淺析汽車碰撞模型共用網(wǎng)格標準的工程應用

摘 ?要：隨著高性能并行計算和計算機水平的不斷發(fā)展，汽車碰撞模型的網(wǎng)格數(shù)量在快速增加，為了避免重復劃分網(wǎng)格，本文研究了在不同工況，不同仿真分析中，如何使用一套共有發(fā)動機網(wǎng)格模型的工程應用方法。提高模型網(wǎng)格的準確度，降低汽車工程研發(fā)成本，加快仿真分析的時效性。

關鍵詞：發(fā)動機;工程應用;網(wǎng)格標準;仿真分析

中圖分類號：U461.91 ??文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）03-0000-00

0引言

發(fā)動機重量在整車碰撞模型中的占比一般在10%，同時發(fā)動機在碰撞過程中變形較小，故大部分的整車碰撞工況會把發(fā)動機處理成剛體零部件或子系統(tǒng)。剛體網(wǎng)格在碰撞過程中對網(wǎng)格質量要求不高，劃分網(wǎng)格的難度不高，網(wǎng)格建模時間較少，最后的計算時間也較合理，是一種常用的，經濟的發(fā)動機網(wǎng)格處理方法。隨著高性能并行計算能力的提升、計算機硬件價格的持續(xù)降低，大部分公司具有了處理巨大網(wǎng)格模型的能力，但是隨著對模型網(wǎng)格精度提出更高標準，導致模型網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，因此可變形發(fā)動機網(wǎng)格模型應運而生。

1發(fā)動機組成

發(fā)動機主要由以下系統(tǒng)組成，兩大機構：配氣機構、曲柄連桿機構;五大系統(tǒng)：冷卻、潤滑、燃油、啟動、點火五大系統(tǒng)組成。更進一步的細分可以劃分為：缸蓋、缸體，油底殼;曲軸、活塞、連桿;限壓閥機油泵鏈條、機油泵、機油濾清器;凸輪軸、液壓挺柱、進氣門、正時齒輪帶、曲軸正時齒輪帶輪;噴油器;水泵齒形帶、水泵;還有一些發(fā)動機附件及連接螺栓等。

2 汽車工程中發(fā)動機網(wǎng)格標準的總體平均尺寸要求

發(fā)動機零部件多，既有金屬材料，也有塑料件，特別是還有很多的管路系統(tǒng)，一般采用殼單元建模，變形體的殼單元必須滿足網(wǎng)格標準要求。但發(fā)動機無法采用統(tǒng)一的網(wǎng)格尺寸，總體來講，網(wǎng)格的平均尺寸主要采用4mm、6mm、8mm、10mm四種基本規(guī)格。4mm的平均尺寸網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸不小于3mm，最大網(wǎng)格尺寸不大于5mm;6mm的平均尺寸網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸不小于4mm，最大網(wǎng)格尺寸不大于8mm;8mm的平均尺寸網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸不小于6mm，最大網(wǎng)格尺寸不大于10mm;10mm的平均尺寸網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸不小于8mm，最大網(wǎng)格尺寸不大于13mm。

3工程實際中網(wǎng)格質量評估標準

（1）單元長寬比。殼單元最理想的殼單元長寬比為1：1，建議最大值不超過4：1。超過了網(wǎng)格計算不穩(wěn)定，會有一些問題。如若控制不了長寬比，可以嘗試用更小的網(wǎng)格平均尺寸來劃分該零件。

（2）法蘭邊，零部件邊緣一般最少保證有兩排網(wǎng)格，主要是方便零部件之間連接方便。法蘭邊緣主要是螺栓連接，卡口連接或者焊接，一排網(wǎng)格無法準確表達這些連接方式。

（3）整個發(fā)動機系統(tǒng)最小單元網(wǎng)格尺寸：金屬件的網(wǎng)格最小尺寸為3mm，塑料件的網(wǎng)格最小尺寸為2mm。

（4）整個發(fā)動機系統(tǒng)最大單元網(wǎng)格尺寸：網(wǎng)格最大尺寸為15mm，一般不大于目標平均尺寸的百分之一百五十。

（5）系統(tǒng)時間步長;一般控制在0.3～0.9E-6秒，根據(jù)計算分析的結果和計算能力可以適當調整，一般用系統(tǒng)默認值。

（6）四邊形單元網(wǎng)格內角Interior angle quad：網(wǎng)格內角最大值為135°，網(wǎng)格內角最小值為：45°。

（7）三邊形單元網(wǎng)格內角Interior angle trial： 網(wǎng)格內角最大值為115°，網(wǎng)格內角最小值為：35°。

（8）翹曲度warpage：小于15°，平且最少要有96%小于12°。翹曲度是指單元網(wǎng)格偏離平面的量，主要用來描述網(wǎng)格平面在空間的彎曲大小。

（9）單元長寬比 aspect ratio：小于4。單元長寬比是指單元邊長的最大值和單元邊長的最小值的比值。

（10）三角形的比例：最好是在每個零部件的范圍內三角形的數(shù)量總數(shù)小于15%，這樣可以減小由三角形帶來的模型剛度增加。

（11）雅可比 Jacobian：大于0.7。有限元網(wǎng)格中的雅可比值是指積分點處雅可比矩陣值最小雅可比矩陣值與最大雅可比矩陣值的比值，主要用來檢查單元網(wǎng)格的形狀，度量其背離理想狀態(tài)的程度。

（12）重復單元：模型網(wǎng)格中不允許有重復單元存在。

（13）網(wǎng)格交叉：模型網(wǎng)格中不允許有交叉單元存在。

4 仿真可以反應工程實際的發(fā)動機各零部件采用的網(wǎng)格尺寸標準

發(fā)動機零部件需要畫網(wǎng)格的部分，主要由以下幾點決定：（1）需要考慮失效或者變形的零部件必須畫出，并把周邊零件也畫出來;（2）整個發(fā)動機系統(tǒng)裝配好之后，目測可以直接看到的零部件最少需要建模，不可或缺。

1）曲柄連桿機構。主要由曲軸飛輪、活塞連桿和機體組成。

汽缸蓋、汽缸體、油底殼等只需要畫外表面，用殼單元，單元平均尺寸使用10，且所有單元要滿足網(wǎng)格質量要求。

2）配氣機構。主要包括進氣和排氣兩種功能，以便達到置換空氣的目的。配氣機構中的進氣門、排氣門、推桿、搖臂、凸輪軸、挺柱、正時齒輪、曲軸、活塞、連桿等在缸體缸蓋內部的結構不需要mesh，但是飛輪是需要畫出的，因為它會影響整車的碰撞空間。

3）燃油供給系統(tǒng)。高速工況下需要評估燃油系統(tǒng)的完整性，所以燃油系統(tǒng)要盡可能的畫詳細。根據(jù)每個公司的計算能力和要求會有所不同。油箱、油管、燃油泵、燃油濾清器、噴油嘴等需要詳細建模。

4）潤滑系統(tǒng)。一般包括潤滑油道、機油泵、機油濾清器和一些閥門。一般主要建模是機油濾清器，一些油管等，其他一般不推薦詳細建模的。

5）冷卻系統(tǒng)。主要是保證發(fā)動機在合適的溫度下工作。其中的水泵、風扇、冷凝器等都要詳細建模。

6）點火系統(tǒng)。主要需要完成的是：火花塞（缸體外部的結構網(wǎng)格）、發(fā)電機、蓄電池、低壓線路，我們在告訴工況下需要考核電線是否失效。其他部分一般不需要建模。

7）啟動系統(tǒng)主要是畫啟動電機、繼電器等外面可見的零部件。

5結論

一般來講發(fā)動機在碰撞中是處理成剛體部件，但本文從基于工程應用的仿真分析精度要求出發(fā)，研究了發(fā)動機工程的常用網(wǎng)格單元網(wǎng)格平均尺寸標準，并進一步地給出了每種單元網(wǎng)格平均尺寸的詳細參數(shù)及應用，最后分系統(tǒng)的研究了發(fā)動機那些部件需要建模和詳細建模。本文是從仿真分析工程的實際應用出發(fā)，結論性的標準和手段可以直接應用于企業(yè)級的碰撞仿真分析工程應用中。

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收稿日期：2019-05-06

作者簡介：李文鳳（1984—），男，江西豐城人，碩士研究生，工程師，研究方向：汽車碰撞。

Analysis on Engineering Application of Common Grid Standard for Automobile Crash Model

LI Wenfeng

（Jiangling Motor Co.， Ltd.，Nanchang Jiangxi ?;330001）

Abstract：?Abstract： With the continuous development of high-performance parallel computing and the level of computers， the number of meshes in car collision models is rapidly increasing. In order to avoid repeated meshing， this article studies how to use a Engineering application method of common engine grid model. Improve the accuracy of the model grid， reduce the cost of automotive engineering research and development， and speed up the timeliness of simulation analysis.

Keywords：?engine; engineering application; grid standard; simulation analysis