客車側(cè)翻仿真中初始位置選取對結(jié)果的影響

酒軍亮， 趙立新， 詹國臣， 王小偉， 梁奇?zhèn)?/p>

(1.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215026;2.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍代局， 上海 200031)

隨著GB 17578—2013《客車上部結(jié)構(gòu)強度要求及試驗方法》[1]的強制實施，采用計算機仿真方法代替實車進行側(cè)翻試驗驗證，因其具有周期短、成本低和風險小的優(yōu)點，成為各大客車廠家首選的認證方法。由于仿真精度是決定結(jié)果是否有效的重要因素，所以針對計算機仿真精度方面的研究顯得尤為重要。本文對客車側(cè)翻仿真分析中的初始條件選取進行深入研究。

1 側(cè)翻仿真初始條件確定

依據(jù)GB 17578—2013[1]的要求，側(cè)翻試驗車輛從臨界側(cè)傾位置開始，在重力作用下翻滾撞擊到地面，通過窗立柱變形量來判定乘員生存空間的侵占情況。在未接觸地面前，車體沒有發(fā)生塑性變形，不是關注的重點。在仿真分析中為提高仿真效率，目前大多選取車體剛接觸地面的瞬間作為仿真的初始時刻，而該 “瞬時”位置的初始角速度目前又大多采用以下方法計算：

客車從臨界側(cè)傾位置到接觸地面的瞬間，設質(zhì)心的垂直位移為Δh，Δh=h1-h2,h1、h2分別為客車在臨界側(cè)傾位置和接觸地面瞬間的質(zhì)心離地高；客車在臨界側(cè)傾位置的角速度為ω0(此時車輛繞自身翻轉(zhuǎn)軸的角速度為0。本文考慮側(cè)翻臺架角速度≤5°/s的要求[1]，設置ω0為5°/s(0.087 rad/s)以得到較為苛刻的仿真結(jié)果)。根據(jù)能量守恒定律有[2]：

(1)

式中：m為客車的總質(zhì)量；g為重力加速度；ωt為客車剛接觸地面瞬間的角速度；J為客車側(cè)翻轉(zhuǎn)動慣量。

式(1)中的J值在仿真分析中的獲取過程如下：首先在LS-DYNA仿真軟件中，通過已建立的客車側(cè)翻仿真模型計算出模型質(zhì)心離地高h1和h2，得到Δh；然后設置一個確定的角速度值ωk試運算，仿真軟件會計算出對應的動能為Ek，再由公式Ek=Jωk2/2手工計算出車體的轉(zhuǎn)動慣量J：

J= 2EK/ωk2

(2)

將式(2)計算出的轉(zhuǎn)動慣量帶入式(1)，即可手工計算出車體剛接觸地面瞬時的角速度ωt作為仿真分析的角速度輸入值。

當仿真分析的初始位置選取在臨界側(cè)傾位置與車體剛接觸地面之間的任一位置時，其仿真輸入的初始角速度ωi都可采用上述方法計算。ωi作為側(cè)翻仿真分析最重要的邊界條件，其準確性對結(jié)果的可信度影響很大。本文通過下述分析，說明以上傳統(tǒng)方法計算ωi用于仿真的不準確性問題。

2 仿真分析位置設置及結(jié)果分析

2.1 仿真位置設置及分析

將客車的臨界側(cè)傾位置作為標準的側(cè)翻仿真分析位置，得到的仿真結(jié)果作為標準的仿真值與其他仿真分析開始位置結(jié)果進行對比。以某公路客車實際結(jié)構(gòu)為研究對象,設定3個仿真初始位置，第1側(cè)翻仿真初始位置為“標準”位置，計算得知其側(cè)傾臨界角為35.7°；第2、3側(cè)翻仿真初始位置分別在“標準”位置的基礎上將車體旋轉(zhuǎn)40°和68°；其中第3側(cè)翻仿真初始位置為車體剛接觸地面瞬間的位置，應該為側(cè)翻仿真分析最遲開始的位置。第1、3側(cè)翻仿真初始位置如圖1所示。

圖1 第1、3側(cè)翻位置

仿真建模過程中的結(jié)構(gòu)簡化、質(zhì)量處理、網(wǎng)格劃分、單元選擇、材料選擇以及載荷處理等均按照較成熟的方法進行[2-6]，最終建立的整車仿真模型如圖2所示。上述的第1側(cè)翻仿真初始位置，共計 455 144 個節(jié)點，487 569個單元，其中殼單元471 493個，實體單元1 335個，質(zhì)量單元14 741個。將該仿真模型按前述旋轉(zhuǎn)可得到第2、3側(cè)翻仿真分析的初始位置。

圖2 整車有限元模型

按照式(1)和式(2)計算，3個側(cè)翻仿真初始位置的初始角速度為：ω1=ω0=0.087 rad/s，ω2=1.224 rad/s，ω3=2.065 rad/s。按照文獻[7-8]介紹的方法，在LS-DYNA仿真分析軟件中設置求解時間、接觸控制、沙漏控制以及輸出控制等，其中求解時間分別設置為2.5 s、0.8 s和0.25 s。

2.2 仿真結(jié)果分析

按照GB 17578—2013[1]要求布置乘員生存空間的測點位置，所有測點均位于碰撞側(cè)立柱上，見圖3。

圖3 測點位置布置

2.2.1 變形分析

3個仿真初始位置的側(cè)翻仿真模型除求解時間和初始角速度不同外，其余所有參數(shù)均相同。由3個仿真模型的最大變形圖可知，第1側(cè)翻仿真初始位置的變形最嚴重，第2側(cè)翻仿真初始位置次之，而第3側(cè)翻仿真初始位置最小。與“標準”位置相比，第2、3側(cè)翻仿真初始位置車體的生存空間被侵占的情況逐漸變小，說明第2、3仿真分析方案的仿真結(jié)果趨于保守，特別是第3側(cè)翻仿真初始位置，乘員生存空間被侵占的情況不太明顯，與“標準”情況差別較大。其中第1、3側(cè)翻仿真初始位置仿真的最大變形如圖4所示。

(a) 第1側(cè)翻位置

表1為依據(jù)圖3的測點位置得到的立柱變形量。在車體未變形前，各測點距生存空間的最短距離為380 mm。由表1可知，第1側(cè)翻仿真初始位置車體的第4、5、6測點，第2側(cè)翻仿真初始位置車體的第5、6測點和第3側(cè)翻仿真初始位置車體的第6測點的變形量均超過380 mm。由此可見，選擇不同初始位置開始仿真得到的計算結(jié)果明顯不同。誤差最大的是第3側(cè)翻仿真初始位置的第1立柱，與標準位置相比誤差達到了40.13%。

表1 不同仿真分析初始位置的立柱變形量 mm

2.2.2 加速度分析

在客車側(cè)翻過程中，加速度曲線能較綜合地反應車輛受到的碰撞力情況。在無假人和乘員約束系統(tǒng)的車身耐撞性模擬分析中，可以將車體加速度作為乘員頭部所承受的加速度來間接評價乘員的損傷，過大的加速度峰值和過長的峰值持續(xù)時間將引起車內(nèi)乘員的更大傷害。

圖5為3個側(cè)翻仿真初始位置仿真模型的質(zhì)心加速度變化曲線。加速度峰值依次為62.062g、50.6512g和27.837g。由于仿真時間不同，加速度曲線變化形式有所差別，其中第1側(cè)翻仿真初始位置只有在車體撞擊地面后才產(chǎn)生加速度峰值。不難發(fā)現(xiàn)，仿真初始位置越靠近地面，仿真得到的加速度峰值越?。环粗酱?。因此，從側(cè)翻碰撞仿真結(jié)果保守性考慮，側(cè)翻仿真初始位置應選取臨界側(cè)傾位置。

(a) 第1側(cè)翻位置

(b) 第2側(cè)翻位置

(c) 第3側(cè)翻位置

3 原因分析及改善措施

3.1 原因分析

由上述的車體變形和加速度分析結(jié)果可知，第2、3側(cè)翻仿真初始位置仿真得到的結(jié)果與“標準”位置的結(jié)果偏差較大。3個初始位置的邊界條件設置只有初始角速度和仿真持續(xù)時間不同，而仿真持續(xù)時間與過程無關，說明初始角速度是造成誤差的原因。

事實上，通過上述“標準”位置的側(cè)翻仿真分析，LS-DYNA軟件可以較準確地提取出車體分別經(jīng)過第2、3側(cè)翻位置時的角速度，可將該方式得到的角速度作為“準確值”進行對比，結(jié)果見后表2中第2欄數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑耆梅抡孳浖玫降慕撬俣扰c式(1)和(2)計算結(jié)果差別較大，特別是第3側(cè)翻位置偏差了37.8%。

式(1)和(2)中轉(zhuǎn)動慣量相等的前提條件是車體有固定的旋轉(zhuǎn)軸。但仿真或?qū)嵻噦?cè)翻時，車體從臨界側(cè)傾位置開始向下翻滾，并不是完全繞固定旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，而是類似自由落體運動。而車體的轉(zhuǎn)動慣量又與車體的運動姿態(tài)和旋轉(zhuǎn)軸有關，即事實是式(1)和式(2)中的轉(zhuǎn)動慣量是不完全相同的，這正是造成理論計算與仿真計算偏差的主要原因，從而導致第2、3仿真初始位置的結(jié)果與“標準”位置存在偏差。

3.2 改善措施

為保證各側(cè)翻位置仿真的結(jié)果與“標準”位置相近，需要提高各側(cè)翻仿真位置初始角速度的精度，可通過下述3種方法進行改善：

方法一：在仿真求解前，完全直接用LS-DYNA軟件仿真計算出各仿真初始位置的角速度。該方法實際是“標準位置”的仿真過程，最接近實車側(cè)翻試驗狀態(tài)。但由于其具有計算時間長、效率低和對計算機硬件要求高且難于提取的缺點，不推薦采用。

方法二：借助ADAMS軟件先仿真計算各位置的仿真初始角速度[9]，再用LS-DYNA軟件進行仿真分析。該方法需要借助另外的軟件，從實用性上不推薦作為首選措施。

方法三：在仿真求解前，先通過LS-DYNA軟件中的剛?cè)徂D(zhuǎn)換功能進行預運算，得到第2、3側(cè)翻位置車體的角速度，分別作為相應仿真初始位置的仿真模型的初始邊界條件輸入進行仿真分析。具體方法如下：客車從臨界側(cè)傾位置開始側(cè)翻，在未接觸地面前車體不產(chǎn)生變形，采用關鍵字*Deformable_to_Rigid_Automatic將車體設置為剛體[10]。由于剛體的積分計算效率高，可以在很短的時間內(nèi)完成預運算，提取到各位置的角速度。同時通過剛?cè)徂D(zhuǎn)換計算得到的質(zhì)量、能量、轉(zhuǎn)動慣量都與車體質(zhì)心和狀態(tài)有關，和車體的仿真狀態(tài)更吻合。因此，通過剛?cè)徂D(zhuǎn)換方式進行試運算得到的角速度更合理，且計算效率高得多。同時該改善措施仿真計算的連貫性、實用性都比較好。該方法實際是方法一的改進，推薦作為首選措施。

采用剛?cè)徂D(zhuǎn)換功能試運算得到的各位置的瞬時角速度(臨界側(cè)傾位置的初始角速度也設置為5°/s)及對比見表2。由表2可知，采用剛?cè)徂D(zhuǎn)換計算的各初始位置的角速度更接近仿真軟件直接計算得到的角速度，其誤差主要還是彈性體自身產(chǎn)生的摩擦能消耗而剛體不存在能量消耗導致，通常5%的誤差范圍可以接受。

表2 3種方法得到的不同位置的角速度 rad/s

將表2中由剛?cè)徂D(zhuǎn)換計算得到角速度作為第2、3側(cè)翻仿真初始位置的邊界條件輸入進行求解。仿真得到的3個初始仿真位置的立柱變形量比較接近，其中最大誤差為3.4%，在可接受的范圍內(nèi)；而加速度峰值的誤差分別為4.5%和4.9%，也滿足要求，其中第3側(cè)翻仿真初始位置的質(zhì)心加速度仿真曲線如圖6所示。

圖6 第3側(cè)翻位置質(zhì)心加速度曲線

綜上，采用改善后的初始角速度進行仿真得到的結(jié)果與“標準值”的誤差大幅度降低，可以有效地提高仿真結(jié)果的可信度。

4 結(jié)束語

選取3個側(cè)翻初始位置按常規(guī)方法進行仿真，結(jié)果表明：仿真初始位置選取對仿真結(jié)果影響較大，差別來自仿真輸入的初始角速度的理論計算不合理。推薦采用LS-DYNA軟件的剛?cè)徂D(zhuǎn)換功能，先預運算獲得剛接觸地面瞬間或中間某時刻的角速度值，再將該值作為初始邊界條件輸入進行仿真，其仿真結(jié)果更接近“標準值”, 仿真結(jié)果的可信度更高。