稳定的，但其前提是在每一个时问步长上求解联立方程组，大多数显式和隐式算法的局部截断误差是△f3数量级，这对显式算法是无关紧要的但对于通过迭代求解的隐式算法却是至关重要的。 武汉科技大学硕士学位论文第9页近几年，随着计算机技术的飞速发展，涌现出一批应用成熟的显式有限元分析软件，有DYNA3D、LS．DYNA、PAMCRASH、RADIOSS等。国内外各大汽车公司和科研单位进行碰撞分析所采用的软件主要是采用显式算法。2．2显式有限元软件LS．DYNA简介1976年，美国LawrenceLivermoreNationalLaboratory的JohnHallquist发布了最早的DYNA软件。该软件在显式有限元发展过程中具有里程碑式的意义，在推出后不久，即在全世界的大学、政府与工业实验室传播开来。该软件时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。从理论和算法而言，LS．DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。1989年，JohnHaUquistt巫J建利维莫尔软件技术公司(LivermorcSoftwareTechnologyCorporation)，LS．DYNA开始商业化进程。总体来看，到目前为止在单元技术、材料模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的进步。1996年功能强大的ANSYS前后处理器与LS．DYNA合作，命名为ANSYS／LS．DYNA，目前是功能最丰富，全球用户最多的有限元显式求解程序。ANSYS／LS—DYNA的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工业部门(航空航天、汽车、造船、零件制造和军事工业等)。应用领域是：高速碰撞模拟(如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破坏)、乘客的安全性分析(安全气囊与假人的相互作用，安全带的可靠性分析)、零件制造(冲压、锻压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等)、罐状容器的设计、爆炸过程、高速弹丸对板靶的穿甲模拟、生物医学工程、机械部件的运动分析等。ANSYS／I．S．DYNA强大功能的基础是求解器的理论基础和丰富算法。LS．DYNA的单元都采用Lagrange增量方法进行描述。其壳单元算法共有16种，对壳单元可以根据研究情况选择单点积分、多点积分单元或缩减积分(elect．reduced)单元。单元采用co-rotational坐标系统分离单元运动中的变形和刚体运动。使用单点积分的求解速度很快，一般都可得到可靠的结果。当单元的翘曲和弯曲变形较大时，可通过增加沿壳单元厚度方向的积分点个数保证精度。材料模式包括各种弹塑性材料，可考虑各向异性、强化特征。强化类型包括指数强化、随动强化、等向强化、混合强化以及应变率对材料强化的影响。应变率的影响归结为两种方式，采用Cowper-Symonds模型或以表格方式给定任意应变率下的应力—应变曲线。部分材料模式引用Hill或Barlat的各向异性屈服假设，并假定壳单元的平面应力状态。LS．DYNA的实体单元可分为三大类：结构单元、ALE单元(包括Euler流体单元)和声单元。这些单元可分为单点积分、多点积分和缩减积分(select．reduced)单元：节点带旋转自由度(nodalrotations)和不带旋转自由度单元。单元采用CO．rotational坐标系统分离单元运动中的变形和刚体运动，避免因刚体运动产生应力。在剪切变形较大时，可选择使用Green—Naphdi应力率。变形结构单元为8节点6面体，可退化为6节点5面体或4节点4面体。所采用的ALE方法最早是由Noh(1964)以耦合欧拉一拉格朗R的术语提出的，至80年 第10页武汉科技大学硕士学位论文代末90年代初才形成成熟理论并在少数分析程序中出现。在ALE描述中，网格点可以随物质点一起运动，但也可以在空间中固定不动，甚至网格点可以在一个方向上固定，而在另一个方向上随物体一起运动。ALE中有限单元的剖分是对参考构形进行的，网格点就是参考点，网格是独立于物体和空间运动的，亦即参考构形是已知的，初始构形和现时构形是待求解的。由于任意拉格朗日一欧拉(ALE)方法综合了纯拉格朗日和纯欧拉描述的优点，克服了各自的缺点，成为目前非线性连续介质力学中大变形分析的十分先进有效的方法。早在1991年DⅥ蛆程序中就成功地引入A】也算法，在流体动力学、流体．结构相互作用、加工成型、碰撞、爆炸冲击、接触等大变形问题中得到了广泛的应用。I．S．DYNA时间积分采用中心差分法对未知量显式求解。2．3显式时间积分考虑如图2．1所示的单自由度线性弹簧阻尼系统【4叼，根据达朗贝尔动力学原理可得：所甜+c薯i+妇-p(f)(2．1)豇为加速度，li为速度，“为位移，p(f)为外力。图2．1单自由度线形弹簧阻尼系统对于线性问题，可以用解析法来求解该微分方程。若为非线性问题，比如k为位移“的函数，方程变为：—l露+cli+七I“k—V(t)(2．2)则很难获得其解析解，但可以得到数值解，常用的方法有有限差分法和有限元法。对于有限元法，上述运动方程的矩阵形式为：MO+CO+KU—P(f)(2．3)式中D为节点加速度列阵，D为节点速度矩阵，U为位移矩阵，而)为外力向量列阵，M为质量矩阵，c为阻尼矩阵，K为刚度矩阵。求解该方程目前常用的有两种方法：一种是振型叠加法，另一种是逐步积分法。对于 武汉科技大学硕士学位论文第11页复杂问题一般采用逐步积分法，大体可分为增量法、迭代法和混合法。隐式的求解方法一般采用增量迭代法，需要转换刚度矩阵，通过一系列线性逼近(Newston．Raphson)来求解，对于存在内部接触这样高度非线性动力学问题往往无法保证收敛。LS．DⅥ妊采用显式中心差分法来进行时间积分，在已知0，．．⋯．，‘时间步解的情况下，求解‘。时间步的解，运动方程为：肘驴也)一盹)一F“以)+Ⅳ以)一co(t．)(2．4)式中P也)为外力向量列阵，F““)为内力矢量，为单元内力和接触力之和，表达式为F“t。)一∑正矿a．dQ+F～，单元的内力由当前构型的应力场的散度求得，日纯)为沙漏阻力。把质量矩阵移到方程的右边，求得‘时刻的加速度为：c『“)一肘。lPO．)一F“k)+H也)一coC,．I](2．5)‘。时刻的速度和位移由下面公式求得：D也。：)=o(tn-112)+驴(f。阻．(2．6)u以+。)-u也)+驴纯。：)虬。：(2．7)其中虬。：；盟警这样可以求得在t。时刻的位移，更新‘时刻的系统几何构型，得到‘+。时刻系统新的几何构型。由于采用集中质量矩阵M，运动方程的求解是非耦合，不需要组集总体刚度矩阵，并且采用单点积分，因此可以大大减少存储空间和求解时间。但是显式中心差分法是有条件稳定的，下面通过一个简单的线性自由弹簧系统来说明，运动方程为：mO+KU：0(2．8)设西为特征向量矩阵，则：CrMq酊+西7KCU一0(2．9)由于庐7坳，，，妒7脚一∞2，∞为圆频率，于是‘时刻运动方程为：Dk)+n，2U以)一o(2．10)如果时间积分采用中心差分法，那么：Dk)。虫尝盥(2．11)O(t小虫坦掣(2．12)其中△f为时间步。把D(f。)代入运动方程，可得：u(t。)一(2一m2At2p“)+u(f。)=0(2．13)设u(f。)=刀，代入方程就可把差分方程变为多项式方程：牙一f2--0)2At2A+l：0(2．14) 第12页武汉科技大学硕士学位论文当万一00，若uO。)是有界的，则可以得到稳定解，这就要求⋯蔓1，对于川‘1的方程的所有的根，满足稳定条件的最大的垃值为：A‰一二(2．15)‰式中n’k为有限元网格的最大自然角频率。所以只有当Ats‰一二(2．16)‰此时，求解才是稳定的，所以显式算法采用很小的时间步来进行计算，一般只对瞬态问题有效。在运动方程M矽也)一P纯)一F““)+Ⅳ纯)一c驴也)中有一项沙漏阻力日也)，该项是人为加上的力，是为了避免沙漏变形，因为LS—DYNA；采用单点高斯积分进行时间积分时，会出现沙漏模式(零能变形模式)。下面简单描述一下沙漏模式产生的原因。单元内力由当前构型应力场的散度求得：，“纯)一∑广70'．dQ单元计算fB70dV时，应力增量砸f由应变率j根据材料本构关系求得，应变率i与单’元速度场毫，南，南有关，对于八节点六面体实体单元来说，单元任意点的速度分量为：毫倍，叩，；，f)4荟识皓，t7，；k‘G)(2·16)式(2．16)中形函数为：九‰；)一；(1+最宇x1+rhr／x1+氕；)一言(1+最亭+仇叩+氕考+最仇勃+仇参。町；+缸氕箔+氢仇玉勃；)(2．17)(最，仇，幺)，k=l，2⋯．，8是节点的自然坐标值，如表2．1所示：表2．1节点自然坐标值节点12345678亭．1l1．1-l1．1叩．1—11．11考．1—1．11上式用矩阵形式表示为：毫倍，，7，；，r)一；(∑7+A，7亭+A2rr／+A3r‘"+L7勃+r27朽+F磐+r47勃亭如1(f))(2．18)式中：∑-[11if 武汉科技大学硕士学位论文第13页A。=院岛岛氦岛氛岛磊r=[-111—1—111一ly人2=【叩，，72吼r／4，75，76叩7仇】r=[-1—111—1—1111A，=陆。考：}，；．考，}。亭，考。】r一[-1—1—1—111]rr1一毽以。§御2考辨3§椰4}羽5g椰6鼍椰1酞H3=B一11—11—1】rr2一b。邑叮：；：，7，当，，7．参．叼，考，t76考。叩，孝，t7。耆。】r=[11—1⋯111『r3一陪。轰考：邑岛岛；．幺参，虽毒。羲考，岛考。磊】r=[1—1—11—111一lyr。-毖以占l警御占t睾抑菇，}棚．誊。§辨毒s警舶占。§椰菇1喜棚善3-4-11．．111．-11．．1y单元的速度场由基矢量∑，A。，A：，A，，L，1"2，L和r4组成，其中基矢量∑反映单元的刚体平移运动，基矢量A，反映单元的挤压变形，基矢量A：和A，反映单元的剪切变形，L，r2，r3和r4则称为沙漏基矢量。当计算单元内任意点的应变率时，公式为：i，。=要，屹=誓，屯=导⋯把(2．16)式代入即可把速度对总体坐标的偏导数转d矗dX，武，化为型函数对总体坐标的偏导数：誓。窆型挚毡‘，f．1,2,3(2．19)缸1角％。堕。多盟衄毡‘，f，1,2,3(2．20)0x2向0x2‘堕：壹鲥垫醯‘，f。1,2,3(2．21)0x3臼缸3‘由雅克比矩阵转换，又把速度场对总体坐标的偏导数转化为对自然坐标的偏导数：l善监0x20x警l="l等等釜I@22，l缸la]b}‘。la亭a叩a}J这样把求应变率转化为对自然坐标的偏导数，如果在单元形心处(亭=r／=考一0)进行单点高斯积分。则该处谏摩场对对自然华标的导数可以表达为： 第14页武汉科技大学硕士学位论文旦主1兰；；删；，．；．。一言k7+E7×。+L7×。+r47×。№‘(f)}⋯⋯(2．23)由于对单元形心处进行单点高斯积分，沙漏模态被丢失，即它对单元应变能的计算没有影响，故称为零能模式。在动力响应计算时，沙漏模态将不受控制，从而出现计算的数值振荡。虽然单点积分会引起沙漏模式，但由于只进行单点高斯积分，相比2x2x2或3x3x3的高斯积分，单元的数据存储量和计算机时要降至U1／8或1／27，可以大大节省计算机时，同时也有利于大变形分析，所以依然采用单点积分，不过要进行沙漏控制。将各单元节点的沙漏阻力组集成总体结构沙漏阻力，即日也)，通过施加沙漏阻力，沙漏模态在运算中不断得到控制。2．4薄壳单元理论在汽车碰撞仿真方面，有两类单元应用最多，他们是基于层面和纤维理论的Hughes．Liu类型的单元和基于局部坐标变换的Belytschko．Tsay类型的单元。此处重点介绍本文中所用到的Belytschko-Tsay(简称BTJ攀-元)的基本理论和有限元算法。Belytschko-Tsay薄壳单元算法是璐．DYNA壳单元的缺省算法，使用于大多数分析中。采用面内单点积分，计算速度非常快，针对大变形问题是最有效的算法；使用Co．rotational应力更新，单元坐标系置于单元中心，但由于其基于平面单元假设，所以对翘曲的几何体不适用。该单元的核心是建立一个唯一的局部坐标系，避免了Hughes．Liu类壳单元的多个局部坐标系。由于局部坐标系有不同的建立方法，且具体的计算过程也可以千差万别，因此BT类壳单元也可以有多种形式，并在计算速度和精度方面表现出不同的特点。此处介绍一种常用的壳单元算法【lll。壳单元局部坐标系定义如图2．2所示。其中坐标系的基矢量巳、乞和e3按如下方式构造：e3l毛3×z24／I‰×工24el—k：一k：·巳b】／k：一k：·岛kI壳单元内任一点在局部坐标系内的坐标可以表示为：五一Nk霉瓦一Ntx--2k墨=0．5毒Nkh‘ 武汉科技大学硕士学位论文第15页对应地，位移场可表示为：砭。=N曩：+o．5毒Nkhk百：瓦=肌“--：k一0．5．鸯Ⅳkh‘开瓦一以露2对上述方程求导可得：曩)b)图2．2町t类壳单元的坐标系定义a)局部坐标系与总体坐标系的关系b)壳单元在局部坐标系iDi平面内的投影瓦}-Ⅳj'|“--。k+o．5巩，乒‘百≯‰一N。霁+05斟k。hk配‰mO．5Nkh‘劈瓦2{=Nk或一0．55Nk{hk配瓦，，=Nk∥--2k-0．5毒lVk，口h‘开瓦，{=-0．5M_}l‘露毛#=Nk，；霹瓦．。=Nk．∥--3k(2．24)(2．25)(2．26)(2．27)(2．28)(2．29)(2．30)(2．31) 第16页武汉科技大学硕士学位论文其中‰一0定义节点自由度矢量孑和位移偏导矢量五为：(2．32)孑．豳”--：2“--，I亓爵⋯Ⅳ--。4U一2霹牙露】r(2．33)五一kjU—l,nU—l，。⋯瓦名瓦。瓦名】r(2．34)综合式(2．24)～(2．34)可得：五z匠H一2H一3H一4】d～(2．35)Ht—Jr．毒000．5当Nk善h‘NI，’0005戮t“h‘00．5Nkh‘0Nt§0—0．5毒Nk§h10NI”0-0．5翻k《h10—0．5Nkh‘00Nk{00Nk。00O0为便于计算局部坐标系下的应变，现定义局部坐标系下的位移偏导矢量为：盯。陆o1—41,2u—u⋯u一3,1瓦。2厅b】r“暑Ipl，l⋯“3。H3jJ通过坐标变换可得：面1．i-瓶iI褫i球_芦000，000§式中卢——局部坐标系下雅可比矩阵的逆矩阵。局部坐标系下的应变可定义为：其中F=窿。乞2五：2毛2毛】r弓。慨，，+刁』J／2从式(2．35)～式(2．40)可求得暮一Bd(2．36)(2．37)(2．38)(2．39)(2．40)(2．41) 武汉科技大学硕士学位论文第17页B；k-)r伍s)rcR：)r+cR·)rcR。)r+伍s)rcR，)r+伍，)rIR2㈤00一ta,H2H00删；I卢I3H．Jl卢I在式(2．42)中∥表示矩阵R的第i行组成的行向量。得到局部坐标系下的应变位移矩阵后，便可计算局部坐标系下的节点力7F，7F。荟善荟仁“乃km4彬％睨再通过坐标变换计算总体坐标系下的节点力7F，即fFtQh事其中2．5本章小结Qr—k乞e3】(2．42)(2．43)即(2．44)(2．45)(2。416)本章简要论述了有限元法的基本思想，并对显式有限元软件LS—DYNA及相关的显式时问积分、薄壳单元理论进行了简单介绍。为后续的仿真计算提供了理论基础。 第18页武汉科技大学硕士学位论文第三章碰撞模拟分析中的控制参数的研究使用LS．DYNA软件进行碰撞模拟计算，其过程中存在诸多影响计算时间及模拟结果的有效性的因素，例如单元参数的选取、材料的定义、控制关键字的选取等。此处以材料拉伸实验所用薄板作为标准模拟件，研究相关参数的选择，最后用模拟的结果与实验所得结果进行对比，以验证有限元模型的有效性，从而获得一种可信的有限元建模方法。3．1单元尺寸的影响在碰撞模拟分析中，对于材料模型一定的情况下，有限元模型计算时间的大小直接取决于单元的尺寸。首先单元尺寸小，则相应的单元数目增大导致计算时间和存储时间增加，其次也是最主要的原因是单元的特征尺寸直接决定了模拟计算的最小步长。壳单元的最小时间步长计算公式为f卅：虬一告(3．1)式(3．1)种k为壳单元的特征长度。C为声波在对应材料中的传播速度。广—F“1／南。2’式(3．2)中E是材料的弹性模量(杨氏模量)。P是材料的密度。'，是材料的泊松比。对于不同的壳单元，其单元的特征长度k的计算方式亦不同。在LS．DYNA中共有三种可选算法：1．第一种算法为缺省算法，计算公式为：一L,-max(／xL鱼2±,L壁*丝,(1-f1)L4)。(3·3)式中口对于四边形壳单元其值取0，对于三角形壳单元其取值1。AB是壳单元的面积。k，(i_1，2，3，4)为壳单元的边长。2．第二种算法较第一种更为保守，计算公式为：丘一』max生(D1虹,D2)‘3．4)其中D-，D2为壳单元的对角线长度。其它符号如上所述。3．第三种算法提供了更大的时间步长： 武汉科技大学硕士学位论文第19页t—maxI；；孑≤生‰min(L。，￡：，厶，工·+卢·。”)lcs5，即对于壳单元，其最小时间步长取决于单元的形式、边长、面积以及材料的弹性模量，泊松比和密度。其并随单元的边长、面积、材料的密度、泊松比的增大而增大，随弹性模量的增大而减小。本文对车门材料性能试验中工作尺寸(夹具之间的部分)为110x20mm的金属薄板分别以1×1，2x2，4x4四边形单元边长分别进行网格划分，其它条件及控制参数等都相同。使用LS．DYNA软件在Pentium42．4GHz，768MBl勾存的计算机平台上进行运算，三种单元边长对应的节点数、单元数、计算占用CPU时间和运算循环数见表3．1。表3．1单元尺寸的影响序号单元尺寸／mm节点数单元数息占用时同{s运算循环数11X1233122001051996022x261655012981734×417414014905由上表可知，网格划分越粗，节点数、单元数、计算所占用CPU的时间及计算循环数都会明显减少。对于不同的构件，参照其在计算分析中的影响，选取适当的单元尺寸才能在时间和精度之间寻找到平衡点。选取不同的网格尺寸对零件及总成的变形特性和能量变化都有一定的影响【船1。图3．1为网格尺寸为2x2时的试件的分时变形图。由于不同网格尺寸的变形的差异在图面直观上差别很小，而实际结果在单元应力大小和应变等方面有一定的差异。Time=1．8Time=2．6Time22．9乙[二二二][二二二][二二二]L1．8n嵋2．6吣2．9n峙图3．1试件的分时变形图图3．2～3．4为试件分别进行拉伸模拟时的内能、动能、沙漏能的比较图，从图中可以看出系统内能、动能、沙漏能等都和网格尺寸的精度有关：反映出在断裂时，单元尺寸越小，动能增加速率越快；碰撞终了时刻，单元尺寸越大，系统内能越大；单元尺寸越大，系统沙漏能越明显。根据经验，进行整车和分总成的碰撞分析模拟时，对于汽车部件的每一个方向至少有3个单元(或一个全积分单元)。对于本文仅对单个车门进行碰撞分析，单元数目不是太大，以10ram网格大小进行划分足以保证计算精度，又不会使计算时|’日J太长。 第20页武汉科技大学硕士学位论文'0．8氟l。一．譬o．2O15000500O[＼今上1X1Kne¨tEn占rgB2X2Kne心cEn罄JoX4Kneth：IE'rH。人八∥．＼．声＼k．厂‘’-t昌p／B．00．S'1．52Z5Time(msI图3．2不同网格尺寸动能比较专鎏嬲7⋯／．／，／O¨'1．S2Z5"rime(ms)图3．3不同网格尺寸内能比较-iLlXlHour，,ass丽B2X2Hour：llas蚝nerg卦稍幸{nefg／∥／∥』—r。广一。ee．晨．|O0．51'．52乞5Time(ms)图3．4不同网格尺寸沙漏能比较S*P．cu—l差一 武汉科技大学硕士学位论文第21页3．2材料的设定在LS．DYNA中有将近140多种材料模型，提供了丰富的材料库。由于有限元分析结果的准确性很大程度上依赖于材料模型的选择和材料参数的确定，花费较多的时间了解材料模型和获得准确的材料参数是非常必要的。由于本文主要研究车门侧面碰撞性能分析，主要零部件都是金属薄板，故本文重在板壳单元相关材料的设定。LS．DYNA中几种常用弹塑性材料(各向同性)：1．理想弹塑性：材料达到屈服后应力不再增加，即没有塑性硬化产生；2．双线形弹塑性：材料达到屈服后沿线形硬化，在材料定义时需定义切线模量；3．指数硬化弹塑性：材料达到屈服后按指数关系塑性硬化；4．多线性弹塑性：材料达到屈服后硬化曲线由多线段组成。对于车门板件所选用的材料模型为多线性弹塑性材料模型，在Ls．DⅥ4A对应得关键字为：SMATPIECEWISELINEARPLASTICITY。多线性弹塑性材料模型是基于材料单向拉伸试验结果的材料模型，它用分段线性函数来逼近材料塑性变形阶段的试验结果，以Cowper．Symonds应变率模型作为因子，以考虑应变率效应，同时，采用基于等向强化设定的VonMises屈服准则作为材料的屈服准则。该材料模型使用分段线性函数逼近材料塑性模型阶段的试验结果，对材料的硬化效应而言，它可以得到比其他任何一种逼近方式都精确的结果，不仅考虑了材料的应变率效应，而且能够用于模拟材料基于等效塑性应变失效的情况，因而在工程实际中得到广泛的应用，特别是在汽车碰撞安全性研究领域，该模型更是使用频率最高的一种材料模型。使用此模型一般应输入如下参数：材料的弹性模量、质量密度、泊松比、材料失效时的等效塑性应变￡。(对数应变)、Cowper-Symonds应变率系数P与c等、表示材料应力应变的分段线性函数等。另外材料参数的设定还包括了沙漏效应、硬化法则、应变率、单元积分模式等特性。下面对这几方面着重阐述。3．2．1金属材料的性能实验选用车身所用材料，按照国家标准GB／T228---2002金属材料拉伸试验方法和GBfI'2975--1998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备，加工成标准试件，在力学性能试验室进行金属材料性能试验。实验设备与器材：万能材料试验机(图3．5)、游标卡尺、薄板试件等。 第22页武汉科技大学硕士学位论文图3．5万能材料试验机实验所得5个标准件的力—位移曲线图见图3．6～3．10：力—位咎曲境／＼，vl／fo5lO15∞衢∞衢蛐惦邱_图3．6试件l办啦咎■境／、∥1，fo5101520篮∞衢帅●5舯一图3．8试件3力—位薯■缱／、，yI，I0510I52025∞35帅4650_图3．10试件5力—位移曲城／／v"l，lo5lO15∞龉∞茹帅惦∞一图3．7试件2力-位移曲线／、∥If1o5101520衢舯衢∞惦∞-图3．9试件4嚣||嚣怒馏。 武汉科技大学硕士学位论文第23页在LS．DYNA定义多线性弹塑性材料模型时需要输入应力一应变曲线，并且是输入有效应力一应变曲线。前面的材料性能实验得到力和位移响应曲线通过下面的公式得到下图(图3．11)右侧的工程应力—应变曲线：专‰图3．11力—位移曲线与工程应力—应变曲线的转换关系工程应力一矗蕞=if工程应变一长度改变量d原始长度L0需通过下面公式的换算，才可得到真实应力应变曲线，见图3．12：真实应力一柯西应力一苫蒜。五忑fl一吼(1+巳)真实应变l筹·‘(丢)。‘(1+‘)巳=÷+乞)(3．6)(3．7)(3．8)(3．9)‘ln(1+ol岛图3．12工程应力—应变与真实应力—应变曲线的转换关系从真实应力一应变曲线中移去弹性应变即得到有效应力一应变曲线，如图3．13所示。 第24页武汉科技大学硕士学位论文图3．”有效应力—应变曲线实验数据的处理：试件材料为车身常用钢板材料，平行长度b=11011埘，材料的密度Rho-7．83E-6kg／mm3，弹性模量E--207GPa，泊松比NU--0．3。基本参数见表3．2。表配试件尺寸参数试件编号b／mmt／mmA／(mm’mm)119．821．2825．4219．841．2825．4319．82L2625．O419．861．2625．O519．821．2625∞b：试件宽度t：试件厚度A：截面面积。衰33特征点的拉力值特征点P。12345位移Al／mmPI／N5238．785231．085203．525191．025224．973．208t'2／N6384．286376．586385．256407．036386．229．793P3／N6782．356728．246’775．616801．606777．8816．365P,dN6921．14690r7．676909．936937．166911．2022．937P5小4664．734083．314659．604168．904416．6641．330表3A特征点的应力值12345oi‘oI／MPaq／Mea2122142152130．0287仉／MPa274273278279”82760．085303／MPa3073063113133113100．13870"4／MPa329334335334332O．1894丐／MPa356371373382368370O．3190 武汉科技大学硕士学位论文第25页盯i为真实应力；O一'j为真实应力平均值。在材料的力—位移曲线上选取5个特征点，其中P。和P5分别为材料的屈服极限和强度极限所对应的点，其余三点选取的原则是尽量均布于P1和P5之间。其在各位移处的对应的拉力值及真实应力应变值分别见表3．3和表3．4。通过式(3．10)将特征点的真实应变转化为有效应变。见表3．5。％咆一詈(3．10)表3．5特征点的有效应变‘／MPa0．02870．08530．13870．18940．3190F／MPa_O0．0840．1370．1880．317‘为真实应变；g谚为有效应变·确定特征点的有效塑性应力应交值，其为LS．D1n渔材料模型定义所需的参数。见表3．6表3．6特征点的有效应力应变PiP1P2P3P4Ps锄／MP8_O0．0840．1370．1880．317口。ff／GPa0．213O．2760．3100．3320．370盯硪为有效应力。此处确立了仿真所需的材料模型，其中有效应力—应变曲线见图3．14。3．2．2沙漏效应蛊o≥％口O0．1O．2O．30．4eeff图3．14材料的有效应力—应变曲线LS—DYNA应用单点(缩减)高斯积分的单元进行非线性动力分析可以极大的节省计算机时，也有利于大变形分析。但是单点积分可能引起零能模式，或称沙漏模式。沙漏是一种以比结构全局响应高得多的频率震荡的零能变形模式，是单元刚度矩阵中秩不足导致的，而这些是由于积分点不足导致的。沙漏模式是导致一种在数学上是稳定的，但在物理■踮■孙卫垢J％OOmOm0mOn 第26页武汉科技大学硕士学位论文上无法实现的状态。对于平面四边形板壳单元的变形模式有以下四种，见图3．15。平移模式拉伸模式沙漏模式图3．1S单元的四种变形模式．1剪切模式其中沙漏模式的节点矩阵可以写成：台}一{l一11—1F(3．11)矗)一陋IⅣ】(g}一陋IⅣ罹一11—1P-0(3．12)在分析中沙漏变形的出现会使结果无效，所以应尽量减小和避免。如果总体沙漏能超过模型总体内能的10％，那么分析的结果可能是无效的，有时甚至是5％。LS．DYNA在程序内部提供了一系列的沙漏控制方法，这些方法的基本思想包括两个方面：一是增加刚度(使刚度矩阵与精确计算时的秩相同)以阻止沙漏的出现，但又不能影响系统的刚体运动及线性变形区域的变形；二是抑制沙漏的生长速度。图3．16显示不同的沙漏系数对系统的影响，沙漏系数的确定和不同位置的网格划分质量和变形特征有直接关系。comlbon·ml—A．H≥u嘻I∞$c。eHlcI。mo毋{BHburalasscoefflclehtofⅪ5^／}，^?＼￡，|j1；、、．k’。。、，～，A．、t；、点。，B一’“j7乙j{，，＼fYO12TimeIm8l图3．16不同沙漏系数对x向平均速度的影响一*量EEI枷口oi})c 武汉科技大学硕士学位论文第27页沙漏影响实体单元、四变形壳单元及2D单元的计算，但不影响三角形壳单元的计算，即它不存在沙漏模式，但其计算精度不如四变形壳单元，故在本例中并未使用。在车门部件的网格划分中三角形壳单元也被控制在一定的比例之内。3．2．3硬化法则对于大变形的弹塑性问题，随着加载与卸载的路径不同，应力与应变的关系不但和当前位置有关，而且与加载的路径有关，同时材料也会产生塑性硬化现象。适用于本文的硬化法则有折线定义法。如图示，折线定义法是利用多组切向模量和应变的关系对应的曲线。从图3．14中可知，每段折线的应变必须叠加前面的应变积累。材料的硬化模型为：一，、、仃I户‰+，忙’JJ-y(3．13)式中：卢—c‘押I，pl*Symonds应变率模型乘子；￡一一等效塑性应变；，(s，)—输入的材料真实应力应变曲线(分段线性函数)，由于只需输入材料塑性硬化部分的应力应变曲线，故该曲线也称为塑性硬化曲线；％—应变率为0时材料的初始屈服强度。3．2．4应变率在在静载作用下弹塑性材料的应力只是应变的函数，即盯一，(￡)，与应变率无关，而动态弹塑性本构关系的主要特点是在本构关系中应正确反映应变率效应，即应变率有关理论。以一维应力为例，动态塑性本构方程一般地写成：⋯(以乒)(3．14)式中：￡，为塑性应变；F，为塑性应变率。动态塑性本构关系非常复杂，当前在试验的基础上已建立的理论大致分为三类，即过应力理论、粘塑性理论和拟线性本构关系理论。所谓过应力，即材料在动力作用下所引起的瞬时应力与对应于同一应变时的静态应力之差。以一维情况为例，设盯=，(s)为静态拉伸曲线，ord为动态应力，则吼．厂(s)就是过应力。过应力理论认为：塑性应变率只是过应力的函数，与应变大小无关。用方程表示则为：so。占邑+(，h一，0n(3．15)￡=’=od+、}pd—l＼￡1譬、j·式中：E为杨氏模量；(F)定义为cm》一‰接舞㈦㈤ 第28页武汉科技大学硕士学位论文式中：a、b为材料常数。于是MAI砸RN本构关系可写成；；言邑+g∽，s)≯她一一和(掣一，)】％。，(s)+ah(，+6；)式(3．18)的一阶近似式(线性关系)为乒一航小詈(掣一，)Eso。邑+ch一，(s)】式中：c为常数，MALVERN取C=10esec-1，对大部分金属材料都适用。过应力理论的Sym佣ds简化模型在工程中被广泛应用。sym∞ds本构方程为z"p-D、(Uq‘d一-)，或(3．17)(3．18)(3．19)(3．20)(3．21)近年来，基于(3．22)一旧坳】@为，式中：q为静态屈服应力；口0为动态屈服应力；D、p为材料常数。omOora雌Bw帅th赫nr咖It／，／／p／■图3．17应变率对内能的影响一，—吝；cⅢi∈{一 武汉科技大学硕士学位论文第29页3．2．5单元积分模式在有限元分析中，薄壳单元常用的积分模式有Belytschko．1in-Tsay(BT)、Hughe—liu(HL)、Bclytschko．Wong．Chiang(BWC)三种。BT单元是一种双线性四节点四边形单元，对弯曲和剪切问题采取一致递减积分，可控制沙漏效应，是LS．DYNA缺省的壳单元公式，面内单点积分，计算速度快，通常对于大变形问题是最稳定有效的公式。HL单元也是一种双线性四节点四边形单元，面内单点积分，采用Jaumann应力更新，对翘曲的几何体有效，能对壳单元的参考面进行偏置；但是其时问开销是BT单元的2倍。BWC方法对B劝法的单元翘曲问题进行了优化，增加了投影方法，单元的每个节点具有全部六个自由度，可以混合使用板壳和实体单元，该方法具有更高的稳定性。表3．7为薄板试件选用以上三种不同的积分模式所对应的运算量。表中列出不同单元积分模式对应的运算时间和运算循环数，在单元的翘曲被有效控制的情况下，aT-)Y法较为高效。表3．7不同单元积分模式对应的运算量单元积分模式CPU占用时间(s)总占用时间(s)运算循环次数BT13213426983HL18718826983BWC175176269823．2．6模拟结果与实验结果的对比对薄板试件采用BT壳单元以2x2mm的尺寸大小进行网格剖分，考虑应变率的影响并进行整体沙漏控制，通过结算得到薄板断裂时刻的应力云图，见图3．18。图3．18薄板断裂时的应力图 第30页武汉科技大学硕士学位论文从图3．18中可以看到当薄板断裂时的最大应力为369．4MPa。前面材料拉伸实验的材料的强度极限为370MPa，则仿真结果与实验结果的误差仅为0．2％，可见采用这种建模的方法是可信的。3,3本章小结本章分析了单元尺寸、材料相关参数：沙漏效应、硬化法则、应变率、单元积分模式对仿真结果的影响。通过材料性能实验，获得了材料的有效应力—应变曲线，确立了材料的模型。并对试件的拉伸过程进行了模拟，模拟结果与试验结果相差甚微。建立了一种可行的碰撞有限元模型建立方案。 武汉科技大学硕士学位论文第31页第四章轿车车门碰撞的模拟车门是车身的重要组成构建。车门的结构形式很多，有旋转门、拉门、折叠门和外摆式车门。而轿车车门大多采用旋转门，开门时旋转方向可以是往前(顺开门)或往后(逆开门)，顺开门在行车时比较安全。对车门的要求【49J：1)具有必要的开度，并能使车门停在最大开度上，以保证上、下车方便。2)安全可靠。车门能锁住，行车或撞车时车门不会自动打开。3)开关方便，玻璃升降方便。4)具有良好的密封。5)具有足够的刚度，不易变形下沉，行车时不振响。6)制造工艺性好，易于冲压并便于安装附件。7)外形上与整车协调。车门是由壳体、附件和内饰板三部分构成。车门壳体是由厚度1．0cm左右的钢板冲压的外板和内板等焊接而成。外板外形与整车协调，外板包着内板，沿着门的边缘形成一刚性箍。内板是车门的主要零件。在内板上冲有各种形状的窝穴、加强筋和孔洞，以便安装附件。在安装完附件后，用内饰板将其遮盖。根据需要在内板上焊有加强板和支架等，以便将局部集中载荷有效地传送到内板较大的垂直面上。4．1车门有限元建模本章针对某款轿车右侧车前门进行有限元建模，重点研究车门的碰撞特性，相比静态分析其对于单元质量要求较高。鉴于研究目的和现有条件的限制，此处在整体上对模型进行如下简化处理：1、仅考虑车门相关的零部件的建模，忽略与车门相连的车身其他部分。2、忽略内饰板、粘性材料及车窗玻璃部件。3、省略车锁和车门铰链的建模，用简化的约束进行代替。4、整个车门选用单一金属材料。4．1．1模型的导入及几何清理此车门几何模型用UniGraphics软件建立，以IGES格式导入到HYPERMEsH中。车门几何模型的坐标系和整车的三维坐标系是一致的，车门在整车坐标系的位置参见图4．1。在导入车门CAD模型进行有限元建模时，要考虑到有限元分析对几何模型的要求与CAD的要求不同。CAD模型需要精确的几何表述，通常会包含某些细节特征，例如倒圆、小孔。而进行有限元分析时如果要准确的描述所有这些细节特征，就会用到很小的单元，导致求解时间延长。因此在做FEA分析时需要简化掉一些细节信息以便于网格划分和计算 第32页武汉科技大学硕士学位论文分析。此外，模型的一些几何信息在导入HYPERMESH后会出现部分几何信息出错，如导入曲面数据时可能会存在缝隙、重叠、边晃错位等缺陷，直接进行单元剖分会导致单元质量不高，影响求解精度。鉴于上述原因，在CAD模型导入后，进行网格划分之前需先进行必要的几何清理工作。通过消除错位和小孔，压缩相邻曲面之问的边界，改正模型在导入时出现的错误，消除不必要的细节，产生一个简化的部件模型以便于划分网格和分析，确保网格的正确连接，以获得满意的网格质量，从而提高整个网格划分的速度和质量，提高计算精度。，图4．1整车坐标系几何清理前几何清理后图4．2几何清理前后的车门内板图针对此车门，在HYPERMESH中进行的几何清理主要有以下几个方面的内容：1．导入CAD模型并修复其几何数据，即拓扑修复(topologyrepair)，包括改正相邻面问的连接性错误，这些错误包括相邻面不连接、有重复面、缺失面等。此目的是恢复表面数据信息以很好的表述零件； 武汉科技大学硕士学位论文第33页2．简化模型的几何细节(denaturing)。根据此分析问题的需要，简化掉车门上的一些小孔和倒圆：3．改善几何模型的拓扑关系以获得高质量的网格，即拓扑改进(topologyrefinement)：几何清理前后的车门内板见图4．2。4．1．2单元的选取与汽车碰撞模拟相关的显式有限元单元类型主要有：体单元、壳单元、梁单元、杆单元、质量单元和弹簧阻尼单元等。针对车门的碰撞模拟选用的主要单元是壳单元和焊点单元及碰撞圆柱选用的实体单元和质量单元。在碰撞模拟中应用最多的且最重要的单元类型是壳单元，车门部件主要由薄壁金属件构成。之所以采用壳单元，是因为对于构成车门的绝大多数薄壁冲压件而言，其长度方向的尺寸远远大于厚度方向，符合壳单元的理论假设(壳单元的长度应至少是厚度的五倍)。如果采用体单元，势必造成单元数目的大幅增长和计算时间的加长，并且体单元不如壳单元那样能很好的处理弯曲效应。LS．DYNA中提供了30多种壳单元类型，其中最著名且最常用的有Hughes．Liu(HL，由体单元退化而成)和Belytschko．Tsay(BT)壳单元。两者都适用于大位移、大转动和大应变的情况，且考虑了几何构形的翘曲效应。通过前面的分析知BT壳单元的计算效率明显高于HL，因而采用BT壳单元来模拟车门的薄壁构件，面内使用单点高斯积分，为更好的模拟碰撞过程，在车门部件(PART)的厚度大于1．5mm的构件，在厚度方向采用5个积分点。其余使用缺省的厚度方向的2个积分点。考虑到单点积分引起的沙漏现象，使用全局沙漏控制。加速度计单元。为了得出安全带的加速度而定义的单元，目的是测量加速度。此处是在质心处定义加速度传感器以获得质心加速度。质量单元用在碰撞圆柱的建模上，在其质心设立等效质量单元。碰撞圆柱变形很小，此处定义为剐体。在Ls．DYNA中使用刚性体定义有限元模型中的刚硬部分可以大大减少显式分析的计算时间。在计算过程中，刚性体内所用节点的自由度都耦合到刚性体的质心处，因此不论定义了多少个节点，刚性体仅有六个自由度，作用在刚体上的力和力矩由每个时间步的节点力和力矩合成，然后计算刚形体的运动，再转换到节点的位移。对于碰撞圆柱实体部件在碰撞过程中变形很小基本可以忽略不计，采用体单元，刚性材料处理，可以划分较多的单元，为更好的模拟碰撞过程中的接触问题，单元大小尽量与车门接触面即外板选用的单元大小一致，此处选用lOmm大小的六面体单元对圆柱进行剖分。4．1．3部件参数和材料模型的定义有限元建模过程中，采用离散的单元来模拟原连续构件的形状，使用实常数来进一步描述所模拟构件的某些尺寸例如壳单元厚度，沿厚度方向的采用的积分点的个数、积分模式及质量单元的质量等参数。 第34页武汉科技大学硕士学位论文有限元模型中的材料属性例如弹性模量、泊松比、屈服极限和切线模量等不仅直接影响到计算精度，决定计算的最小时间步长，在碰撞接触中还决定了接触刚度，所以所有的材料属性采用前面获得的实验数据。由于碰撞过程是一个高速瞬态过程，而构成车身的薄壁冲压件的材料为对应变率敏感的低碳钢，因此在定义材料属性时应考虑应变率的影响。对于刚性圆柱采用真实的材料模型，等效的质量通过质量单元加到刚体的质心上。4．1．4网格的划分在碰撞有限元建模过程中，单元质量是极其重要的因素。它直接影响到计算的稳定性、计算量和计算的精确性。因此在网格划分过程中应注意以下几个问题：1．单元划分过程中，尽量避免使用退化的壳单元，相对于正常单元来说，它们太过刚硬，并且计算精度差。2．车门部件的离散采用了壳单元，在划分网格时要注意壳单元的最小尺寸问题，即壳单元的最小边长应至少是其厚度的五倍。3．此处所建车门有限元模型主要采用壳单元，只考虑壳单元的最小时间步长对计算时间的影响，故在确保精度的前提下，避免采用小单元。4．单元大小的均匀过度问题，单元的尺寸坚持循序渐变的原则，避免相邻单元尺寸相差悬殊，以免造成单元畸变，影响计算精度。5．在相同条件下，尺寸小的网格比尺寸大的网格刚度小，更容易产生变形。因此，根据碰撞试验中的实际情况，按照实际的变形顺序对不同的部件采用不同尺寸的单元网格，循序渐变以保证模拟变形塌陷顺序的合理性刚。6．检查单元质量，综合考虑各种因素，并参照汽车碰撞仿真中的一些经验标准，对单元长宽比、翘曲、歪斜角等单元参数进行控制：单元翘曲(waIpage)小于8。、四边形单元的各角度在450～1350之间、三角形各单元角度在2俨～1250之间、三角形单元不超过单元总数的5％。4．1．5连接方式的模拟车门各部件的连接方式一般分为焊接、铆接、螺栓联接、铰接等，这些连接各有特点。在碰撞时对车门的刚度以及部件的变形吸能具有重要的影响。有限元模型中可以通过节点约束或节点合并方式来模拟各种联接方式。LS．DYl蛆有焊点单元来模拟点焊，也可以使用刚性梁单元来模拟，刚性梁两端节点可在空间平动或转动，但不能有相对平动和转动，只有节点处的正应力或剪应力达到或超过某一设定值时，连接才失效，失效后两节点可自由运动，相当于焊点开裂时的情况；如果焊接强度足够高，而焊点处金属的有效塑性应变达到或超过了极限值时，焊接也会失效，这是焊接处撕裂的情况。鉴于本课题的研究目的，此处对于车门各部件连接模拟采用LS．DYNA焊点单元来模拟焊点。考虑到在实际车辆在碰撞试验过程中，要求焊点不发生开裂，故对此处的焊点单元简单处理为不存在失效的焊点。建立焊点时，尽量使建立焊点单元的两个节点位置比较接 武汉科技大学硕士学位论文第35页近：两个焊点之间至少应留有一个自由焊点。焊点问距控制在50mm左右，在部分需要加强位置考虑加密焊点。4．1．6有限元模型的建立至此，汽车车门有限元模型建立的前期工作基本完成。由于整个车门车模型是由零部件装配而成，装配后各部件之间不可避免的存在初始穿透问题，这在碰撞模拟计算过程中是不允许的，因此要对装配后的模型进行单元和节电的调整，消除以上问题。整个车门有限元模型共包含壳单元32738个，其中四边形单元为31738个，三角形单元1000个；374个焊点单元；1个质量单元；1个加速度单元。整个有限元模型共有91796个节点，包含87389个单元。建立的车门的有限元模型如图4．3。外视图4．2车门结构的静态性能分析图43车门有限元模型内视图车门作为一个综合的转动部件，和车厢一起构成乘员的周围空间范围，应具有足够大的强度、刚度和良好的振动特性，以满足车门闭合时耐冲击性及与侧碰时的耐撞性等各项性能的要求。前面车门有限元模型的建立主要是基于碰撞模拟的分析，单元要求相比于一般静态性能分析要求较高，此处选用上述的模型进行静态分析不会降低结果的精度。结合车门的结构特点及技术要求，并参照文献49，50的研究成果，确定车门的分析工况，见表4．1。本文将计算结果与国外具有代表性的4车门轿车车门的性能参数的平均值进行比较，见表4．2。从表4．2可以看出，此车门的第一模态值和扭转刚度和平均值相差不大，属于正常范围。而车门的下沉刚度与平均值相差较大，刚度明显不足；侧门刚度参照国家标准略显不足。 第36页武汉科技大学硕士学位论文表4．1车门分析工况分析工况约束方式加载方式评价标准模态分析自由约束无与车身模态比较车门下沉刚度车门铰链处约束6个①车门自重，在门把车门下沉刚度自由度手处施]J[1735N的z方●向节点力②仅车门自重车门扭转刚度车门铰链约束除绕z①在车门内板右上角车门扭转刚度轴转动的5个自由度；施力11183N的Y向节点门锁处约束3个平动力②在车门内板右下自由度角施力11183N的Y向节点力车门静压刚度车门铰链处约束除x①在车门中部施jJn,oGBl5743_一1995平动的5个自由度；门000N的Y方向的压锁处约束Y方向平动力。②在车门中部施自由度加15560N的Y方向的压力。③在车门中部施加29440N的Y方向的压力。表4．2车门力学性能比较4．3初始条件在整个碰撞模拟求解前需要对有限元模型施加边界及约束条件，然后提交给求解器LS—DYNA进行求解，此处定义相关的参数。HYPERMESH中包含与LS．DYNA接口的面板，但HYPERMESH并不能处理LS．DⅥ峨所有的关键字(LS．DⅥqA所有指令都可以通过关键字来操作)，因此在使用HYPERMESH的Ls．DⅥ妊模板做前处理时，对于不能处理的关键字须在HYPERMESH所导出的K(关键字)文件中进行修改，然后在LS．DYNA中直接对K文件进行求解。在试算过程中，不免要重新进行初始条件的调整，这样在把K文件导回到HYPERMESH时会出现系统的警告，甚至错误，故而需再次修改l汶件。1．车门边界约束条件 武汉科技大学硕士学位论文第37页本文把车门从整车模型中独立出来，参照Euro．NcA_P侧面圆柱碰撞试验(见图4．4)规程1511、整车侧面圆柱碰撞及车门在一些碰撞试验(见图1．1)中的约束方式确定其边界条件。圆柱碰撞与国家标准中采用移动变形壁障(MDB)碰撞对结构的抗撞性有着不同的要求，圆柱碰撞被推荐为MDB碰撞的一个补充，被应用于M1类车的认证1521。本文选用刚性圆柱进行侧面碰撞的模拟。对于模拟车门与车身侧框结构的联结情况，主要有用于转动车门的两个铰链，在关门状态时有门锁的约束和车身对车门边框的约束。对于两个铰链和门锁约束了6个自由度中的5个：3个平动自由度、2个转动自由度，允许其有围绕z轴的转动自由度；车身对车门边框只约束由外向里1个自由度。在实车侧面碰撞中，车门与作为其支撑的侧框结构都要参与变形，并相互影响，但在极短的时间内以外物冲撞车门时，侧框结构的位移量是很小的1531，因此本文中不予考虑。霞，r：Ⅵ夏势蕊＼]罾．。尽。----------一-I宥兰=守-／。““＼图4．4Euro．NCAPO目面圆柱碰撞试验2．碰撞圆柱的确定根据中华人民共和国国家标准GB．20071．2006《汽车侧面碰撞的成员保护》，并参照Euro．NCAP(EUROPEANNEWCARASSESSMENTPROGRAMME)《SIDEIMPA(!rTESTINGPR01旧COL》和FMvSS214，确定碰撞圆柱以50km／h(13．9mm／ms)的速度沿．Y方向与车门相撞。该圆柱按有限元分析中的刚体单元(刚性柱面)处理，其下端高出车fl#b板最低点127ram，刚体质量为950kg，碰撞接触的平面几何尺寸为305mm(x方向)x460mm(z方向1。3．接触的定义在侧面碰撞仿真中，作用在车门零部件上并使之产生大的弹塑性变形的载荷的主要来源是接触界面处的法向碰撞力和切向摩擦力，因此建立合理的接触模型来精确计算接触界面上的相互作用力、保证汽车碰撞过程计算机模拟可靠性是非常重要的。在处理接触界面的计算问题中，存在两个基本问题需要解决：第一个问题是确定任一时刻汽车碰撞系统中全部的接触碰撞界面，它对应的是接触界面的搜寻问题；第二个问题是确定接触碰撞界面上接触碰撞力的大小和方向，它对应的是在接触约束条件下接触力的计算问题。接触的定义直接关系到计算的精度和计算时间问题。Ls—DYNA中共有三种接触类型【2l】：点面接触、单面接触和面面接触，每种接触类型中又对应有多种不同的接触方式。单面接触类型广泛应用于汽车碰撞分析中，采用这种接触类型简化了接触的定义，提高数值计算的稳定性和计算效率。 第38页武汉科技大学硕士学位论文在接触的定义中还有自动接触与非自动接触的区别。非自动接触算法简单，适用范围广，其最大的优点是运算速度快，并且可靠，使用该类型时，需要关心接触表面的方向问题。体单元以接触面的外法线为接触方向，所以总能产生接触，而对于壳单元接触则在两侧都有可能发生，若采用非自动接触，接触只在壳单元的法线方向发生。在复杂情况下不可能保证壳单元法向与接触方向一致。自动接触类型是比较新的接触方式，在汽车碰撞过程中，很难人工判断壳单元发生接触的方向，而自动接触方式是自动从壳单元的两边进行接触检测，所以适合汽车碰撞这种复杂的接触行为。在本文中，车门各部件间的接触均选用自动单面接触类型来模拟，车门外板与刚性圆柱为自动面面接触。接触界面的动静摩擦系数参照LSTC公司碰撞教程均选为0．4。4．碰撞模拟时间的确定考虑到实际的侧面碰撞中，车门内板一般在25ms[541pq便已与乘员身体接触，本文中碰撞圆柱基本靠在车f-J#b板的外表面，考虑到碰撞接触前的微小时间段(n。20“笔墨君．比 武汉科技大学硕士学位论文第41页图4．9车门整体的分时变形图图4．10车门内板的分时变形图(右视) 第42页武汉科技大学硕士学位论文图4．11为车门两侧内板上两点相对距离变化曲线。从内板相对距离的变化可以考察车门在碰撞过程中的变形情况，车门的相对距离变化量为276mm，则车门在侧面碰撞过程中发生了比较大的变形，这对乘员的安全及碰撞后的乘员逃生是不利的。图4．11内板变形描述在车门内板中部选取关键点，节点编号16486，图4．12为其Y方向的位移一时间历程曲线，节点的位移反映出碰撞后车门侵入量，在前7ms，节点位移近似为0，主要表现为车门外板的接触变形，随后递增，并在碰撞结束时，达到最大位移值238mm。＼～＼～。＼＼●Omin=-238．∞max=q)j052c旧351015力O1"1me(msl图4．12节点16486的位移—时间曲线NodeIds．L16486∞o舶∞舫．4一。捌‘I七E嚣c。￡。o!△n—p-卜 武汉科技大学硕士学位论文第43页4．4．2碰撞模拟的加速度分析加速度分析是评价汽车结构被动安全性能好坏的重要指标之一，因为过大的加速度将造成乘客身体与车体的二次碰撞，从而引起伤亡事故。车门碰撞过程是个高度非线性的过程，车门上各点的加速度在同一时刻也存在着很大的差异，此处取刚性圆柱和车门质心加速度为主要特征来进行分析。圆柱体为刚体，其各个节点加速度值相同。在车门的质心设立加速度传感器来获得车门质心的加速度。图4．13为圆柱的碰撞减速度波形，在车门外板与防撞杆接触时，由于防撞杆的阻碍作用，使得圆柱减速度达到第一个峰值。7ms后由于内板和窗框加强板的接触变形，使得减速度值开始变大。由于塑性变形的增加使得车门整体刚度提高，加速度值变化较小并在16ms时达到最大值0．042ram／ms2。其与碰撞接触力曲线(图4．9)是一致的。车门质心加速度如图4．14，在碰撞开始时，由于车门处于静止状态，在起始的很短的一段时间内，加速度值为零。随着车门外板与主要吸能构件防撞杆的接触，车门质心加速度开始在增大，在4ms达到一个峰值。随着车门内外板和防撞杆及窗框加强板接触，车门质心加速度变小。质心加速度传感器通过刚体与车门内板相连，由于内板结构因素，使其在碰撞过程的变形比较复杂，从而导致车门质心加速度在表现为先增加，后减小并在9ms出现了加速度的负方向的极值，就人体在车辆侧面碰撞的安全性方面不存在不利因素。由于车门主要吸能构件的塑性变形的增大，车门刚度提高，质心加速度在16ms左右出现正的峰值为7．28mm／ms2，峰值出现后，车门的变形表现为薄弱部分的撕裂，从而使车门的整体刚度减小，质心加速度值有减小的趋势。这和圆柱的减速度曲线是一致的，此时质心随车门整体向内侧运动，其值是影响侧面碰撞安全性的主要因素。模型中包括了车门侧面碰撞中的主要的吸能部件，因而其碰撞性能在一定程度上反映了整车侧面的碰撞趋势，但同时因为模型中缺少车身的其他部件、动力总成、车轮、悬架、转向系统总成等主要阻碍变形因素的存在，致使车门最后总的变形量过大，加速度值偏大。九以≮卅1f1^＼厂＼V＼九／＼^／《一V＼／UV510152025nme(ms}图4．13圆柱的碰撞减速度曲线M矾¨_A_lny-21o们位∞¨4山n一。暑k暑警-E}uo霉曼。1．ou《x可omp|西|J_> 第44页武汉科技大学硕士学位论文O54．5应变率对碰撞性能的影响10152011m·lmI)图4．14车门质心加速度曲线碰撞问题的数值计算涉及动载作用下材料的弹塑性本构关系【551。与静载作用相比，弹塑性材料在动载作用下的本构关系具有一系列不同的力学特性。其中之一是在快速加载条件下，许多金属材料的屈服极限有明显的提高，而屈服的出现有滞后现象1561，此称作材料的应变率效应。CLARK-DwEz和MAN-JONⅢ的试验表明，当应变率C=200seCl时，低碳钢的屈服极限大约由静态情况下的2．7×108Pa提高到5．76x108Pa。即动态本构关系和静态本构关系的主要差别在于，前者要计入应变率效应，而静态本构关系则不考虑应变率效应的影响【5。”。在碰撞分析时，应考虑材料的应变率效应对仿真结果产生的影响，而材料模型参数的设置偏差也会影响仿真结果。现设定如下几种参数设置方案：(1)不考虑应变率效应的影响。(2)考虑应变率效应，参数c=40s一，P-5。(3)考虑应变率效应，参数C--40S"1，P=6。(4)考虑应变率效应，参数c-5时1，P=5。在其他参数的设置相同的条件下，对比其对仿真结果的影响。图4．15所示为材料应变率参数的几种设置对于车门吸能性影响的结果。从图中可以看出，材料应变率效应的考虑与否对于车门整体的吸能性能影响很大，如果忽略会造成很大的误差。材料应变率参数的设置误差对于车门材料吸能性也有影响，在应变率参数C同为40s4的情况下，P=5和P=6弓I起的车门吸能变化很小；在P值相同的情况下，-C=40s4时的车门吸收的能量明显高于C=50s-1时。．竹5o毒加舶莉筘(|暑‰{￡)uo蔫J。|．pp，卜 武汉科技大学硕士学位论文第45页Component，A毒奢虑应么B鬯÷9号《“／一卷影∥力2／／夕芗夕∥一弦—一●0S10162026Time(ms)图4．15应变率对车门吸能的影响图4．16为材料应变率参数的几种设置对于车门碰撞力影响的仿真结果。从图中可以看出材料应变率效应的考虑与否对于车门碰撞力的第一个峰值的大小影响不大，但对平均碰撞力的大小影响较大。材料应变率参数的设置误差对于碰撞力的第一个峰值基本无影响，但对于碰撞力的均值有所影响。P值相同的情况下，C=40时碰撞力稍微高于C=50时。C值相同的情况下，P值的变化对碰撞接触力基本没有影响。厅睾蹬廖应变糊目吣定袋：柏P6；∞P5／h．／，^剜飞、—泌尘／￡酽弧∥啦jt娇∥＼二，一O510152025Time(ms)图4．16应变率对车门碰撞力的影响图4．17所示为材料应变率参数的几种设置对于车门质心加速度(CFCl80)随时间变化的影响。从图中可以看出材料应变率效应的考虑与否对质心加速第一个峰值及加速度的均值有着明显的影。材料应变率参数的设置误差对于加速度的第一个峰值及加速度均值均有65432，O(￡+|l—rJ牲昏C排∞竹o2若R精帮厘堀 第46页武汉科技大学硕士学位论文一定的影响。C--40s～，P：6时的加速度的峰值于其他几种参数的设置。众威窳少垴擎≥＼矽￥p≮弋Dc5嘲￡／飞_’＼N7I弋O51015Tim(ms)图4．17应变翠对车门质心加速度的影响材料应变率效应考虑与否对于车门部件的吸能性能、碰撞接触力均值及车门质心加速度峰值影响很大；材料应变率参数的设置误差对于零件的吸能性有较大影响，对碰撞力第一个峰值的大小基本无影响，但对于碰撞力均值影响较大，再者对加速度的峰值和均值都有影响。考虑应变率的影响类似于提高了材料的屈服极限，这也是高强度钢与普通钢的明显差别，为此就材料方面，选用高强度钢会提高车门的侧面抗撞性能。4．6本章小结建立了车门的碰撞有限元模型，并对车门进行了静态性能分析。确定了车门侧面碰撞的边界条件，按照国家标准对车门进行了侧面碰撞模拟计算，对碰撞模拟结果进行了分析。最后分析了应变率对碰撞结果的影响。【搴皇．s差E山)螂捌最疽螂曾≮ 武汉科技大学硕士学位论文第47页5．1方案确定第五章不同碰撞位置碰撞模拟比较前文圆柱碰撞的位置是参照相关标准而定，考虑到实际碰撞过程中的一般性，分别对如图5．1所以三个位置：left(左侧)，middle(中部)，right(右侧)进行碰撞模拟的比较。圆柱从此前位置在x方向上左右偏置350ram，确定另外2个碰撞位置，其他条件不变。5．2仿真结果的比较图5．1三个不同的碰撞位置1)车门吸能比较三个不同方案的车门整体的吸能曲线见图5．2。圆柱分别在车门左、中、右三个位置碰撞时，在碰撞终了时刻车门最终吸能数值分别为6360J、5503J、7399J。反映出对对车门右侧进行碰撞时，车门吸收的能量较多，而在中部进行碰撞时，车门吸收能量最小。就车门吸能而言，吸收能量越多，对内部成员的安全影响就相对较小。则当圆柱碰撞车门右侧时，车门表现出更好的吸能特性，有利于保护成员。可见车门碰撞过程中吸收的能量与碰撞点的位置和变形区域的特性有关。2)车门变形比较三个方案的参数设置相同。三个位置碰撞的最终变形图见图5．3。门锁、铰链及车门边框约束处均有撕裂现象。 第48页武汉科技大学硕士学位论文∞O鄹．100-150舢．2∞声—一。粤澄学Ale矗一Z乡-∥，，J1，middle．p—，一，小Ⅻght∥／．y7’／B￡觯蒯彭／p／●05左侧最终变形10t52n25TimeIm对图5．2车门整体吸能曲线比较中部最终变形右侧最终变形图5．3三个位置的最终变形图节赢16486锚AIeftBmiddle。、。—’、～S≤＼一’、上JiOht?+ih一●’气＼≮卜、、、、、b+＼迤迤i、B+、、、～^＼埋。O510152011me(ms)图5．4节点]6486位移时序图864Z0一n+山一一3^∞L∞c山一∞c-∞_c一—￡E暮。E。Q旦4悖一p-卜 武汉科技大学硕士学位论文第49页内板关键点16486的位移曲线比较。图5．4为在三个位置碰撞时节点16486的位移曲线。内板关键点16486表征着车门的侵入量，通过图示明显的看出在中部碰撞时车门侵入量最大，为239mm，而左右两侧碰撞时车门侵入量相对较小并比较接近，分别为132mm和127mm。这与碰撞不同位置时，车门吸能性能是一致的，在中部时，车门吸能相对于两边较少，故表现为侵入量较大。侵入量的峰值都出现在碰撞结束时，这与整个车门在碰撞过程中的运动趋势是一致的。可见中部碰撞时，较大的侵入量对乘员安全影响较大，易造成伤害。3)碰撞接触力比较图5．5为在三个位置碰撞时的碰撞接触力的比较曲线。左侧碰撞时，碰撞力在11ms左右出现最大峰值，为841KN。此时车门防撞杆连接板和门锁约束处出现撕裂现象，碰撞力开始减小；中部时碰撞时，碰撞力曲线随时间波动相对较小，峰值最小，大小为47KN；右侧碰撞时，碰撞力峰值最大，出现在8ms左右，大小为1740KN。此时车门铰链处出现撕裂险象，碰撞力减小。碰撞力峰值偏大并连续出现峰值，所明在碰撞过程中，部件不能将碰撞力传递走，故对乘员的伤害相对较大。因此在中部碰撞时，碰撞力变化相对均匀，对乘员伤害较小。啦力JLJeftBmI‘O510152025TIme(m搴l图5．5碰撞接触力时序图3)质心加速度比较图5．6为在三个位置碰撞时的车门质心加速度的比较曲线。从图中可以看出，加速度曲线变化比较复杂，左侧碰撞时，质心加速度在9ms左右出现正的峰值，大小为4．33mm／ms2。中部碰撞时，在9ms有一负方向突变，峰值大小为24．4mm／ms2，在16ms左右出现j下的峰值为7．28mm／ms2。右侧碰撞时，质心加速度在9ms左右出现J下的峰值，大小为8．84mm／ms2。在碰撞结束时，即车门开始与乘员接触时，加速度数值十分接近，趋于相等。质心加速度的峰值对于乘员在碰撞过程中的振动影响较大，三个位置的碰撞相比，中部碰撞时，加速侣，¨o—n．山一一zYi20k芒暑In竹。芷 第50页武汉科技大学硕士学位论文度均值较大，对乘员影响较大，而在左、右两侧碰撞时影响相对较小。105O_5．10．15盘O猫】I|、￡质心加速目l砖枞。鼢瓤慨龄触￡觥—翰锻列|I、j热心瞰r～∥弋F铲}j⋯。tiVW。‘4{’V”￥．iO55．3本章小结101520Time(ms)图5．6车门质心加速度时序图针对碰撞的一般性，分别对车门的三个不同碰撞位置进行了计算，并对结果进行了比较，通过对车门吸收的能量、车门变形、碰撞接触力及车门质心加速度曲线的比较，综合以上因素考虑，在车门两侧碰撞时，车门表现出更好的抗撞特性。即对车门中部碰撞时，会对成员造成较大的伤害。(s￡kElI七￡Juo一等每I．Qp彳卜 武汉科技大学硕士学位论文第51页6．1全文总结第六章全文总结与展望本文采用流行的CAE前处理软件HYPERWORKS和显式非线性有限元软件LS．DYNA建立了轿车车门的有限元模型，并参照相应法规对其进行了侧面碰撞的计算机模拟，对碰撞模拟的结果进行了分析。重点讨论了应变率对仿真结果的影响。最后对三个不同位置的碰撞进行了方案比较。主要的研究工作及相关结论包括：1．通过材料的力学性能试验获得了进行有限元分析的材料模型。2．采用常规的有限元建模方法，以拉伸实验标准试件为基本模型，探讨了非线性有限元分析中单元尺寸、单元算法及材料的相关参数等对分析计算时间和计算结果的影响，通过类比得到一种碰撞有限元模型的建立方法，获得了使用LS．DYNA进行碰撞模拟分析的关键技术参数。3．以有限元分析软件HYPERWORKS作为前处理器，研究了几何模型的导入及模型的简化问题，在此基础上建立了车门的有限元模型。4．通过对此车门分别进行了模态、下沉刚度、扭转刚度和挤压刚度的分析，知其下沉刚度存在明显的不足，其他方面基本满足设计要求。5．研究了HYPERWORKS与LS．DYNA的接口问题；参照相关法规确定了分析计算的边界条件并对建立的车门有限元模型进行了侧面碰撞的计算机模拟。碰撞变形基本符合实际情况。6．分别详细分析了车门部件的吸能、车门的变形、碰撞力、圆柱碰撞减速度、车门质心加速度等有关抗撞性能因素在碰撞过程中的变化情况。7．通过对应变率对碰撞仿真结果的分析，得出结论—碰撞分析需要考虑材料的应变率效应，并正确的选择应变率参数。8．最后分别对轿车车门的三个不同位置进行碰撞模拟，对三种方案下的车门内能、变形、碰撞力和质心加速度结果进行了分析比较，得出对车门两侧进行碰撞时，对成员的伤害较小。9．提高车门侧面抗撞性能的措施：对主要吸能部件采用延展性较好的高强度钢；保证车门与A、B柱、顶盖、门槛的良好接合和车门铰链和门锁的可靠性。6．2展望受作者自身能力和时间的限制，在论文的研究过程中存在以下几方面需待改进：1．对于汽车碰撞这种高度非线性的有限元分析问题，模型的好坏直接影响到模拟计算时间和计算精度。本文虽然参照一些经验规范，但在建模过程中对模型的简化处理尚无确定的标准进行参考，因此需要在实践中加深对碰撞中零部件的变形理解，建立合理有效 第52页武汉科技大学硕士学位论文的有限元模型以提高模拟的精度。2．需要一定实验支持，采用实际实验可以对整个车门有限元模型进行有效的验证。如果能对车门进行实际碰撞，则可将模拟结果与实验实测结果进行对比，提高模拟计算的精度。3．本文忽略了车门的内饰及一些粘性材料对碰撞性能的影响，而在实际中，其对于吸能有着一定的影响。再者在模拟焊点时，定义为不开裂焊点，而在实车碰撞试验中，由于焊接强度和焊接工艺的影响以及碰撞中巨大的冲击力，必然存在焊点开裂问题，并且焊点的开裂强度和开裂时间对于碰撞过程中的变形吸能具有重要影响【”J。因而应在广泛试验的基础上，应对焊点设为可变形焊点，并存在焊点的失效。4．在车门碰撞模拟计算中，接触问题的处理占去大量的计算时间并对计算结果的精度有影响。因而选用合理的接触算法，确定有效的接触界面将大大降低模拟计算所消耗的时间并提高模拟计算的精度。5．在对车门的碰撞性研究的基础上，将模型扩展到整车模型并添加假人模型，利用对车门进行模拟分析的经验对整车的侧面碰撞进行分析。这样就可以通过确定的法规对碰撞模拟的结果进行科学的评价。通过对本文工作的总结，对汽车侧面碰撞的相关理论、标准和一些分析软件有一定程度的了解，取得了一定的成果，但其中还有许多不足之处，有待于在以后的工作和学习中继续充实和完善，不断积累汽车侧面碰撞安全性研究的经验。 武汉科技大学硕士学位论文第53页参考文献【1】贾宏波，黄金陵等．车身碰撞仿真技术在红旗轿车车身开发中的应用【J】．汽车工程，1998，20(5)：257—301．【2】于旭光．汽车碰撞安全性模拟计算的研究【D】．清华大学博士学位论文．1992．【3】(美)M．M．凯墨尔，JA．沃尔夫编，陈励志译．现代汽车结构分析【M】．北京：人民交通出版社，1985．f4】廖琪梅，李卓森．汽车被动安全技术的现状【J】．世界汽车，1997(5)：19-21．【5]FarmerCM，BraverER，MitterELTwo-vehiclesideimpactcrashes：Therelationshipofvehicleandcrashcharacteristictoinjuryseverity．AccidentAnalysis&Prevention，1997，29(3)：399．406．【6】余志生．汽车理论fhq．北京：机械工业出版社，1996．阴GandhiU⋯NFlus．J．Databasedmodelsforautomobilesideimpactanalysisanddesignevaluation．InemationalJouralofImpactEngineering，1996，18(5)：517—537．【8】贾宏波，黄金陵，谷安涛等．汽车车身结构碰撞性能的计算机模拟、评价与改进．吉林工业大学学报，1998，28(2)：6．11．【9】鲍晓峰．汽车试验与检测【M】．北京：机械工业出版社，1995．【IO]ECERegulationN0195：UniformProvisionsConcerningtheApprovalofVehiclesWithRegardtotheProtectionoftheOccupantsintheEventofalateralCollision．1995．【11】钟志华，张维刚，曹立波等．汽车碰撞安全技术IM】．北京：机械工业出版社，2005．【12】编辑委员会．汽车工程手册实验篇【M】．北京：人民交通出版社，2001．【13]李发宗．汽车侧面碰撞虚拟试验技术的研究【D】．武汉理工大学硕士学位论文，2005．【14]ETA／VPGUSER’SPROCESSORMANUAL．AnLS—DYNABasedFullVehicleSimulationSolutionPackagelVersion：210．RealeaseDate：August19，1998．【15]朱西产，刘玉光，郑宏．汽车车身机构碰撞的试验研究【J】．汽车技术，1999(4)：20-26．【16】蒋维城，丁刚毅．ANSYS／LS-DYNA程序算法基础和使用方法【M】．北京：北京理工大学．1996．17．80．【17]StrotherCE，KentRw；WarnerCY．Estimatingvehicledeformationenergyforvehiclestruckintheside．SAEpaper980215．【18]RuanJS,KhalilT’KingAI．Humanheaddynamicresponsetosideimpactbyfiniteelementmodeling．JournalofBiomechanicalEngineering,1999，113(3)：276-283．【19]FrontalImpactProtection—Driver／SteeringAssemblyImpact，Phasel-ProblemDetermi-nation．USA：NationalHighwayTrafficSafetyAdministrationDocument，DecembeLl983．【20]NaabKennethN，StuckiSheldonL．DevelopmentandTestingofSteeringAssemblyCountermeasuresforDriverImpacts．SAEPaper900546．【21]HorschJohnD，VianoDavidC，DecouJames．HistoryofSafetyResearchandDevelopment 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