大客車側(cè)翻仿真計(jì)算方法對比研究

司俊德 孫明英

摘 要：依據(jù)GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》中規(guī)定，以某12米全承載客車為研究對象，詳細(xì)分析了直接空翻法、剛?cè)徂D(zhuǎn)換法、計(jì)算觸地時(shí)刻邊界條件法和計(jì)算觸地時(shí)刻角速度法四種側(cè)翻分析方法中的能量、侵入量和時(shí)間差異。結(jié)果表明，直接空翻法、剛?cè)徂D(zhuǎn)換法侵入量精度較高，但耗費(fèi)時(shí)間較長；計(jì)算觸地時(shí)刻邊界條件法和計(jì)算觸地時(shí)刻角速度法的侵入量誤差在4%以內(nèi)，同時(shí)可以節(jié)省大量時(shí)間，通過對誤差修正后，可作為優(yōu)先選用的側(cè)翻計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：側(cè)翻仿真；剛?cè)徂D(zhuǎn)換；角速度；邊界條件

中圖分類號：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-82-03

Abstract： Accordance with the GB17578-2013 Regulation（Requirements and test methods of strength for the superstructure of bus） and a 12 meters bus FE model， The paper detailly introduces four kinds of bus rollover simulation methods by LS-DYNA. By comparing the deformation results and computing time of four kinds of simulation method， The Conclusion has a important significance to improving the rollover simulation efficiency In a 12 meters bus as the research object， a detailed analysis of the direct method of rigid flexible converting method， somersault， calculating contact moment boundary condition method and calculation method of contact moment angular velocity four rollover analysis method in energy， intrusion and time difference. The results show that the direct method of rigid flexible converting， somersault， amount of invasive method has higher precision， but takes a long time； calculating the contact moment boundary condition method and calculation method of contact moment angular velocity the invasion amount within an error of 4%， at the same time， can save a lot of time， based on the error correction， can be used as the preferred method of calculating the rollover.

Keywords： rollover simulation； deformable to rigid； angular velocity； boundary

CLC NO.： U461 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-82-03

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽車有限元模型的精細(xì)度快速提高。目前，大客車側(cè)翻仿真計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量在40萬以上，仿真過程耗時(shí)較多?？蛙噦?cè)翻過程中可分為空翻和觸地變形兩個(gè)階段，空翻過程中除輪胎發(fā)生彈性變形，其余部件可認(rèn)為是一個(gè)剛體[1]，且輪胎彈性變形導(dǎo)致整車質(zhì)心位置變化可忽略，因此仿真計(jì)算中可不考慮輪胎的彈性變形。根據(jù)空翻階段計(jì)算思路的不同，可將側(cè)翻仿真計(jì)算方法歸為四種，第一種方法是直接空翻法[2]，第二種方法是剛?cè)徂D(zhuǎn)換法[3]，第三種方法是計(jì)算觸地時(shí)刻邊界條件法[4，5]，第四種方法是根據(jù)碰撞能量計(jì)算角速度法。

本文結(jié)合某12米全承載客車，首先使用HyperMesh建立整車有限元模型；其次利用動(dòng)力學(xué)分析軟件Ls-Dyna為求解器，闡述了四種側(cè)翻仿真計(jì)算方法思路；最后對比分析四種仿真計(jì)算方法的能量曲線、立柱侵入量和計(jì)算時(shí)間等計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，能量曲線和立柱侵入量的差別較小，計(jì)算時(shí)間差別較大，方法一的計(jì)算時(shí)間最長，其次是方法二，方法三和方法四的計(jì)算時(shí)間最短，因此方法三和方法四的側(cè)翻仿真的計(jì)算效率最高，可作為優(yōu)先選用的側(cè)翻計(jì)算方法。

1 大客車有限元模型的建立

該12米全承載客車的有限元模型如圖1所示，包括骨架、車架、蒙皮、玻璃、前后橋、輪胎等結(jié)構(gòu)。部件之間的連接通過共節(jié)點(diǎn)、剛性單元、鉸鏈單元等方法模擬，例如車身骨架的焊接主要通過共節(jié)點(diǎn)的方式來模擬，蒙皮、玻璃與骨架通過剛性單元連接。前后橋和輪胎采用MAT20材料，其余部件多采用MAT24材料，玻璃應(yīng)增加失效參數(shù)，未建模部件的質(zhì)量由集中質(zhì)量代替，保證整車有限元模型的重量、質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)車一致。模型主要由殼單元組成，骨架網(wǎng)格尺寸為20mm，側(cè)圍立柱接頭處網(wǎng)格尺寸為15mm，模型中單元數(shù)量總計(jì)45萬。

2 四種側(cè)翻仿真計(jì)算方法機(jī)理

2.1 直接空翻法（方法一）

直接空翻是仿真模型在空翻階段仍是一個(gè)柔體模型，計(jì)算時(shí)間較長。首先創(chuàng)建翻轉(zhuǎn)平臺(tái)，為了計(jì)算上的效率與穩(wěn)定，將翻轉(zhuǎn)平臺(tái)預(yù)先自水平旋轉(zhuǎn)并接近最大翻轉(zhuǎn)角度2°左右，對翻轉(zhuǎn)平臺(tái)施加不超過5°/s的旋轉(zhuǎn)速度，如果施加的旋轉(zhuǎn)速度過大，將會(huì)使車輛增加額外的側(cè)翻動(dòng)能。其次是創(chuàng)建距旋轉(zhuǎn)軸800mm以下的剛性地面和評價(jià)生存空間的實(shí)體模型，并定義車輛的自身接觸、車輛與剛性地面的接觸及輪胎與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的接觸。最后是定義控制計(jì)算的卡片和計(jì)算結(jié)果的輸出。在計(jì)算時(shí)間上的設(shè)置，應(yīng)保證整車與剛性地面發(fā)生碰撞后并出現(xiàn)反彈。

2.2 剛?cè)徂D(zhuǎn)換法（方法二）

剛?cè)徂D(zhuǎn)換是采用空翻階段整車可視為一個(gè)剛體在運(yùn)動(dòng)的思路，以減少計(jì)算時(shí)間。該方法在方法一的仿真模型中增加兩個(gè)*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算初始時(shí)刻利用輪胎與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的接觸力使模型中的柔體轉(zhuǎn)化為剛體，實(shí)現(xiàn)整車模型變成一個(gè)剛體，縮短了空翻階段的計(jì)算時(shí)間；當(dāng)車體與地面發(fā)生接觸時(shí)，利用此時(shí)車體與剛性地面的接觸力使模型中被轉(zhuǎn)化剛體的柔體重新變?yōu)槿狍w，車身結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變形。

空翻階段：柔體轉(zhuǎn)化為剛體，建立第一個(gè)*DEFORMA BLE_TO_RIGID_AUTOMATIC關(guān)鍵字，選擇模型中的一個(gè)剛體*PART為主剛體，選擇模型中由其余*PART（包括柔體*PART和剛體*PART）組成的一個(gè)從剛體*SET_PART集合，從剛體中不建議包含有0D和1D單元，由于模型中全是剛體，必須在此關(guān)鍵字下設(shè)置剛體的計(jì)算時(shí)間步長。

觸地變形階段：剛體轉(zhuǎn)化為柔體，建立第二個(gè)*DEFOR MABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC關(guān)鍵字，選擇模型中由全部柔體*PART組成的* SET _PART集合。由于剛?cè)徂D(zhuǎn)化不支持所有的關(guān)鍵字，可通過錯(cuò)誤提示、能量曲線及單元運(yùn)動(dòng)軌跡，確認(rèn)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 計(jì)算觸地時(shí)刻邊界條件法（方法三）

該方法是將空翻階段和觸地變形階段兩個(gè)階段分開計(jì)算，空翻階段的計(jì)算結(jié)果是觸地變形階段的輸入。第一個(gè)階段，與方法1中的建模方法相同，區(qū)別是用少量單元的剛體模型計(jì)算整車觸地時(shí)刻的三個(gè)平動(dòng)（X、Y、Z）、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（RX、RY、RZ）的位移和速度。第二個(gè)階段：根據(jù)空翻階段計(jì)算出的六個(gè)方向的位移，將整車側(cè)翻模型擺放至觸地時(shí)刻狀態(tài)，再給模型施加六個(gè)方向的速度，作為第二次仿真計(jì)算的加載條件。該方法能有效避免剛?cè)徂D(zhuǎn)換中由于部分關(guān)鍵字的不支持而導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤的問題，且計(jì)算時(shí)間大幅度減少，缺點(diǎn)是整個(gè)側(cè)翻計(jì)算過程中需要建立兩次分析模型。

2.4 計(jì)算觸地時(shí)刻角速度法（方法四）

空翻過程中，可以將車輛的運(yùn)動(dòng)簡化為繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，首先根據(jù)能量守恒計(jì)算其觸地時(shí)刻的角速度，然后將車輛旋轉(zhuǎn)至觸地時(shí)刻狀態(tài)，對整車施加繞旋轉(zhuǎn)軸的角速度，直接開始計(jì)算?？辗^程中其質(zhì)心位置的變化如圖2所示，根據(jù)能量守恒，觸地時(shí)刻整車?yán)@旋轉(zhuǎn)軸的角速度可有公式1求得：

式中：ω為車輛觸地時(shí)刻角速度；m為車輛半載質(zhì)量；g為重力加速度；△h為翻轉(zhuǎn)過程中車輛質(zhì)心的垂直位移量；J為整車?yán)@旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 計(jì)算結(jié)果對比

3.1 能量曲線的對比

圖3-圖6為四種仿真計(jì)算方法得到的能量曲線。最大動(dòng)能時(shí)刻為觸地時(shí)刻。方法一、方法二、方法三、方法四的最大動(dòng)能分別是135.8kJ、137.0kJ、133.5kJ、132.7kJ。最大內(nèi)能時(shí)刻為最大變形時(shí)刻，方法一、方法二、方法三、方法四的最大內(nèi)能分別是128.5kJ、129.7kJ、125.9kJ、135.3kJ。與方法一中的能量相比，方法四的誤差最大，方法三次之，方法二的誤差最小。

3.2 立柱侵入量的對比

在生存空間上建立局部坐標(biāo)系，選擇側(cè)圍立柱上且與生存空間最上端對其的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出該節(jié)點(diǎn)在該局部坐標(biāo)系中的位移，即立柱對乘員艙的侵入量。四種仿真計(jì)算方法得到的變形如圖7-圖9所示。

方法二與方法一的變形結(jié)果基本100%吻合，方法二與方法一在觸地時(shí)刻，車輛狀態(tài)是一致，不采用任何簡化思路，所以變形量基本相同，且較準(zhǔn)確；方法三中忽略了三個(gè)較小速度分量VX、RVY、RVZ，最大內(nèi)能相對最小，所以總體

變形呈略小的趨勢；方法四將空翻階段簡化為繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最大內(nèi)能相對較大，所以總體變形呈略大的趨勢。四種計(jì)算方法的變形結(jié)果在中間立柱處，誤差最小，這主要是由于前軸輪距與后軸輪距的不同，使車輛在空翻過程中產(chǎn)生一個(gè)繞車身Z軸的微小旋轉(zhuǎn)分量，方法三中忽略了該微小分量，而方法四種沒考慮該微小分量，造成方法三和方法四在前后立柱處產(chǎn)生一個(gè)較大的誤差。與方法一中的側(cè)圍立柱變形量相比，最大誤差是4%，位于方法三中的前立柱處；其次是2.7%，位于方法四中后立柱處；其余誤差都小于1.7%。

3.3 計(jì)算時(shí)間的對比

由表1知，方法一在計(jì)算時(shí)間上最長，通過使用剛?cè)徂D(zhuǎn)換的方法后，計(jì)算時(shí)間縮短了一半之多。方法三和方法四在計(jì)算時(shí)間上大幅度縮短，如果對變形誤差進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，方法三和方法四可以作為首選的側(cè)翻仿真計(jì)算方法。

4 結(jié)論

直接空翻法和剛?cè)徂D(zhuǎn)換法不采用任何簡化思路，所以變形量基本相同，分析結(jié)果較準(zhǔn)確，考慮到計(jì)算時(shí)間，雖然剛?cè)徂D(zhuǎn)換法在計(jì)算時(shí)間上相對直接空翻法縮短近一半之多，但相比另外兩種方法，計(jì)算時(shí)間同樣顯得較長，計(jì)算效率不高。與直接空翻法和剛?cè)徂D(zhuǎn)換法相比，計(jì)算觸地時(shí)刻邊界條件法和計(jì)算觸地時(shí)刻角速度法的侵入量誤差在4%以內(nèi)，計(jì)算時(shí)間卻大幅度縮短，通過對誤差修正后，可作為優(yōu)先選用的側(cè)翻計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)

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