ABAQUS碰撞分析经典案例_保险杠撞击刚性墙

1、碰撞分析案例：保险杠撞击刚性墙ABAQUS/Explicit 显式非线性碰撞分析案例：保险杠撞击刚性墙案例关注重点：焊接和撞击有限元分析模型的定义案例背景 随着科学技术的发展，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具。但当今由于交通事故造 成的损失日益剧增，研究汽车的碰撞安全性能，提高其耐撞性成为各国汽车行业研究的重要课题。 目前国内外许多著名大学、研究机构以及汽车生产厂商都在大力研究节省成本的汽车安全检测方 法，而汽车碰撞理论以及模拟技术随之迅速发展，其中运用有限元方法来研究车辆碰撞模拟得到了 相当的重视。而本案例就是取材于汽车碰撞模拟分析中的一个小案例保险杠撞击刚性墙。案例分析 本案例的几

2、何模型是通过导入已有的 *.IGS 文件来生成的(已经通过专用 CAD 软件建好 模型的)，共包括刚性墙( PART-wall )、保险杠( PART-bumper )、平板( PART-plane )以及横 梁( PART-rail )四个部件，该分析案例的关注要点就是主要吸能部件(保险杠)的变形模拟，即 发生车体碰撞时其是否能够对车体有足够的保护能力？其是否能够将撞击瞬间的动能转化为内能吸 收掉以保护驾驶等人员的安全？作者这里根据具体车体模型建立了保险杠撞击刚性墙的有限元分析 模型，为了节省计算资源和时间成本这里也对保险杠的对称模型进行了简化，详细的撞击模型请参 照图 49 所示，撞击时保

3、险杠分析模型以 2000mm/s 的速度撞击刚性墙，其中分析模型中的保险 杠与平板之间、平板与横梁之间不定义接触，采用焊接进行连接，对于保险杠和刚性墙之间的接触 采用接触对算法来定义。分析模型中各部件的材料参数：刚性墙的材料密度为7.83 X 10-9，弹性模量为2.07 X 105，泊松比为0.28 ;保险杠、平板以及横梁的材料密度为7.83 X 10-9，弹性模量为2.07 X 105，泊松比为0.28，塑性应力应变数据表:210 0.0 300 0.0309314 0.0409 325 0.05 390本例单位制为：ton、mm、s。14.4.30.151 438 0.301 505 0

4、.701 527 0.911. 定义部件（Part ）第一步 启动ABAQUS/CAE，创建一个新的模型数据库，重命名为The crash simulation保存模型为 The crash simulation.cae。第二步通过导入已有的*.IGS文件来创建各个部件，在主菜单中执行【 File】【Import】【Part】命令，选择随书光盘中的bumper_asm.igs 文件，弹出【Create Part From IGSFile】对话框如图50所示，根据图50所示设定Repair Options 和Topology 的相关选项，其 它参数默认，单击【Ok】按钮，可以看到在模型树中显示了

5、导入的部件bumper_asm第三步 从Module 列表中选择 Part，进入Part模块，通过鼠标左键选择模型树中模型Parts（1 ）下面的bumper_asm 部件，并单击鼠标右键选择Copy命令，弹出Part Copy 对话框如图51所示，在 Part Copy 对话框提示区中输入bumper，并在 Copy Options中选择 Separatedisco nn ected regio ns into parts选项，单击【Ok】按钮完成导入几何模型四个部件的分离，这时我们可以看到模型树上模型 Parts （ 1 ）下有五个部件，分别为bumper_asm 、bumper_1 、b

6、umper_2 、bumper_3、和 bumper_4 ，选择 bumper_asm咅B件单击鼠标右键并选择Delete命令删除此部件，此时模型Parts （1 ）下只剩下了四个部件，分别为bumper_1 、bumper_2、bumper_3 、禾口 bumper_4 ，将部件 bumper_1 、bumper_2 、bumper_3 、禾口 bumper_4 分另S 对应更名为 wall （刚性墙）如图51所示、bumper （保险杠）如图52所示、plane （平板）如图 53所示和rail （横梁）如图54所示。图51Part Copy对话框图51部件wall （刚性墙）模型图图52

7、 部件bumpo-（保殓杠）模型图图53 部件plane （平板）模型图图54 部件rail （懂梁）模型劉2. 定义材料属性(Property )第四步 从Module 列表中选择 Property，进入 Property 模块，单击工具箱中 (Create Material )，弹出【Edit Material】对话框，输入材料名称 Material-wall ，执行【General】【Density ，输入材料密度 7.83E-9 ，执行【Mechanical】【Elasticity】【Elastic ,输入弹性模量2.07E3，泊松比0.28，单击【OK 按钮，完成材料 Materia

8、l-wall的定义；继续创建另外一种材料，材料名称为Material-bumper-pla ne-rail (三种材料的参数数据是完全一样的)，执行【General 【Density ,输入材料密度7.83E-9,执行【Mechanical 【Elasticity 【Elastic ,输入弹性模量 2.07E3，泊松比 0.28，执行【Mechanical 【Plasticity 【Plastic ,输入如图55塑性数据，单击【OK 按钮，完成材料 Material-bumper -plane -rail的定义。Tield Stressriwtic Str1210023000,03093314

9、0.04C«432S0 0553900.15164380.301T5050.70105270 9t图55 材料里性救据图表第五步 单击工具箱中 (Create Section ),弹出【Create Section 对话框，如图 56所示，创 建一个名称为Section-wall的均匀壳截面，单击【Continue 按钮，弹出【Edit Section 对话框，如图57所示，在 Shell thickness(壳厚度)文本框内输入1，材料使用 Materialwall ，为了提高运算效率我们选用默认的Simpson积分算法，在壳体厚度方向上布置3个积分点，Section-wall的截

10、面属性参数设置完成后如图57所示；按照上述方法继续创建另外三个截面属性，名称分别为：Section-bumper 、Section-plane、Section-rail，壳体厚度分别为1、2、3，材料使用 Material-bumper -plane -rail，算法选用默认的 Simpson 积分算法，壳体厚度方向上布置 3个积分点。单击工具箱中(Assign Section ),把截面属性Section-wall 、Section-bumper、Section-plane 以及 Section-rail分别赋予部件 wall、部件 bumper、部件plane 和部件 rail。 Crea

11、t e1Section0(1Secticp-wallOSdL 汩鲁i iibIivIOEzO Oth<rTjt疋1 Hon£tn«oustlCoBpos-i le H«ftbr&rLe Surftce| Coati nut . . |,Cuictl图 56 Create Section 对话框 Edit Sect ionMs*： Stcti oa-"walLTyp* 5h«ll / Continue Skills Ho*o(tfL*outSecti an intcrBtion" Curine aiiialirsisl B

12、«far« umlyxi eI.Shell thi clause 1Material:Ua4fi al'vallvCrtate ,.Th.i clontsxrul«SimplonGtux-iThickntis inttcrtlion pcintt:3 ZOptions：Uy«r» ,C OK |Ctnc«l0 57 Edit Section 对话框3. 定义部件装配(Assembly )第六步 从Module 列表中选择 Assembly，进入 Assembly 模块，单击提示区中 (Instanee Part )，在弹出的【

13、Create Instanee 】对话框中依次选中部件 wall、部件bumper、部件plane和部件rail，单击【OK】按钮，创建了各个部件的实例，其中各个实例已经按照默认位置装配完成，各个实例最终装配模型如图49所示。4. 定义网格划分(Mesh)第七步 从Module 列表中选择 Mesh，进入 Mesh 模块，环境栏中 Object选择Part : wall ，单击工具箱中(Seed Part )，弹出【Global Seeds】对话框，输入Approximate globalsize :30 ,其它参数设置选择默认，单击【 OK】按钮，完成种子的设置；单击工具箱中(Assign

14、Mesh Controls ),根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，如图 58所示，Element Shape栏中选择单元形状为Quad ， Technique栏中选择 Free，单击【OK】按钮；单击工具箱中(Assign ElementType)，选择 Explicit、Lin ear、Shell ，即选择四边形减缩壳体单元S4R ；单击工具箱中(Mesh Part )，单击提示区【Yes】按钮，完成部件 wall的网格划分。esh ControlsElement Shape Qu Ad C'-

15、O"iTechni qpieAlgor i thm»cis(.)Structiiradj Advaici ng £r out回Ihiund斗 the 囲wgh trsi ti-onmapptsil ni&ehirt3卫丘1'"卫1玄丄片B-ulTiiple| W |厂沁 5 8 Mesh C ontrals1第八步 从环境栏中 Object选择Part : bumper，单击工具箱中(Seed Part)，弹出【GlobalSeeds】对话框，输入 Approximate global size : 15，其它参数设置选择默认，单击【 O

16、K】按 钮，完成种子的设置，执行【Seed Edge】【Biased】命令，用鼠标左键选择如图59所示左边的两条曲线，选择时鼠标尽量靠近图示箭头指向曲线的一半区域，单击信息提示区的【Done】按钮，在信息提示区输入 Bias ratio ( >=1)： 2.0，回车，输入种子数为20 ,单击【Do ne】按钮；继续执行【Seed Edge】【Biased】命令，用鼠标左键选择如图59所示右边的四条曲线，注意箭头指向方向，单击信息提示区的【Done】按钮，在信息提示区输入Bias ratio(>=1): 3.0，回车，输入种子数为4，单击【Done】按钮完成种子设置。单击工具箱中(A

17、ssign Mesh Controls)，根据信息区提示选择整个部件 bumper，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，设置如图 58所示，单击【OK】按钮。单击工具箱中(AssignElement Type )，选择Explicit、Linear、Shell，即选择四边形减缩壳体单元S4R ；单击工具箱中(Mesh Part )，单击提示区【Yes】按钮，完成部件 bumper的网格划分。ffi 59胡格局祁加密示意图第九步从环境栏中Object选择 Part : plane，单击工具箱中(Seed Part ),弹出【GlobalSeeds】对话框，输入 App

18、roximate global size : 15，其它参数设置选择默认，单击【 OK】按 钮，完成种子的设置；单击工具箱中(Assign Mesh Controls )，根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，设置如图58所示，单击【OK 】按钮；单击工具箱中 (Assign Element Type)，选择 Explicit、Linear、Shell ， 即选择四边形减缩壳体单元S4R ；单击工具箱中(Mesh Part )，单击提示区【Yes】按钮，完成部件plane的网格划分，按照如同部件plane网格

19、划分参数的设定完成部件rail的网格划分。第十步 从环境栏中Object 选择Assembly ，单击工具箱中(Verify Mesh )，框选整个分析模型(包括四个部件)，单击提示区中【Done】按钮，弹出【Verify Mesh】对话框，在 Type栏 中选择 Analysis Checks，单击【Highlight】按钮，可以统计整个分析模型各个实例的网格信 息如下所示： Part instanee:bumper-1 Number of elements : 1518, Analysis errors: 0(0%), Analysiswarnings:0 (0%) Part instan

20、ee:plane-1 Number of elements: 120,Analysis errors: 0 (0%), Analysiswarnings:0 (0%) Part instanee:rail-1 Number of elements : 204, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) Part instanee: wall-1Number of eleme nts : 425, An alysis errors: 0 (0%), An alysis warni ngs: 0 (0%)通过分析模型的网格分析检查所知，各

21、实例模型网格质量没有警告和错误信息。5. 定义接触(Interaction)第步 从Module 列表中选择Interaction ，进入Interaction模块，执行【Interaction】【Property】【Create】命令，或者单击工具箱中(Create InteractionProperty )，在弹出的【Create Interaction Property】对话框中输入接触属性名称IntProp-nofric，Type选择Con tact，单击【Co ntinue】按钮，进入【Edit Con tact Property】对话框，接受该属性的所 有默认设置，定义了一个无摩擦

22、接触属性。第十二步 执行【Tools】【Referenee Point】命令，在图形窗口选择实例wall的任意一个角点，创建一个参考点 RP-1。执行【Tools】【Display Group】【Create】命令，弹出【Create Display Group 】对话框，如图 60 所示，选择 Part instances : bumper-1 ，单击【Replace】按钮，图形窗口界面只显示了实例bumper。执行【Constraint】Create】命令，或者单击工具箱中(Create Constraint ),弹出【Create Constraint】对话框，输入Name : Cons

23、traint-rigid-wall，选择 Type : Rigid body，单击【Continue 】按钮，弹出【Edit Constraint 】对话框，如图 61 所示，Region type 中选择Body (elements ),单击右 部的【Edit】按钮，在图形窗口中选择实例 wall的全部，单击提示区中【 Done】按钮，返回【Edit Constraint】对话框，单击 Reference Point栏中Point后面的【Edit】按钮，在图形 窗口选择参考点 RP-1，返回【Edit Constraint】对话框，单击【OK】按钮，把实例 wall约束 成刚体。團 <

24、iO Ci mLc Display Gi uiifi 对话惬'第十三步 执行【In teraction】【Create】命令，或者单击工具箱中(Create In teraction),在【Create Interaction 】对话框中输入接触名称 Int-wall-bumper，分析步选择Initial ，接触类型选择 Surfacc-to-surface con tact ( Explicit )，单击【Co ntinue】按钮，根据提示区信息选择刚性墙作为主面，单击鼠标中键，根据信息提示区选择Brow n颜色作为刚性墙法向方向，选择从面类型为Surface，运用显示组命令是图形

25、界面只显示实例bumper ，选取整个实例bumper，单击鼠标中键，选择Purple颜色作为保险杠接触的法向方向，单击鼠标中键，弹出【Edit Interaction】对话框，接触属性对话框的各项设置如图62所示，单击【0K】按钮，完成实例刚性墙和保险杠接触关系的设置Naffli e ' I nt -ir all- bvimperSitr ft*-tur f亡亡(Eiepla ci i)ImtiFirstGick«4) ：Ed4ig 二KiriMtitle coniket niwlhodS«cond surCPick«d)世転 I Ry iM«

26、ch«xnLctLl constraintSlidifLg £»14iti4£L： C)- Pirn t* sli 巨;slidLifLgar «ne«No t speci. £1 «dCent set i nt«r*et i era. property iTitPri&p-niofri cv |Cr««t«音庖口宅 fuff tor (J) Vs« uib<ly£i£ d« fault G S*ci fyCente

27、71;nlralx： Q)*iffeult)y图 62Edit TnteracUon 对话框*注释：这里对实例 wall施加刚体约束，是因为部件wall是从外部导入的几何模型，不能实现部件类型从Deformable 至U Discrete rigid 或者 Analyticalrigid 的转变，这里只能运用【Constraint】【Rigid body】的命令实现刚性墙的建立，否则就要自己从新在ABAQUS/CAE界面下从新建立刚性墙(类型选择Discrete rigid 或者An alytical rigid )。第十四步 执行【Constraint】【Create】命令，或者单击工具箱中

28、(Create Constraint ),弹出【Create Constraint 】对话框，输入 Name : Constraint-plane-bumper，选择 Type :Tie，单击【Continue】按钮，选择主面类型为Surface，根据提示区信息选择如图53的“与部件bumper Tie区域"作为主面，并选择Purple 颜色作为平板接触的法向方向，单击鼠标中键，完成主面定义；根据提示区信息选择从面类型为Surface，选择如图52的“与部件planeEditTie区域”作为从面，并选择 Brown颜色作为保险杠接触法向方向，单击鼠标中键，弹出【Constraint】

29、对话框，各参数设定如图63所示，单击【OK】按钮，完成实例plane和实例bumper之间的焊接设定图 63 Edit Constraint 对话框第十五步按照第十四步的方法设定实例plane和实例rail之间的焊接。执行【Constraint】【Create 】命令，弹出【Create Constraint 】对话框，输入Name : Constraint-plane-rail ，选择Type : Tie，单击【Continue】按钮，选择主面类型为Surface，根据提示区信息选择如图53的“与部件rail Tie区域"作为主面，并选择Brown颜色作为平板接触法向方向，单击鼠标

30、中键，完成主面定义；根据提示区信息选择从面类型为Surface，选择如图54的“与部件planeTie区域”作为从面，并选择 Purple 颜色作为横梁接触的法向方向，单击鼠标中键，弹出【 Edit Constraint】对话框，如图 63所示，在 Specify distanee后面的文本框内输入5.0，单击【OK】按钮，完成实例plane和实例rail之间的焊接设定。6. 定义分析步(Step)第十六步 从Module列表中选择Step，进入Step模块，单击工具箱中(Create Step )，弹出【Create Step】对话框，输入分析步名称为Step-crash ，选择分析步类型为

31、Ge neral :Dynamic ， Explicit ，单击【Continue】按钮，进入【Edit Step】对话框，输入分析步描述Description: the crash simulation of bumper to wall，分析步 Time period : 0.01，单击【OK】按钮，完成一个动态显式分析步定义，其中选项Nlgeom 默认为ON。第十七步 执行【Output】【Restart Requests 】命令，弹出【Edit Restart Requests 】对话框，如图64所示，勾选Overlay 和Time Marks下面的复选框，单击【OK】按钮，完成创建重

32、启动要求圈巧4Edit Restart Requests 对话框注释：重启动的创建对于复杂模型的计算模拟以及需要不断试算的项目来说，是及其方便的并能节 省大量的计算成本和时间，其可以避免因外界不可抗拒因素等（例如：停电，计算机本身原因等 等）所造成的不必要损失，而对于阶段性进行试算的项目其也是一个不错的选择。第十八步执行【Output】【Field Output Requests】【Manager】命令，弹出【FieldOutput RequestsManager 】 对话框，单击【Edit 】 按钮，进入【Edit Field OutputRequest 】对话框，设置 Domain : W

33、hole model ， Frequency : Every spaced time intervals ， Interval : 20， Timing : Output at approximate times ， Output Variables : CFORCE,LE,S,U ，单击【OK】按钮，单击【Dismiss】按钮，退出【Field Output Requests Manager】对话框。第十九步 执行【Output】【History Output Requests】【Manager】命令，弹出【History Output RequestsManager 】对话框，单击【 Ed

34、it 】按钮，进入【Edit HistoryOutput Request 】 对话框，设置 Domain : Whole model ， Frequency : Every spaced time intervals ， Interval : 200 ，Timing : Output at approximate times ， Output Variables : ALLIE,ALLKE,ETOTAL ，单击【OK】按钮，单击【Dismiss】按钮，退出【History Output Requests Man ager】对话框，完成分析结果数据输出的设定。第二十步为速度场的施加创建一个类型为

35、Geometry 的集合，执行【Tools】【Set】Create】命令，弹出【Create Set】对话框，输入集合名称：Set-velocity ， Type默认为Geometry，单击【Continue 】按钮，进入图形窗口选择包括实例bumper、实例plane 和实例rail的全部几何特征，完成集合Set-velocity的创建。7.定义边界条件与载荷(Load)第二步 从Module 列表中选择Load，进入Load模块，执行【BC】Create】命令，或者单击工具箱中 (Create Bou ndaryCon ditio n ),在弹出的Create Bou ndaryCondi

36、tion】对话框中输入边界条件名称BC-fixed-wall , Step选择Initial ，边界条件类型选择Displacement/Rotation，单击Continue】按钮，选择实例 wall上的参考点 RP-1，单击信息提示区Done】按钮，在Edit BoundaryCondition】对话框中选中 U1UR3前面所有的复选框，单击OK】按钮，完成了实例 wall的约束施加。第二十二步 继续按照上述步骤创建一个新的边界条件，名称BC-symm-bumper , Step选择初始步 Initial ，在对话框中选择Mechanical : Symmetry/Antisymmetry

37、/Encastre，单击Continue】按钮，在弹出的Region Selection】对话框中选择实例bumper对称边界线如图66所示，单击Continue】按钮，在Edit BoundaryCondition】对话框中选中YSYMM前面的复选框，单击OK】按钮，完成实例bumper对称边界条件的施加。第二十三步执行PredefinedField】Create】命令，或者单击工具箱中(Create PredefinedField ),在弹出的Create Predefined Field 】对话框中输入名称 Predefined Field-velocity , Step 选择初始步In

38、itial , Category 选择 Mechanical , Types for Selected Step 选择Velocity，单击Continue】按钮，单击底部信息提示区后面的Sets】按钮，弹出RegionSelection】对话框，选择 Set-velocity 集合，单击Continue】按钮，进入Edit Predefined Field 】对话框，选择 Translationalonly (只有平动)，输入 V1 : -2.0 , V2 :0.0 , V3 : 0.0，单击OK】按钮，完成保险杠模型速度场的定义如图65所示。ij圏65迦界条件约束和遠度场施加模型圏，详细案

39、例可以参考 forums.cae 8.定义分析作业（Job ）第二十四步 执行【Job】Create】命令，或者单击工具箱中，在弹出对话框中输入作业名称 Job-crash , Source 选择 Model : mobile-1 ，单击Continue 】按钮，在Edit Job 】对 话框中输入对作业的描述 Description : the crash simulation ，作业类型为 Full analysis , 切换到“ Memory "选项卡，根据计算机的实际内存来设置An alysis In put File Processormemory 和 ABAQUS/Sta

40、ndard memory cap 的数值（作者本人全设定为400 ）。单击OK】按钮，完成作业定义。单击 Submit】按钮提交作业，作业计算完成后单击JobManager】对话框中的Results】按钮进入 Visualization 模块。9.结果分析和处理 （Visualizati on）第二十五步执行Plot】Con tours】On Deformed Shape 】命令，或者单击工具箱中，显示模型变形后的 Mises应力云图，执行View】ODB Display Options】命令，弹出ODB DisplayOptions 】对话框，切换到“ Mirror/pattern"选项卡，Mirror Planes 选中XZ坐标平面，单击Apply】按钮，显示了整个保险杠模型和刚性墙碰撞瞬间（0.01s ）的Mises应力云图如图66所示。+ 4 -+4.235e+02 +1B 03巧芒Oi +3B<73e+0H + 1.093 =+ 01 +2.70C&+01 + 2.3 23e+0a + l.B94Ci + 01 +丄亍予予总十口工 +1.173e+01 +