基于“MPI+openMP”計(jì)算的某輕型商用車側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)及選材設(shè)計(jì)

鄧海燕　廖智鵡　張德華　王康　徐莉　葉寧

關(guān)鍵詞：高性能CAE 計(jì)算；顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算；商用車側(cè)防護(hù)；結(jié)構(gòu)件工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著輕型商用車在日常生活和商業(yè)運(yùn)輸中的廣泛應(yīng)用，對(duì)其安全性能的要求也越來(lái)越高。本文嚴(yán)格按照GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》中所規(guī)定的內(nèi)容[1]，對(duì)輕型商用車的側(cè)面防護(hù)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效地保護(hù)無(wú)防御的行人（包括行人、騎自行車的人以及騎電動(dòng)車或者摩托車的人），以免其跌入車側(cè)而被卷入車輪下面[2]。無(wú)論是傳統(tǒng)燃油輕卡還是當(dāng)下熱門的電動(dòng)輕卡，其燃油系統(tǒng)或動(dòng)力電池系統(tǒng)主要布置范圍均包含在側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)件的防護(hù)范圍之內(nèi)，即GB 11567—2017 所述的“前輪之后至后輪之前”。因此，輕型商用車側(cè)面防護(hù)結(jié)構(gòu)的耐撞性是考察碰撞時(shí)燃油/ 電解液泄漏甚至可能起火或爆炸風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)[3]。

本文基于江西省超級(jí)計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái)（雙精度運(yùn)算速度達(dá)到 1600 萬(wàn)億次/ 秒），利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件LS-DYNA 進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)求解[4]，結(jié)合工程實(shí)際和安全標(biāo)準(zhǔn)，為輕型商用車側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選材提供了一種先進(jìn)的解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高性能計(jì)算平臺(tái)上建立的大規(guī)模精細(xì)仿真模型和并行計(jì)算的高效性，對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)作用。

1 側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成

輕型商用車的側(cè)防護(hù)系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)包含側(cè)護(hù)欄（橫桿）、安裝支架（豎桿）和垂直構(gòu)件（前端模塊）[5]。其中，豎桿與車輛底盤的側(cè)面部件連接或者連接在車輛的其他結(jié)構(gòu)件上（圖1）。

側(cè)護(hù)欄（橫桿）一般由2 根橫桿組成，其結(jié)構(gòu)形式有實(shí)心圓柱形橫桿、管狀（圓管或者方管）橫桿和形狀可變橫桿等。安裝支架（豎桿）一般設(shè)計(jì)在橫桿的兩端，其結(jié)構(gòu)形式有Y 型沖壓薄板、Y 型鑄鋁件和倒A 型復(fù)合材料厚板等。

2 側(cè)防護(hù)材料選型技術(shù)

側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)件（主要指的是橫桿和豎桿），通?？梢允褂娩摬?、鋁合金材料以及SMC 復(fù)合材料等。無(wú)論選擇使用哪種材料，其材料的力學(xué)性能參數(shù)直接影響了剛度CAE 計(jì)算結(jié)果[6]，包括材料密度（單位：g/cm?）、彈性模量（單位：GPa）、泊松比和屈服極限（單位：MPa）。以下是一些材料選型的原則。

2.1 傳統(tǒng)鋼材側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)鋼材側(cè)防護(hù)具有高強(qiáng)度、抗碰撞性能強(qiáng)、耐磨性強(qiáng)、可塑性好以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。特別需要強(qiáng)調(diào)的是在所有的材料選型中，傳統(tǒng)鋼材的可修復(fù)性是最強(qiáng)的，這也有利于降低用戶的維修成本，減少售后抱怨。

以豎桿為例，如果使用Y 型沖壓薄板的結(jié)構(gòu)形式，則選擇DC 系列的鋼材即可滿足系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)沖擊剛度要求。需要注意的是，在Y 型豎桿的上部，與車輛連接的位置應(yīng)注意考察安裝孔的數(shù)量及強(qiáng)度[7]。如有必要，需要在Y 型豎桿安裝孔附近增加螺母板，以保證整體剛度滿足法規(guī)要求（圖2）。

2.2 鋁合金側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)

如果橫桿采用單一橫梁的結(jié)構(gòu)形式，則建議選用鋁合金材料。鋁合金側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的卡車側(cè)部保護(hù)結(jié)構(gòu)，采用鋁合金材料制造而成（圖3）。鋁合金具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

輕量化。相比于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，鋁合金具有較低的密度，因此鋁合金側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)在確保強(qiáng)度和剛性的同時(shí)能夠降低整車質(zhì)量。這有助于提高車輛的燃油效率和運(yùn)輸效益。

強(qiáng)度高。鋁合金的強(qiáng)度相對(duì)較高，使得側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠提供良好的保護(hù)性能。它能夠有效吸收和分散外部沖擊力，減少對(duì)車輛側(cè)部的損壞，并保護(hù)車輛內(nèi)部貨物和乘員的安全。

抗腐蝕性強(qiáng)。鋁合金具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能，在潮濕、多雨或高溫等惡劣環(huán)境中能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的性能。

可塑性好。鋁合金材料具有良好的可塑性，易于加工和成型。這使得鋁合金側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)卡車設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行定制和調(diào)整，以適應(yīng)不同車型和尺寸的要求。

美觀性。鋁合金具有良好的外觀表現(xiàn)，經(jīng)過(guò)精細(xì)加工和表面處理后，能夠呈現(xiàn)出現(xiàn)代感和美觀的外觀。

2.3 復(fù)合材料側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)采用多種不同材料的組合，通常包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和增強(qiáng)層，如碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維等（圖4）。復(fù)合材料側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

高強(qiáng)度。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由纖維增強(qiáng)層與樹脂基質(zhì)組合而成，具有出色的強(qiáng)度。纖維增強(qiáng)層的方向性使得復(fù)合材料能夠在各個(gè)方向上均勻分散和吸收沖擊力，提供更好的保護(hù)性能。

輕量化。相比于傳統(tǒng)的金屬材料，復(fù)合材料具有較低的密度和重量。使用復(fù)合材料側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)可以顯著降低卡車整體重量，提高燃油效率和運(yùn)輸效益。

抗腐蝕性強(qiáng)。復(fù)合材料在潮濕和腐蝕性環(huán)境中具有較好的抗腐蝕性能，減少維護(hù)和更換的需求。

設(shè)計(jì)靈活。復(fù)合材料可以根據(jù)需要進(jìn)行定制設(shè)計(jì)和制造， 以滿足不同卡車型號(hào)和尺寸的要求。

3 MOO 計(jì)算與CAE 驗(yàn)證

3.1 樣本生成

為了得到更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與選材， 本文設(shè)計(jì)MOO（Multi-Objective Optimization）分析矩陣共600 個(gè)計(jì)算案例（圖5），開發(fā)了“MPI+openMP”并行計(jì)算方法，快速得到材料組合最優(yōu)解。

為加快計(jì)算效率，本研究使用“MPI+openMP”實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了并行讀寫與并行計(jì)算。用戶通過(guò)編寫PBS 腳本確定所需計(jì)算核心數(shù)、內(nèi)存等信息。PBS 調(diào)度系統(tǒng)分配用戶作業(yè)所需計(jì)算資源后，通過(guò)并行計(jì)算，充分利用超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源，大大提高計(jì)算效率。“MPI+openMP”與SMP 計(jì)算方法的效率對(duì)比如表1 所示。

3.2 網(wǎng)格模型

本文以復(fù)合材料側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)為例，對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行CAE 驗(yàn)證。大量的實(shí)驗(yàn)和研究表明，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)直接影響其宏觀性能[9]。基于微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料網(wǎng)格模型，其單元最小尺寸為0.2 mm。因此，盡管側(cè)防護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但涉及到微觀尺寸的網(wǎng)格單元，CAE 計(jì)算的模型單元數(shù)量達(dá)到了20 萬(wàn)個(gè)（圖6）。此時(shí)，采用128cores 的LS-DYNA MPP 版本，即高性能并行計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行求解，可以在10 min 之內(nèi)快速獲得計(jì)算結(jié)果。

3.3 材料模型

本文采用的側(cè)防護(hù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其側(cè)護(hù)欄為玻璃纖維，支架為SMC 材料，垂直構(gòu)件為PP 材料，對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能基本參數(shù)如表2 所示。

3.4 加載條件

（1）選取側(cè)護(hù)欄兩端和中間3 個(gè)位置作為加載點(diǎn)，約束支架固定點(diǎn)處6 個(gè)方向的自由度[10]。

（2）在220 mm 的圓形壓盤上加載1.2 kN（含1.2 倍安全系數(shù)）的力。

（3）3 種工況加載位置如圖7 所示。其中，P1 位置為靠近前端模塊的端點(diǎn)，P2 位置為支架約束的中心點(diǎn)，P3 位置為遠(yuǎn)離前端模塊的端點(diǎn)。

3.5 計(jì)算及結(jié)果分析

有限元模型前處理（包括建立網(wǎng)格模型、建立各部件的連接關(guān)系、設(shè)定材料參數(shù)和屬性參數(shù)、設(shè)定初始條件、加載工況以及設(shè)置輸出等）完成后，使用用戶自定義的封裝命令：dyna_sub s（d） R9（ 求解器版本） six（ 計(jì)算隊(duì)列序號(hào)） ncpu（CPU 數(shù)量）inputfile（ 模型key 文件） ，將任務(wù)提交給LS-DYNA（MPP）進(jìn)行仿真計(jì)算。軟件將根據(jù)所設(shè)定的邊界條件、材料模型和加載條件，在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果判定準(zhǔn)則如下。

（1）力- 位移曲線準(zhǔn)則。根據(jù)力- 位移曲線，當(dāng)P1 點(diǎn)、P2點(diǎn)和P3 點(diǎn)載荷分別達(dá)到1 000 N 時(shí)，這幾個(gè)點(diǎn)的位移分別為10.80 mm、10.16 mm 和 20.73 mm，均小于30.00 mm，滿足法規(guī)要求（圖8）。

（2）材料應(yīng)力失效準(zhǔn)則。由應(yīng)力圖可知（圖9），因σ11 ＞0，縱向被拉伸，最大應(yīng)力為624.0 MPa，小于材料縱向拉伸極限Xt（774.0 MPa）；σ22 ＜ 0，橫向被壓縮，最大應(yīng)力為39.9 MPa，小于材料橫向壓縮極限Yc（285.0 MPa），因此判斷該材料未發(fā)生斷裂。

4 側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)耐撞性實(shí)物驗(yàn)證

在數(shù)字設(shè)計(jì)階段，使用LS-DYNA 可以精確模擬側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)沖擊時(shí)系統(tǒng)的受力情況，并對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行改進(jìn)。在樣車實(shí)車試制階段，為了驗(yàn)證側(cè)防護(hù)系統(tǒng)的耐撞性和可靠性，需要在試驗(yàn)階段按照GB 11567—2017 進(jìn)行實(shí)物撞擊試驗(yàn)。本文基于某輕卡車型，在實(shí)車試制階段，測(cè)試使用碰撞試驗(yàn)裝置，在控制速度和角度的條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)施加沖擊載荷。測(cè)試時(shí)使用傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)記錄結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括位移、應(yīng)力和變形等參數(shù)（圖10）。

所獲得的實(shí)際測(cè)試結(jié)果與CAE 計(jì)算結(jié)果，其對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。結(jié)果對(duì)比顯示，采用微觀網(wǎng)格模型的復(fù)合材料側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，其耐撞性動(dòng)態(tài)沖擊的實(shí)物測(cè)試變形量與CAE 計(jì)算變形量，在數(shù)值上非常接近。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了超級(jí)計(jì)算機(jī)作為仿真基礎(chǔ)，采取計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的方法，通過(guò)LS-DYNA 軟件進(jìn)行側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)沖擊仿真分析，利用計(jì)算任務(wù)智能調(diào)度技術(shù)、分布式并行算法，大大提高工程仿真效率。本文對(duì)側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選材進(jìn)行了一定探索，但仍存在一些局限性。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化材料模型和選材參數(shù)的選擇，探索更加精確和可靠的仿真分析方法。

作者簡(jiǎn)介：

鄧海燕，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠囌囬_發(fā)及車線平臺(tái)管理。

廖智鵡，本科，工程師，研究方向?yàn)檩p卡車型性能規(guī)劃。

張德華，碩士，工程師，研究方向?yàn)檩p型卡車產(chǎn)品開發(fā)。

王康，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)、高性能計(jì)算。

徐莉，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚺鲎?、CAE 計(jì)算。

葉寧碩士，工程師，研究方向?yàn)楦咝阅苡?jì)算、計(jì)算機(jī)軟件。