基于Hypermesh的整車正碰分析

胡珀　余強(qiáng)　宋若旸　趙軒

摘 要：文章構(gòu)建車輛的有限元模型，進(jìn)行正面100%剛性壁障碰撞的模擬仿真，來分析車輛結(jié)構(gòu)的潛在缺陷和合理性，主要內(nèi)容為：（1）介紹整車中各個(gè)鉸鏈以及加速度傳感器的建立，對(duì)整車各個(gè)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了連接設(shè)置，對(duì)整車的接觸設(shè)置進(jìn)行了說明，對(duì)材料的設(shè)置、剛性墻的建立以及控制卡片的導(dǎo)入進(jìn)行說明。（2）利用Hypermesh和 LS-DYNA對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，利用HyperView查看輸出結(jié)果。（3）根據(jù)仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)，對(duì)模型的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，發(fā)現(xiàn)前圍板入侵量和B柱右側(cè)加速度的指標(biāo)偏大，影響了汽車的安全性能。關(guān)鍵詞：正面100%碰撞;有限元;Hypermesh;LS-DYNA中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）02-40-05

Abstract： Full-text finite element model， 100% self-confrontation， wall-fault-like imitation， future analysis， implicit latent rationality. Main contents： （1） The theoretical basis of the finite element method is introduced， and the establishment of each hinge and acceleration sensor in the whole vehicle is introduced. The structural components of the whole vehicle are connected and set， and the contact setting of the whole vehicle is explained. The establishment of a rigid wall and the introduction of control cards are described. （2） Calculate the model using Hypermesh and LS-DYNA， and use HyperView to view the output consequence. （3） According to the data calculated by the simulation， the rationality of the model is evaluated and found that the intrusion of the dash panel and the acceleration of the right side of the B-pillar are too large， which affects the safety performance of the car.Keywords： Positive 100% collision; Finite element; Hypermesh; LS-DYNACLC NO.： U467 ?Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-40-05

前言

針對(duì)當(dāng)今嚴(yán)重的交通事故，各國的工程技術(shù)人員都在努力提高汽車的安全性能。中國采用的標(biāo)準(zhǔn)是C-NCAP，是將在市場上購買的新車型按照比我國現(xiàn)有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格和更全面的要求進(jìn)行碰撞安全性能測(cè)試，評(píng)價(jià)結(jié)果按星級(jí)劃分并公開發(fā)布，旨在給予消費(fèi)者系統(tǒng)、客觀的車輛信息，促進(jìn)企業(yè)按照更高的安全標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)和生產(chǎn)，從而有效減少道路交通事故的傷害及損失。本文旨在介紹一種主流整車有限元前處理的方法，通過后處理的輸出結(jié)果對(duì)某車型結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 乘用車正碰有限元模型的建立

1.1 有限元分析的理論介紹

有限元分析（Finite Element Analysis）假定將剛體分割成數(shù)目有限多的小單元，在計(jì)算的時(shí)候?qū)⑾嗯R近的有限單元在幾何的節(jié)點(diǎn)處相互連接，即將自由度無限的剛體在傳遞力和扭矩時(shí)進(jìn)行簡化，然后將計(jì)算域打散成一個(gè)一個(gè)可以迅速計(jì)算的小塊。最后再通過連接關(guān)系將這些小塊一一的連接起來，同時(shí)采用矩陣分析來進(jìn)行計(jì)算，最終轉(zhuǎn)化為有限元自由度的計(jì)算問題^[1-2]。

1.2 常用連接關(guān)系的建立

對(duì)于整車的骨架連接采用1D-rigid進(jìn)行連接（二氧化碳保護(hù)焊），該方法簡單，而且不需要為連接的單元建立屬性和材料。

柔性體之間采用焊接單元1D-connectors-spot，選用焊點(diǎn)材料mat100和焊點(diǎn)屬性solid來模擬焊點(diǎn)。然后添加集合，選擇焊點(diǎn)為從面，而焊接層數(shù)則根據(jù)實(shí)際來選定。

對(duì)于剛性單元可用焊縫進(jìn)行連接（seam），但是得保證焊縫位置得網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)齊。

對(duì)于模擬體單元一般用膠粘進(jìn)行連接（area），而對(duì)于要粘接得兩個(gè)件，在粘膠得位置保證網(wǎng)格對(duì)齊^[3-4]。

1.3 加速度傳感器的建立

首先選擇B柱下方梁的四個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用tool面板中translate功能鍵將梁上的4個(gè)節(jié)點(diǎn)平移到Z軸方向（利用duplicate），根據(jù)平移的4個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過使用rigid單元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)2D網(wǎng)格，再利用平移功能建立加速度剛體盒子;在剛體盒子上表面通過共節(jié)點(diǎn)的方式建立加速度傳感器單元（單元類型為ACCEL的三角形單元），因?yàn)閯傮w盒子賦予的是剛性材料MAT20，而梁單元又是一個(gè)柔性體，所以采用ConstrainedExtraNode，將剛體盒子與柔性體進(jìn)行綁定，同時(shí)建立輸出節(jié)點(diǎn)卡片，3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別按照右手定則設(shè)置在加速度傳感器的節(jié)點(diǎn)上。如圖1所示：

1.4 有關(guān)整車的鉸鏈建立

1.4.1 球鉸的建立

一般連球鉸兩端是剛性體，通常在剛體兩端先分別拉處三角形單元，再從1D面板中選擇fe jionts，建立無屬性的球鉸單元，并將點(diǎn)1和點(diǎn)2的位置替換到兩者的中點(diǎn)上，但不共節(jié)點(diǎn)。如果球鉸兩端是柔性體，則不能直接建立jionts單元，先通過rigid單元分別在柔性體梁上拉出reb2，利用2個(gè)屬性為剛性的reb2節(jié)點(diǎn)來創(chuàng)建fe jionts。如圖2：

1.4.2 剛體和剛體之間的萬向節(jié)建立

一般通過rigid單元分別在柔性體梁上拉出2個(gè)reb2單元，然后分別在各自連接端的2d網(wǎng)格一邊的中點(diǎn)建立臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，確定1、2、3、4點(diǎn)，按照節(jié)點(diǎn)順序分別建立universal單元，建立萬向節(jié)后把1和2點(diǎn)拉到中點(diǎn)，通過circle center功能鍵保證3（1和2）4點(diǎn)成90°即可，如圖3：

1.4.3 柱鉸的建立

考慮到轉(zhuǎn)向管柱是柔性體，首先在柔性體上建立RB2剛性單元，再建立鉸鏈的四個(gè)點(diǎn)，用rigid功能鍵將剛體與節(jié)點(diǎn)通過reb2進(jìn)行連接，再按照節(jié)點(diǎn)順序建立鉸鏈（cylindrical），最后1、2節(jié)點(diǎn)和3、4節(jié)點(diǎn)分別合并，如圖4所示：

1.4.4 轉(zhuǎn)鉸的建立

建立4個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，1、3節(jié)點(diǎn)和2、4節(jié)點(diǎn)利用Constrained ExtraNode功能鍵分別與轉(zhuǎn)向節(jié)和制動(dòng)盤做剛性體與柔性體的接觸連接，保證節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)向節(jié)和制動(dòng)盤具有相同的運(yùn)動(dòng)形式，最后再按節(jié)點(diǎn)順序來建立轉(zhuǎn)鉸（revolute）來保證輪胎在仿真模擬中的真實(shí)性，如圖5所示：

1.5 材料屬性的設(shè)置

對(duì)于整車碰撞仿真，主流的材料屬性有MAT1、MAT20、MAT24、MAT100等材料卡片。

MAT1是定義屬性各向同性的材料，指物體的物理、化學(xué)等方面的性質(zhì)不會(huì)因方向的不同而有所變化的特性，即某一物體在不同的方向所測(cè)得的性能數(shù)值完全相同，亦稱均質(zhì)性。

MAT20是定義剛體材料常用的屬性，該屬性特點(diǎn)保證計(jì)算中所定義剛體的節(jié)點(diǎn)在碰撞中保持相對(duì)位移不變，一般發(fā)動(dòng)機(jī)、輪轂、水箱用MAT20來定義。

MAT24是用于定義汽車?yán)锎蠖鄶?shù)的零部件部分，是一種能夠反映材料彈塑性的力學(xué)性質(zhì)^[5]。

MAT100則是用于模擬焊點(diǎn)材料，能夠真實(shí)的模擬實(shí)際中焊點(diǎn)的斷裂特性。

1.6 碰撞仿真中接觸的介紹

在LS-DYNA中，接觸是通過給定需要的程序來檢查，可能發(fā)生從節(jié)點(diǎn)穿透主面段的位置（location）來定義的，這里的“位置”可以來自部件、部件集合、面段集合以及節(jié)點(diǎn)集合。在計(jì)算中的每一個(gè)時(shí)間步，程序會(huì)利用多個(gè)算法中的某一種來查找可能發(fā)生的穿透。例如在基于罰函數(shù)的接觸中，當(dāng)程序檢測(cè)到穿透發(fā)生，就會(huì)對(duì)穿透的節(jié)點(diǎn)施加穿透深度成比例的力以便抵抗穿透的繼續(xù)進(jìn)行，并最大可能地消除已經(jīng)出現(xiàn)的穿透現(xiàn)象。

1.6.1 常用接觸類型的選取

（1）用于剛性體與柔性體的連接接觸類型：Constrained ExtraNode;

（2）用于剛性體之間的連接接觸類型：ConsRigid Rbody;

（3）用于整車碰撞剛性墻時(shí)的自接觸連接類型：Single Surface;

（4）用于柔性體與柔性體的連接接觸類型：FacetoFace。

1.7 剛性墻的建立

在模型正前方和輪胎靜半徑建立臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，分別來模擬剛性墻和地板。其中通過rigid wall中的geom面板選擇幾何點(diǎn)，再通過add面板中的接觸從面選擇整車來更新剛性墻作用的對(duì)象，并將剛性墻的作用方向設(shè)定為與汽車運(yùn)動(dòng)的相反方向（X軸方向）。

1.8 速度和加速的設(shè)置

通過加載集（Loadcols）建立初速度（initialVel）和重力加速度（LoadBody）。因?yàn)樵O(shè)定單位為mm/s，所以設(shè)置的速度大小為13888.89mm/s，方向?yàn)閄軸負(fù)方向。加速度值大小為9800mm/s²（創(chuàng)建xlplot來建立加速度曲線），方向?yàn)閆軸正方向。

1.9 控制卡片的介紹

碰撞分析控制卡片包括控制求解和控制輸出結(jié)果，一般來說控制卡片的標(biāo)準(zhǔn)都是統(tǒng)一的，調(diào)用時(shí)直接通過k文件導(dǎo)入，下面介紹主要的控制卡片類型。

（1）CONTROL_ENERGY（能量耗散控制）：整車碰撞的過程是動(dòng)能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)換，該卡片是用于計(jì)算沙漏能、剛性墻的耗散能量、接觸滑移的耗能和阻尼的耗散能，從而判斷整車正碰仿真的準(zhǔn)確性。

（2）CONTROL_HOURGLASS（沙漏控制）：通過采用全積分單元，對(duì)整車網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，得到精確結(jié)果。

（3）CONTROL_TERMINATION（計(jì)算終止控制）：用來設(shè)置碰撞的計(jì)算時(shí)間，由于正碰、側(cè)碰的計(jì)算時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)不同，對(duì)不同類型碰撞的設(shè)置只需要設(shè)置不同的終止時(shí)間。

（4）CONTROL_CONTACT（接觸控制）：當(dāng)剛體作用于剛性墻或計(jì)算發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格較大穿透量時(shí)，用于調(diào)節(jié)懲罰函數(shù)因子系數(shù)來激活新的接觸算法。

（5）DATABADE_BINARY_D3PLOT（完全輸出控制）：通過改變時(shí)間步長的輸出間隔來輸出碰撞動(dòng)畫的時(shí)間間隔。

2 汽車正碰仿真的結(jié)果分析

將正碰模型導(dǎo)出為k文件的格式，采用LS-DYNA仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，后處理用HyperView對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行查看，從整車變形、能量變化曲線、部件侵入量對(duì)整體進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 整車碰撞變形過程

在計(jì)算中，因?yàn)椴介L設(shè)置較小，只截取部分時(shí)刻的變形情況。圖分別顯示了整車在5ms，25ms，45ms，65ms時(shí)刻的變形情況。在5ms～25ms整車接觸剛性墻，保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋已經(jīng)發(fā)生明顯變形;在25ms～45ms，汽車因?yàn)榍岸搜b上剛性墻開始后移，前輪罩、前縱梁和傳動(dòng)軸開始變形;在45ms～65ms，又因?yàn)槠嚽岸艘呀?jīng)變形充分，導(dǎo)致后輪開始抬起，而車門在整個(gè)過程中變形較小，如圖6所示：

2.2 質(zhì)量增加曲線

仿真軟件在計(jì)算的過程中，因?yàn)樗惴ǖ牟煌陀?jì)算的精確度的選取，計(jì)算出來的模型會(huì)有質(zhì)量的增加，而質(zhì)量增加曲線又是一個(gè)判斷仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)，為此我們引出質(zhì)量增加曲線。碰撞仿真的標(biāo)準(zhǔn)是質(zhì)量增加比要小于5%，圖上在120ms時(shí)質(zhì)量增加約為0.0073kg，該模型車重1.267t，質(zhì)量增加約0.6%，所以滿足仿真的標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示：

2.3 能量曲線

汽車發(fā)生正碰的過程是一個(gè)能量守恒的過程，即動(dòng)能和內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，而少部分能量以其他的形式耗散。在整個(gè)過程中輸出了動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能、總能量四條能量曲線，設(shè)置沙漏是為了提高汽車碰撞仿真的效率，但是沙漏超過5%會(huì)降低仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以沙漏能的變化百分?jǐn)?shù)要控制在一定范圍，如圖8所示：

從圖中可以看到，總能量約為165KJ（縱坐標(biāo)單位設(shè)為10^-3J），沙漏能最終保持在6KJ，占總量的3.64%，符合正碰標(biāo)準(zhǔn)。而整個(gè)仿真結(jié)果的總能量波大很小，在碰撞過程中，動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，符合能量守恒。

2.4 B柱加速度曲線

在正碰的過程中，變形主要發(fā)生在B柱之前，所以在B柱下部設(shè)置加速度傳感器。加速度曲線的輸出，一般先輸出速度，再進(jìn)行求導(dǎo)，最后經(jīng)過濾波得到，這樣得到的數(shù)值是最準(zhǔn)確的。如果對(duì)位移曲線進(jìn)行二重求導(dǎo)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，使得計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性大大下降^[6-8]。下圖9為加速度圖：

整個(gè)過程中，B柱加速度峰值為51.9742g，大于40g的標(biāo)準(zhǔn)值，而對(duì)于安全性能為五星級(jí)汽車的加速度峰值要小于35g，還有一點(diǎn)差距，所以需要進(jìn)一步優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)。

圖9? B柱加速度曲線圖

2.5 前圍板入侵量

汽車再碰撞過程中，汽車前方的零部件因碰撞后會(huì)擠壓汽車前圍板，造成前圍板向駕駛室入侵，造成對(duì)駕駛員的額傷害。通過在汽車后部縱梁設(shè)置相對(duì)參考系，將前圍板單獨(dú)拿出來輸出應(yīng)變?cè)茍D，如圖10所示。同時(shí)選取前圍板八個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析如圖11，測(cè)量點(diǎn)的位移曲線如圖12所示。由上圖可以看出，碰撞過程中最大變形量發(fā)生在前圍板中部的左側(cè)部分，最大位移為236mm，靠近排氣歧管位置。前圍入侵量目標(biāo)值設(shè)定為200mm，點(diǎn)2050775和點(diǎn) 2051764入侵量不滿足要求，變形量太大，入侵了駕駛員的生存空間，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.6 前車門變形量

當(dāng)車輛發(fā)生正碰時(shí)，機(jī)艙上邊梁區(qū)域和剛性壁障接觸很大，會(huì)傳遞大部分能量到A柱的結(jié)構(gòu)區(qū)域，同時(shí)機(jī)艙上邊梁區(qū)域零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度很低，只吸收很小部分的能量，絕大部分能量傳遞到了A柱，使得A柱內(nèi)板、加強(qiáng)板和上邊梁等零件發(fā)生很大變形，使得前車門逃生空間小，降低了駕駛員的逃生率。為此輸出了車腰線和車門檻部位的相對(duì)變形量，如圖13、圖14所示：腰線部位最大相對(duì)變形量為38.39mm，門檻部位最大變形量為15.12mm。

3 結(jié)論

本文對(duì)整車模型進(jìn)行了較為全面的分析，對(duì)下述幾個(gè)方面進(jìn)行詳解：

（1）輸出模擬仿真中質(zhì)量增加的曲線，驗(yàn)證了計(jì)算的可靠性。

（2）以動(dòng)畫的型式輸出整車不同步長內(nèi)的碰撞變形程度，進(jìn)一步展現(xiàn)了整車碰撞的情況。

（3）從能量角度方面進(jìn)行入手，對(duì)碰撞中各個(gè)能量曲線進(jìn)行表達(dá)，分析了整車的變形過程。

（4）分析了正碰的相應(yīng)指標(biāo)：B柱的加速度、前圍板入侵量、車門變形量，結(jié)果顯示B柱加速度高于標(biāo)準(zhǔn)值40g，

前圍板入侵量略高于20mm的設(shè)定值，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

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