引入工艺因素的汽车车身部件碰撞仿真分析

1、第27卷第2期2006年6月Vol. 27 No. 2J une 2006固体力学学报ACTA MECHANICA SOL IDA SINICA引入工艺因素的汽车车身部件碰撞仿真分析'胡 平 鲍益东 胡斯側 郎志奎 靳春宇 龚科家（古林大学汽车动态模拟国家垂点实验室古林大学车身与模具匸程研究所长春.130025）摘要采用自主开发的岛效快速的逆成形有限元分析方法和网格映射技术. 并与碰撞仿真技术相结合提出了引入匸艺因素、又保证设计周期、提商碰撞仿真精度的汽午牟身及部件“精细” 仿真分析方法.以某轿午中的主要碰撞承载和吸能部件左前纵梁为例採用一步逆算有限元法和L S2D YNA软件 对其进

2、行基于引入工艺閃素的碰担仿真分析.结果表明：为了提商碰撞分析的精度在汽午午身碰捶仿真中需婆 采用考虑冲压成形效应的碰撞分析方法其中影响程度最大的因素是等效塑性应变.矢键词逆成形有限元法网格映射技术引入I：艺因素的碰撞分析0引言汽车碰撞的计算机仿真是汽车碰撞安全性设计 与改进的重要方法和手段汽车碰撞安全性研究可 分为整车碰撞和零部件总成碰撞.由于整车碰撞仿 真分析的工作量巨大，所以在实际的应用中，常常 采用的简化方法是对汽车车体的主要碰撞吸能结 构进行仿真，为设计提供依据，因此汽车部件碰撞 仿真是整个汽车碰撞安全性仿真研究的基础山汽车发生 前碰撞时为了保护车内乘员的安全，根据汽车碰 撞损伤机理可

3、知车辆需要具备的基本特征是：（1）要保 证乘员足够的生存空间，即乘坐室不应发生过大的 碰撞变形（包括车轮、发动机、变速箱等刚性部件不 得侵入驾驶室）（2）除乘坐室以外的车体结构部分 （前碰撞时为前部结构，后碰撞时为后部结构）则应 尽可能多地变形以合理地吸收撞击能量，使得作 用于乘员身体上的力和加速度值不超过人体的耐 仿貞分析产生误差.所谓引入工艺因素的汽车零部 件碰撞仿真分析技术就是指在碰撞仿真中引入制造 过程（主要指冲压过程）对材料性能影响的碰撞仿真 分析技术采用引入工艺因素的碰撞仿真分析 方法对保证碰撞仿貞的精度及准确性是必要的.尤 北对于未来轿车车身的轻量化设讣，工艺因素影响 的重要性将

4、更加不可忽视.近年来.工业界的需求引起国际学术界对这一 问题的重视韩国国家科学技术研究院的Huh教授领导的研究小组.配合现代汽车公司较早地开展了 受极限.为了使汽车达到上述特性，需要将汽车车身 前部 的一些部件（如前边梁）设汁成主要的吸能部 件，用以吸收碰撞所产生的动能以确保乘员的安全.由于计算手段的缺乏造成设计周期过长，对于 90 %以上的车体由冲压件构成的轿车车身而言，常 规的碰撞分析都忽略了部件工艺特性，如：由于冲压 变形导致的厚度不均匀性和卸载产生的残余应力和 应变等，这与实际情况存在着差异，会导致碰撞这方而的工作,9-101.他们采用动力显式有限元软 件L S2Dyna3D对轿车前边

5、梁先进行冲压分析， 进而再做碰撞仿真分析，给岀了合理的吸能曲 线.然而，由于数百个冲压件依次做此种双重分 析，计算机的耗时将是惊人的，会大大延长车身 详细设计阶段的设计周期，因此，他们的研究工 作在实际的工业应用上不具备可行性.本文采用自主开发的高效快速的逆成形有限 元分析方法和网格映射技术，并与碰撞仿真技术 相结 合，提出了能够保证设计周期、提高碰撞仿真 精度的汽车车身及部件“精细”仿真分析方法.文中介绍了汽车碰撞仿真分析的基本理论- 步逆成形有限元方法；然后分别介绍了独立研制的 在引入工艺因素的"精纽I”碰撞仿真分析过程中所涉 及到几个关键技术:部件冲压方向的确定、几何翻边3国家

6、杰出青年基金（10125208）.国家自然科学星金垂点项目 19832020）.国家汽车电子产业化垂大专项（2OM-2563）以及吉林大学 “985”汽车匸程创新平台基金的联合资助.2005206209收到第】稿.2005211216收到修改稿.(12?展开和物理量的快速映射算法；最后以某汽车中的 主要碰撞吸能部件左前边梁为例进行了引入工艺因 素的碰撞仿真，冲压成形过程采用自主开发的商品 化一步逆成形有限元法软件KMAS/ One2step ,而 碰撞仿真分析过程则采用LS2DYNA软件Z，并在此基础上 总结岀基于一步逆成形有限元法引入工艺因素的 汽车零部件碰撞仿真的基本过程.触摩擦菲线性这类

7、三重非线性问题.将感兴趣的时 间域10.TJ分成许多子域,/A.i, t, 1( i= ,2, N),于是形成这些子域的时刻，“，a ,r.v.假设时刻的解是已知的.那么从f”时刻的解就可以求 出/时刻的解.两个时刻之间的时间差称为步长， 记做 2 为了方便起见.将/-.id做/ ,而将记 做z由于接触体系在rc.u时刻的状态都是已 知的，其中任何一个状态都可作为参考状态去求下 一状态的解如果用初始状态作为参考状态.这种求 解方法被称为全量拉格朗日列式法；将最新已知状 态作为参考状态.这种求解方法被称为增量拉格朗 日列式法.在汽车碰撞过程计算机仿負中广泛应用 的是增量拉格朗日列式法.由于在c时

8、刻系统位移是已知的.所以0是已1基本理论与算法1.1碰撞仿真理论简述时刻有一虚位移九作用于接触体系对应虚位移它们分别由下式计算F=金曲F<=G dS(10)(W)汽车碰撞是一个瞬态的复杂物理过程，它包含 以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性，以 材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触 摩擦为特征的边界非线性描述汽车碰撞过程的众 °多变量不仅是空间坐标变量的复杂函数，同时也 是时间变蜀的复杂函数.汽车碰撞过程的仿真都 是基于有限元方法的空间域离散技术和基于有限 差分法的时间域离散技术.轿车车身中的大部分零 部件都是采用金属薄板冲压而成的，通常用壳体 单元就能较好地描述

9、其变形特性时间域的离散技术采用中 °心差分法，通过该方法可以通过将质量矩阵对角 化0而避免求解联立方程组从而获得所谓的显式仿 真算法.汽车碰撞过程可以看作一个多物体接触碰撞系 统.要解决这类接触问题可用如下公式描述假设在比的虚应变记做嘟纟做的虚功沖)知的,T也为已知，所以式(5丿都是在已知区域上 积分应用有限元法对积分域和进行藹散可得e=BU“ =QU式中B为应变位移矩阵:Q为位移插值矩阵.°°将式和代入式可得(<5WT (rF - rF - F, + F J = 0式中OU为虚位移/F为内力矢量JF为外力矢疑;F为接触力矢量,厂为惯性力矢量.如果所有给上外

10、力即体力lb和边界力万均与变形 无关,那么外力做的虚功3W,为在有限元法中加速度场也可以通过插值方法获得.av«= £ '叭皿 + 帀"皿慣接触力做的虚功dwdVc = $ 冷-dib1 N、dS a 惯性力做的虚功创力为.的二.£卩肋 Midi?即有t卜IaQA将式（13丿代入式（12丿可得（0= Q'pQd A = M A （14） 禅冏嫗溺帥赠由于虚位移场的任意性式卜必=:F +rF -rF(16)E0根据虚功原理有田6iy$ - cWk - dWc - 6U0 = 0（5）为了求解上述包含着几何非线性、材料非线性和接rF- rF

11、-rF +'F =0(15丿将式（14丿代入式（15丿并经整理得 150固体力学学报2006年第27卷在汽车碰撞过程中很多零部件会与其他零部件或外 用二6(仇) =0(18丿界障碍物发生接触摩擦作用，这种接触摩擦 作用是导致汽车零部件变形和失效的主要原因.精 确汁算接触界而上的法向碰撞力和切线摩擦力是保 证汽车碰撞过程计算机仿貞结果可靠性的一个重要式中=y3 y3 W3，仃=.2.3丿 以及*二已知(（23）前提.在处理接触界而 的汁算问题中有两个基本问题需要解决.第一个 问题就是确立任意时刻汽车碰撞系统中全部的接 触碰撞界面，它对应的是接触界而的搜寻问题，第 二个问题就是确立接触碰撞

12、界而 上接触碰撞力 的大小和方向，它对应的是在接触约朿条件下接 触力的计算问题除了上述基本的理论和方法问 题外汽车碰撞还涉及到很多其他仿真问题，如 特殊单元和模型等.1.2 步逆成形有限元法的基本方程从轿车车身部件产品的形状C岀发，将其作为变形终了时工件的中面通过有限元方法确左在满 足一泄的边界条件下工件中各个节点P在初始平 板毛坯X中的位宜0比较平板毛坯和工件中点的位置可得到工件中应变，应力和厚度的分布.如 图1所示.在本文的 有限元列式中，釆用了三角形单元和四边 形单元 的混合模型，以适应复杂的工具和压料而形状. 由(18丿式建立的有限元方程为K(U)U= FfU(20)式中/ K( U)

13、 /为刚度矩阵,F Uf为载荷项两者都是 位移的函数因此，上式为非线性方程组通常采用 带收敛因子的Newton2Raphson迭代算法求解.假 定外力与内力的差值为则迭代格式为I Ky(U') DU'/ = R( J)(21) =Ull gbu(22丿式中o为迭代收敛因子.1 Kf(U)l为第i步迭代的 j切线刚度矩阵在全局坐标下可以写为图I 一步逆成形有限元方法示总:图假左板料的弹塑性大变形满足塑性变形体积不 可压缩条件，并且其变形过程是比例加载的进一步 将模具的作用表现为非均匀的冲头法向压力、冲头、 拉深筋和压边圈下的摩擦力.在已知的变形终态构形上采用虚功原理建立如 下平衡

14、方程切线刚度矩阵I Kt(ul)i采用对残余力向进行摄动的有限中心差分方法求解.1.3冲压方向的确定由于在碰撞分析中汽车零部件所在的坐标系为 汽车车身坐标系所以在对汽车零部件进行一步逆 成形分析前必须先确宦出它的冲压方向.确左冲压 方向就是确左零件在模具中的三个坐标的位 豐冲巫方I強择是否合理J宜接彫响到冲压件VV = 6 広八ZPdV =0(17) 式中間/和/ if 为虚应变和虚位移；何为 Cauchy应力./为由工具与板料之间的相互作用 力以及摩擦阻力等产生的等效节点力.假泄在“初始”或 呻间”构形下的廿点虚位移为 U3 .V3 JV3，可以推岀 的质量和模具结构的复杂程度冲压方向的确怎

15、方 法有人工和自动两种对一些相对比较容易观察的 冲压件本文采取人工的方法来确上其冲压方向，而 对于那些比较复杂的冲压件本文先采用人工的方 法大概确左一个冲压方向，然后再采用自动的方法 进行修正.1.4几何翻边展开算法由于车身部件在产品设计产生的三维数模模型 中，其边界上大都存在翻边甚至存在卷边这就需要 先将零件的翻边和卷边进行几何展开然后才能进 行一步逆成形模拟汁算.如果设讣人员手工选取零 件边界上的翻边单元然后再进行几何展开势必会 使操作变得非常繁琐而且容易出错.为了缩短翻边 几何展开的操作时间，提出了一种基于有限元网格 的翻边几何展开算法.首先以冲压方向作为参考方向，计算出零件上第2期胡平

16、等：引入工艺因素的汽车车身部件碰撞仿真分析 151的单元法向咼并与冲压方向进行比较.由于翻边单 元一般都为负角或者接近90°，因此可以快速地自 动识别出零件上的翻边单元和参考单元同时进行标 识，接下来对每个翻边单元中所包含的肖点进行翻 边几何展开操作.采用三维图形的旋转变换对节点P绕轴AB 旋转角度&后得到新点P3 设旋转轴AB由点 A （Xa.ya.Za）及其方向数C丿定义，节点P原 来的坐标为ZP丿几何翻边展开 后为P3 2 "3.3力则有公式IX3 y 3 z3 1 / = / xPyPZp 1 / Ri. （24）式中 RahTgRRRRiy 单独提取图2

17、是以B （心，. 绕X轴旋转 绕Z轴转 到原点的位星图2节点鋪边展开为了描述方便，以下就选取右点P的翻边几何 展开为例如图2所示根据上一步骤所作的标识对 识别出的翻边单元AB P与参考单元A BCD中所包 含的肖点进行二次标识并比较这两类单元，判断这 些节点是否在同一单元内就可以识别岀各段旋转 轴图2中翻边单元AB P与参考单元ABCD公共 肖点A和B即为旋转轴的节点.然后建立以下两个 对应关系为后续计算提供信息.为了计算旋转角度 0.需要建立旋转轴A B与所在的参考单元A BCD 的对应关系.为了找到参考点A （或Q、方向向量 A 8 .需要建立翻边右点P与对应的旋转轴A B的对 应关系根据

18、自动识别所得到的信息分别计算出翻图3旋转矩阵边节点P对应的旋转轴AB的参考点4 （或、方 向向量AB以及节点绕旋转轴所需要转动的角度& 从图2中可以看出翻边节点P绕旋转轴所需转动 的角度&即为翻边右点和旋转轴所在平而的法向疑 与旋转轴所在参考单元的法向量之间的夹角.在翻 边右点P绕旋转轴转动时还涉及到旋转轴方向与 旋转角度的互相匹配问题如果汁算岀的旋转轴方 向与实际相反，那么该肖点的翻边几何展开就会产 生错误如图2中所示旋转角度0与旋转轴A B是 互相匹配的，而与BA则正好相反为了解决这一问标系中的方向数仍为（心b. c> 有10000100Tb =0010(25丿-yb

19、Zb1其中几何变换矩阵分别如下；使坐标原点平移到B点那么AB在新坐平而ABA绕X轴旋转a角o是在 "Z平而上的投影A与Z轴的夹角故有n0 - siixx co so 0 0 00R. =1cosa sina 00 0 00/ v c/ v 0(26)to/ v h/ v 0题，文中利用参考单元拓扑信息进行判断因 单元ABCD与翻边单元ABP的公共边界为AB.节点A和节点B在参考单元ABCD中的排序为A 到艮所以翻边节点P所对应的旋转轴应该为AEh 000 I经旋转a角后，B4就在XOZ平而上了.其中v =If + c , co sce=</v, sin<z= c/v.再让

20、/M绕丫轴旋转”角与Z轴重合此时从Z轴往原点看角是顺时针方向故“角取负 152固体力学学报2006年第27卷值，故有u = BA=(27)因B/V为单位矢量，故u=l.所以cov/ U = V 9 sirv®= a/ u = - a. 采用了一种与上述过程相反的映射方向即将碰撞 分析网格节点投影到一步逆成形网格单元上.使映 射关系成为一对一映射，能够降低算法的整体处理 数据量，减少存储空间和运算时间的消耗.实际上.co $ 0- sirv? 0v0“0 彳0 1 00八? 0cog00 01一0 10 0-“ 0V 0R.=000，一般都先将工艺孔补上1(28丿网格后再 进行汁算，返

21、回物理量信息时工艺孔处的物理量 值并不返回.所以当碰撞分析的零件上有工艺孔 时,选择该映射方向还可以避免一步逆成形的网 格节点找不到零件上对应映射单元的情况发生.确泄了映射方向后，就可以从碰撞分析网格的 第一个节点开始循环，逐一沿节点法线方向或者负 法线方向寻找冲压件网格中的单元建立零件网格单 元和冲压件网格节点的映射集合如图4所示，假设换后，卩绕AB旋转变为在 旋转&角了 那么有(4丿经以上三步变 新坐标系中"绕Z轴codsin& 00-sin&cos9 00R =(29)00 1000 01求T八R、R的逆矩阵.依据以上得到的参考信息(旋转轴的参考点A (

22、或3丿、方向iWab和旋转角度创可得到翻边节 点P所对应的旋转矩阵IU最后根据式(24丿就可 以讣算出几何翻边后的节点严的坐标.1.5物理量映射算法一般情况下，由于碰撞分析采用的是最终零件 的有限元网格，所以其网格与在一步逆成形中所采 用的有限元网格不同.而且前者的网格要比后者稀 疏.因此为了使在碰撞分析中能够考虑冲压成形结 果的影响.需要将冲压成形后单元处的厚度和等效 应变、应力等物理量从一步逆成形中映射到碰撞分 析中的有限元网格节点上.这个物理量的转换过程 被称为物理量的映射算法即为一种从一步逆成形 图中箭头所指的方向为一步成形网格节点的映 射的投影方向那么一步逆成形网格中的卩点心 的细网

23、格到碰撞分析中的粗网格之间物理量的转换 方法.利用该方法可以合理地将一步逆成形法所预 示出冲压件上的物理量分布转换到碰撞分析的有限 元模型中.本文提出一种基于有限元网格的髙效快 速的物理量映射算法，着重阐述了该算法中的两个 关键点映射方向的选择和映射单元的精确定位.1. 5. 1选择映射方向由于碰撞分析网格相对于一 步成形网格来说要稀疏.如果采用的映射方向是从一步逆成形网格到 碰撞分析网格，多对一映射的拓扑关系非常复杂，会 产生数据处理存储量大、算法效率低等缺点.另一个 方而 一步逆成形计算的结果为单元物理量而碰撞 分析所需的为肖点物理疑考虑上而两个因素本文在碰撞分析网格上所对应的映射单元是&

24、#163;：.图4映射方向1. 5. 2寻找映射单元精确左位映射单元的过程可分成全局搜索和局部搜索两个步骤.在进行零件网格中某一个节点 和一步逆成形网格所有单元求交il算之前先进 行全局搜索，确左需要局部求交单元的范国这样 就可以大大地提高立位映射单元算法的求交效 率所以确泄零件网格卩点在一步逆成形网格 中局部求交单元的范用是算法的关键.采用划分 空间格的思想来进行全局搜索具体做法如下针对整个一步逆成形网格建立一个空间包围 盒.划分空间格，空间格的最小尺寸必须大于最大 单元的包国盒，建立一步逆成形网格单元与空间 格的拓扑关系；根据零件网格中节点坐标判断所 在的空间格，寻找映射单元的全局搜索过程

25、是建 立在构造空间格的基础上的对于每一个曲面，求 出包帀它的一个空间盒再根据误差范囤把该 空间盒扩大.对于扩大后的空间盒.按照给左的 尺寸在X. Y. Z三个方向分别作第2期胡平等：引入工艺因素的汽车车身部件碰撞仿真分析 153 2引入工艺因素的左前边梁碰撞仿真等分处 理然后在每一个方向上由这些分点作平行于另 一个坐标而的等距平而，这样把整个大的空间盒 分割成若干个空间格.假设在X, F,Z方向分别 分了份大的空间盒的最下角坐标为Xmia, Vrnin , Znun ,最上角坐标为 Xmux 9 Vinax , Zmax .然后对 空间格进行排号假设按照先x方向再丫方向最 后Z方向来排号，则大

26、的空间盒中的任一点所在的 空间格的编号可以通过下式计算出来U山 XN、+Zmax - ZminXN * X - mn(30丿汽车发生前碰撞时,汽车的前边梁是最主要的 碰撞承载和吸能部件，因此汽车前边梁的碰撞性能 对整车的碰撞性能具有决定性的影响；另一方而,汽 车前边梁是通过冲压的方法加工而成的所以为了 提高其碰撞分析结果的精度必须考虑冲压成形效应 对碰撞仿真分析的影响.由于汽车的前边梁分为左右对称两个部分所以取左(或右丿前边梁进行碰撞 仿真分析即可.Vmax Vmin.Vmix -Vmin x其中/ /表示取整运算空间格总个数为N=心X N、XN-从上式可以看到，对于零件网格中的任一 节点它在

27、冲压件网格上的映射石点都能通过式 (30丿的运算直接把它龙位在某一个小的空间格内.从图5中我们可以得岀空间格和曲而网格单元 的拓扑关系这样要搜索零件网格盯点在一步逆成 形网格上的映射单元的搜索范国就从搜索整个曲面 上的单元缩减为只要搜索空间格内的网格单元即可.文献/ 9/釆用增量算法和碰撞仿真软件对韩国 行的局部搜索中采用了弧长法.基本处理过程就是 对所有的空间格内的单元循环，精确判断投影点落 在哪个单元内，返回单元号，如果在相关包用盒内不 能找到精确龙位单元也把这个节点加入到物理量 映射算法的例外集合中，进行进一步的处理.由于汁 算误差等原因，可能会造成零件上某些节点找不到 一步逆成形上的映

28、射单元.如果不进行处理.一旦出 现这种情况就会导致整个程序的计算失败.采用一 种用近似值替代的方法进行处理.如果在第一次搜 索没有找到映射单元那么就在其映射的空间格内 找一个与精确值最接近的单元来替代，实践证明这 种方法是可行的,产生的误差可以忽略不计.在全局搜索中确泄了局部求交单元范围之后进 154 固体力学学报2006年第27卷现代汽车公司某车型的前边梁进行了类似的引入 厚度和应变非均匀分布的碰撞分析（如图6所 示丿，并与韩国现代汽车车身部的实验结果进行 了对比.他们发现引入这种工艺因素的碰撞分 析比常规方法提髙分析精度30%<a）分析模型<b）正建擔后的构却图6文/9/的前边

29、梁碰撞分析结果由于文/ 9 /的做法在实际的工业应用中计算 工 作量巨大而难以被工业界真正采用本文从 说明问题的角度出发，以某国产新车型的左前边 梁为例阐述采用一步快速逆成形方法引入工艺 因素的工业应用可行性.大多数汽车外覆盖件具有浅拉延特征.基于 形变理论比例加载路径假设的一步逆成形方法. 其模拟精度与基于增量理论的有限元法比较 大多能够满足工业应用的精度要求，但前者的 仿真效率却远远髙于后者，这是本文方法能够 真正用于车身详细 设计阶段进行精细碰撞仿真 分析的关键.即使对于深拉延件，一步逆算法达 不到增量算法的模拟稱度，但是，其模拟的力学量 的分布趋势仍然是合理的.图7和表1给出某轿 车行

30、李箱盖板分别采用本文的一步逆成形方法 和自主开发的基于增量理论的商品化冲压仿真分 析软件KMAS/ increment得到的关键 部位的 厚度分布及与实验测左结果的比较.结果表明本文的快速仿貞分析方法能够取得满意的结果.模拟，并将零件的单元厚度、等效应变等计算结果输 岀，作为后续引入工艺因素的碰撞分析中物理量映 射算法的初始条件.<a)采用本文一步逆算法得到的棋拟结果(b采用KMAS/incremenc算法得列的获拟结果为了提髙冲压成形过程的模拟精度一步逆成 形 所采用的有限元网格为细网格，即对零件圆角区 域的曲面都采用比较多的有限元单元进行描述而 且根据冲压过程的实际工况把零件中的所有

31、工艺孔 都给去掉了如图8所示汽车左前边梁由内板和外 板两个部件构成图中边梁外板的单元总数为 12 793 .竹点总数为12 944 ；边梁内板的单元总数 为12 074,节点总数为12 300.图7两种有限元方法的仿真结果比较表1行李箱盖板特殊点处的厚度分布比较名称ABCD一步逆成形模拟0. 8890. 8910. 8920. 866増虽算法模拟结果0. 8670. 8840. 8930. 865实验值0. 890. 8960. 870. 854以下介绍的精细碰撞仿真分析过程具有普遍 性首先，用一步逆成形有限元法对其中包含的两个 部件分别进行冲压过程的模拟计算,然后将一步逆 成形的计算出的厚度

32、与等效应变分布映射到碰撞分 析的有限元模型上再采用LS2DYNA软件对左前 边梁进行引入工艺因素的碰撞仿真分析.2. 1左前边梁冲压过程的一步逆成形仿真左前边梁冲压过程的一步逆成形仿真分为两个 步骤第一步为有限元数据准备过程.该步骤的主要 任务就是要通过一系列操作将左前边梁的CAD几 何数据转换成一步逆成形仿真的讣算数据.第二步 为一步逆成形讣算过程.在该步骤中主要目的就是 采用一步逆成形法对左前边梁的冲压成形过程进行图8左前边梁一步逆成形的有限元模型在汽车车身设计中所采用的是汽车车身坐标 系，一般情况下车身坐标系和冲压坐标系是不重合 的，所以在进行一步逆成形模拟前需要将边梁的内 外板分别变换

33、到各自的冲压坐标系下.由于该边梁 的两个制件冲压方向比较容易确圧，所以在这里我 们采用人工的方法来确左其冲压位置如图8,对边 梁外板来说其坐标变换为绕X轴负向旋转90。；对 边梁内板来说其坐标变换为绕X轴正向旋转90° 通过这两次旋转操作，该边梁的内外板就可以准确第2期胡平等：引入工艺因素的汽车车身部件碰撞仿真分析 155地变换到各自的冲压位置将各自的有限元模型导 入KMAS/ Top前处理软件中分別进行一步逆成形仿貞的前处理操作冲 压板材都为BH210/340,板厚z = 2.0 mm 材料冲 压性能参数为:屈服强度7=210 MPa，加工硬化指 一 碰撞分析的有限元网格比一步逆成

34、形的有限元 网格要稀疏；第二，碰撞分析的模型为零件构形，模 型中存在许多工艺孔，而一步逆成形的有限元模型数 n = 0.18 ,各向异性系数r= 1. 80，硬化系数K = 582 MPa.釆用同一台Pentium4计算机(CPU :2.8 GHz,内存512 MB)分别对 前边梁的外板和内板进行一步逆成形有限元计 算，其所消耗的CPU时间分别 为29.39 s和31. 54 s.计算完成后，程序自动输岀一个包含单元厚 度以及单元沿厚向三个高斯积分点处(0 , ±0.774 6) 的等效应变的文件，该文件作为下一步物理量映 射算法的初始条件.2.2左前边梁碰撞仿真分析图9为汽车左前边

35、梁的碰撞分析所用的有限元 模型，整个有限元模型壳单元总数为8 175 .肖点总 数为8 403.汽车左前边梁由内板和外板两个部件构 成，每个部件的单元总数和右点总数都分别在图9 中标记.图9左前边梁碰撞分析有限元模型前边姪内板 单元总数：4 026 节点总数，4 165由于碰撞分析的有限元模型和一步逆成形所采 用的有限元模型不同，其中最主要的区别有两点:第 156固体力学学报2006年第27卷中不存在工艺孔.因此在进行碰撞分析前需要将 一步逆成形计算结果中的厚度分布和等效应变分 布映射到碰撞分析的有限元模型中.在物理量映 射算法开始前，需要将一步逆成形的有限元模 型从冲压坐标系下的当前位置转换

36、到车身坐标 系下的初始位置.其具体的变换操作为前而确龙 冲压方向的逆变换即对边梁外板来说其坐标变 换为绕X轴正向旋 转90。；对边梁内板来说英 坐标变换为绕X轴负向旋转疔坐标变换后，一 步逆成形的模型和碰撞分析的模型就重叠在一 起了，于是就可以分别对边梁 内板和外板的厚 度和等效应变进行映射计算.图10为左前边梁外板和内板映射前后的厚 度 分布图从图中可以看出映射后的厚度分布 与映射前的厚度分布基本一致，符合计算要求. 为了进一步验证映射算法的准确性，分别取边梁 外板和内板的一些关键部位测量映射前后的厚 度值并进行比较，图10中箭头所指部位为具体测 量点的位置.表2为映射前后关键点厚度值比较

37、结果从表中数据可以很容易看出映射结果非 常精确.采用同样的映射方 法，同样也可以将一 步逆成形计算的等效应变映射到碰撞分析的有限 元模型中.值得注意的是，由于一步逆成形计算结 果中每个单元沿厚度方向三个高斯积分点都有不 同的等效应变，所以映射后碰撞分析 有限元模型 相应的单元沿厚度方向的三个髙斯积分点处也有 不同的等效应变.边梁外板边梁内板图10左前边梁厚度映射表2映射前后矢键点的厚度比较测S点1 23456789一步逆成形厚度/ mm2. 072. 061. 812.041.911.921.891.902.02映射后的厚度/ mm2. 052. 041. 822.031.911.931.88

38、1.892.03经过上述物理量映射计算后，程序对边梁的内板和外板分别自动生成各自的包含所有单元的节点厚度和等效应变的LS2DYNA计算数据汽车左前 边梁碰撞仿真分析的初始边界条件如图11所示边梁的后部加上固圧约朿，前端与一运 动刚体发生正而碰撞该刚体的质量为300kg 其初 始速度Vol5. 64m/s.左前边梁的外板和内板之 间用点焊进行连接.左前边梁的碰撞仿 貞考虑了冲压成形结果的影响，而冲压成形过程仿 真采用了一步逆成形法引入工艺因素的碰撞仿真 结果与未考虑冲压成形结果影响的常规碰撞仿真 结果进行比较，引入工艺因素的 碰撞仿真分为三 种情况：第一 仅考虑单元节点厚度影响；第二仅 考虑单元

39、等效应变的影响；第三，同时考虑单元肖 点厚度和等效应变的影响.整个碰撞的时间为16 ms.图12为四种不同情况下的碰撞仿真的边梁最 终变形形状：(1)为常规碰撞仿真结果，即未考虑冲 压成形影响；(2)为仅考虑单元节点厚度影响碰撞 仿真结果；(3)为仅考虑单元等效应变影响碰撞仿 真结果；(4)为同时考虑单元节点厚度和等效应变 影响碰撞仿真结果如图11所示，在距离边梁外板 前端大约133 mm和162 mm有两处匸艺孔，而边 梁内板仅仅在大约160 mm 一处存在工艺孔，所以 在该处边梁外板的强度要比内板弱许多在整个碰 撞过程中图11中所标记的边梁A段以工艺孔处为 根部发生弯折变形，而工艺孔所处的

40、B段则主要以 皱褶变形为主，为边梁主要的吸能部位.从图12中 可以看出常规碰撞仿真在处所发生的皱褶形态 与另外三种引入工艺因素的碰撞仿真的皱褶形态有着 比较明显的不同，第1种工况下的常规碰撞仿真 处的皱褶程度与其它三种情况有所不同.由于在 碰 撞过程中主要依靠制件的皱褶来吸收刚体所传递的动 能所以皱褶程度越强则制件所吸收的动能就越多， 反之就越少.图中第2种工况为仅考虑厚度，B处的 皱褶程度稍微有所加强，说明其吸收的动能比常规 碰撞要多一些；图中第3种工况为仅考虑等 效应变, B处的皱褶程度要比常规碰撞强许多说明其吸收的动能比常规碰撞要多，为四种情况中最 多；图中第4种工况为同时考虑厚度和等效

41、应 变丿处的皱褶程度比第3种工况弱一些，但还 是比1、2这 两种工况强，说明其吸收的动能仅 比第3种工况少.为了进一步说明问题，如图13 所示我们比较碰撞后边梁端头与边梁外板凸台 之间的距离未考虑冲压成形效应的常规 碰撞分析的距离 “ = 26.30 mm ;而考虑冲压 成形效应的碰撞分析的距藹A K =37.88 mm 两 者之间的差别为1158 mm.其原因为常规碰撞 分析的处皱褶程度较引入工艺因素的 碰撞 分析弱从而导致常规碰撞分析中由B处皱褶 所引起的A段刚体转动角度要比引入工艺因 素的碰撞分析大，所以常规碰撞分析中边梁端 头与外板凸台之间距藹比引入工艺因素的 碰撞小.通过上述对碰撞后

42、边梁变形情况的比较可知， 碰撞仿真分析应该考虑冲压成形效应的影响，而 且等效 应变对最终变形结果的影响程度较厚度 效应大.上而所比较的是碰撞后边梁的变形情况， 而图14反映了左前边梁四种情况下在整个碰 撞过程中吸收能量（内能）的变化情况.从图中 可以明显地看 出，当碰撞仿真考虑了等效应变 效应的影响那么边梁所吸收的能量就有显箸 的提髙相反当碰撞分析仅仅考虑了厚度效应 的影响边梁所吸收的能量仅有细微的不同. 而且当碰撞仿真考虑了冲压成形效 应即同时 考虑厚度和等效应变效应，边梁所吸收的能量 比没有考虑成形效应的情况有较大的提髙.两 者之间的差别随着碰撞时间的增加而增加，在 碰撞开始阶段即9 ms

43、之前，两者之间的差异 不明显；当碰撞时间为10 ms时，两者之间 的差异大约4. 52 % ;当碰撞时间为16 ms时, 两者之间的差异为第2期胡平等：引入工艺因素的汽车车身部件碰撞仿真分析 1579. 61 %.这其中最重要的现象是，当考虑了等效应变 效应时，边梁在碰撞过程中由零件变形引起的能量 吸收率增加，相反如果不考虑等效应变效应时，苴 能量吸收率就下降.所有这些分析的结果都说明 了在冲压成形效应中，应变硬化效应在计算能量 吸收的方而起主要作用综上所述为了提髙碰撞分析的精 度，在汽车左前边梁的碰撞仿貞中必须采用考虑冲 压成形效应的引入工艺因素的碰撞分析方法，其中 影响程度最大的因素是等效

44、塑性应变.<a)未考虑冲压成形的够响(b)仅考虑庠庚的形响(c仅考虑等效应变的形响(d)同时考虎忌度和等效应变的形响图12四种不同情况下的碰扌童仿真结果比较(a)未考虑冲压成形的序响(b)间时考虑厚度和零效应变的形响图13常规碰担仿真与引入I：艺因素的碰撞仿真结果比较图14常规碰撞仿真与引入匸艺因素的碰撞仿真能虽吸收的比较则，提出一种基于有限元网格的髙效快速的物理量3结论本文论述了确立汽车零部件冲压方向的基本原 158固体力学学报2006年第27卷映射算法，以某汽车中的主要碰撞承载和吸能部 件左前纵梁为例，采用自主开发的KMAS/ One2step软件和L S2D YNA软件对其进行引入

45、工 艺因素的碰 撞仿真分析.由于本文方法比忽略真 实厚度和应变非均匀性的常规碰撞分析方法更加 接近真实的碰撞过程，因此，为了提髙碰撞分析的精度，在汽车车身 碰撞仿真中采用考虑冲压成形效应的碰撞分析方法 是必要的.参老文献1 中国汽车工程学会，汽车安全技术(SAE- China2004),人民交通出版社,20042张觉悲，谭郭松岛卫民黄锡朋.汽花碰撞的有限元法 及午门的抗撞性研究同济大学学报J997 ,25 (4):450 4547 Dutton T , Iregbu S , Sturt R Kellicut A , Cowell B. The effect of forming on the

46、crashworthiness of vehicles with hydroformed f rame siderails , 1999 , SA E 19992012 32088 Lee S H 、Han C S . Oh S L . Wriggers P. Comparative crash simulations incorporating the results of sheet met2 al analyses. Engineering Computations . 2001.20 (526): 744-7589 Huh H . Kim K P Kim , S H , Song J

47、H . Kim H S , Hong S K. Crashworthiness assessment of f ront side members in an autoQbody considering the fabrication his2 tories Inlemalioiuil Journal of Mechanical Sciences , 2003, 45 :1645-166010 Kim H S . Hong S K , Hong S G , Huh H. The evaluaQ tion of crashworthiness of vehicles with forming effect. 2003,4th European LSaDYNA Users Conference . B21 : 25 3311赵海鸥.L S2DYNA动力分析抬南北京：兵器匸业出版 社,200312禅令江.汽车覆盖件冲压成形技术.北京:机械工业出版 社,20033宙正保等.汽午碰撞仿真 发展研究趋勢长沙交通学院学报.1999 ,15 (1):18- 224顾立强林忠钦.国内外汽午碰撞计算机模拟研究的现 状及趋势汽车工程，1999.21(1):195贾宏波，黄金陵，谷安涛，王中校，李掌宇数