奇瑞汽车转向系统碰撞建模指南V

1、编号：版本：1.0密级：秘密转向系统碰撞建模指南编制/日期：高勇丽校对/日期：审核/日期：批准/日期：奇瑞汽车有限公司乘用车工程研究院CAE部2007年02月24日目录781前言转向系统是车辆被动安全的重要组成部分之一，在整车碰撞过程中直接影响到驾驶员头部、胸部的伤害值。转向系统数值模拟涉及材料（金属/非金属）动态本构关系以及材料动态破坏规律等众多理论课题，如何准确的模拟管柱压溃的特性至今仍是汽车碰撞安全分析的技术难题之一，因此，对转向系统的碰撞建模提出了更高的要求。本建模指南结合奇瑞CAE工程师的经验和当前的工程应用背景，旨在规范转向系统建模的一般要求和准则，确保不同团队、不同平台在转向系统

2、建模时的一致性和规范性，提高碰撞建模效率。建模时以HyperMesh7.0为前处理器。几何结构描述转向系统结构简介转向系统作为主动安全的一个重要的组成部分，主要是由方向盘、转向横拉杆、转向器、转向直拉杆、转向梯形、转向节等基本部分组成。有些汽车还装有动力转向器、转向减振器和防伤机构等。图2.1所示的是S18的转向系统结构示意图。图2.1S18转向系统结构示意图转向吸能结构简介在碰撞发生的过程中，由于无论是方向盘的后移还是驾驶员碰撞到方向盘。都能使驾驶员受到伤害，因此为了在碰撞的过程中更大限度的保护车内驾驶员的安全，常将转向系统设计成吸能结构。现在用到的一般有三种形式：轴承式（过盈配合）：其特点

3、是碰撞溃缩后管柱不会脱落，结构较为简单冲撞块式：其特点是结构简单。钢带式：其特点是可根据碰撞要求调节吸能曲线来达到理想吸能。数据需求转向系统在整车坐标系中的3维CAD数据（CATIA或UG格式）；转向系统各零部件质量；转向系统零件所用材料的牌号，零件厚度;转向管柱压溃方式及相应的压溃曲线。网格划分一个完整的有限元模型的建立包含对正确数模的几何清理、几何结构规划、网格剖分、单元类型的选择，连接构件关系的处理，局部结构的简化，焊接关系的建立，材料类型及本构模型的选择，一定应变率下材料应力应变曲线的输入，单元算法的选择，零部件属性的定义等。对于转向系统而言，完整的建模工作包括以上内容。由于转向管路一

4、般采用的是橡胶材料，储油罐采用的是PA66(尼龙)材料，所以在建模过程中被简化忽略，因此转向系统主要简化成三部分：转向机部分、转向管柱带中间轴总成、方向盘。但是对于每个零件，应让设计部门提供每个零件的重量，建模时应将这些零件的重量体现在模型中，以保证整个模型质量的准确性。碰撞分析模型的单元要满足如下质量标准：网格尺寸控制在10X10mm，但针对不同部件，网格的尺寸可适当调整，如万向节部分可以将网格尺寸减少到5X5mm。翘曲角度(Warpage)：15长宽比(AspectRatio)：5倾斜角度(SkewAngle)：10四边形内角(AngleQuad)：40135三角形内角(AngleTria

5、)：25120雅克比(Jacobian)：0.6在进行网格划分时要尽量减少三角形单元的数量，避免出现单排网格。网格划分完之后还要检查单元的法向、有无自由边、有没有重复单元等。图4.1所示的是一个完整的转向系统的网格示意图。图4.1转向系统模型示意图序号中文名称英文缩写CAD编号单元类型网格尺寸1方向盘6strgwheellSxx-3402XXX1112上转向管柱strgcolumnuprsxx3404XXX八面体单兀10X10mm3转向管柱上支架columnbrktupr4sxx-3404XXX壳单兀j5X5mm4转向管柱strgcolumnSXX-3404XXX壳单兀10X10mm5转向万向

6、节/.universaljointSXX-3404XXX八面体单兀5X5mmL5其中:SeeRoom6中间轴|-shaftSXX-3404XXX八面体单兀5X5mm7万向节护套bootTshaftSXX-3404XXX壳单元10X10mm8转向器strggearSXX-3401XXX壳单元10X10mm9方向盘轮缘strgwheelrimSXX-3402XXX八面体单兀10X10mm10方向盘辐条strgwheelspokesSXX-3402XXX壳单元7X7mm11方向盘垫板strgwheelhubSXX-3402XXX壳单元10X10mm12气囊盒airbagboxSXX-3402XXX壳

7、单元10X10mm13气囊airbag八面体单兀10X10mm注：CAD编号的规则为：车型号-分组号（4位）件号（3位）需要指出的是，转向管柱主轴、转向横拉杆、转向机输入轴等部件也需要划分成六面体单元。另外，为了便于接触的处理，在体单元周围生成一层壳单元。需要指出的是在方向盘轮缘中的钢管部分要划分成壳单元。注意，转向机输入轴要单独划成体单元，与外面的金属件分开处理。转向机内部的横拉杆可以用体单元来模拟，也可以简化为一个beam单元。在划分六面体单元时，先将模型中的一些小的特征去除，再进行网格划分。将划分好的体网格使用toolfaces命令在体单元周围生成一层壳单元，其材料和属性见节5和节6。对

8、于所有的无质量的joints、spring和beam单元，必须赋质量；一般质量值为1X10-6kg。5材料一般情况下，转向管柱是金属的，根据设计部门提供的材料牌号与材料参数进行设置。材料本构模型采用24号材料模型，即：*MATPIECEWISELINEARPLASTICIDRhoENUSIGYETANEPPFTDEL7.80E-06210.0000.300CPLCSSLCSRVPID注：LCSS输入相应材料牌号对应的有效应力应变曲线。若设计部门没有提供材料参数，一般金属钣金件采用SAPH370代替。一般的转向系统中万向节采用的是SPHC，在数值模拟的时候材料本构模型采用20号材料模型，即：*M

9、AT_RIGIDIDRhoENUNCOUPLEMALIAS7.800E-062100.3CMOA1A2A3V1V2V3转向轴芯和中间轴轴芯采用的是45号钢，在数值模拟的时候材料本构模型采用24号材料模型，即：*MATPIECEWISELINEARPLASTICIDRhoENUSIGYETANEPPFTDEL7.80E06210.0000.30.8001.0000.0000.000CPLCSSLCSRVP体单元外面的壳单元使用空材料，在数值模拟的时候材料的本构模型采用9号材料模型*MATNULLIDROPCMUTERODCERODEPR7.800E-60.0000.0000.0000.00021

10、0.0000.300方向盘的垫板部分一般都是塑料材料，在数值模拟的时候材料的本构模型采用3号材料模型，即：*MATPLASTICKINEMATICIDRhoENUSIGYETANBETA1.000E-062.0000.3000.0200.0100.000SRCSRPFSVP0.0000.0000.0000而方向盘的轮缘外部虽然也是塑料材料，但是在数值模拟的时候材料的本构模拟采用27号材料模型，即：*MATMOONEY-RIVLINRUBBERIDRHONuABREF1.079E-60.4990.0100.0100SGLSWSTLCID0.0000.0000.0000方向盘轮缘中的钢管部分在模拟

11、的过程中材料的本构模型采用24号材料模型，如上*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTIC所示。气囊模块在数值模拟的过程中材料的本构模型采用7号材料模型，即：*MATBLATZ-KORUBBERIDRhOGREF5.000E-80.0010模拟压溃的弹簧的材料见节7.5。6属性我们一般将转向管柱用壳单元模拟，因此使用壳单元属性模式，即*SECTIONSHELLIDELFORMSHRFNIPPROPTQR/IRIDICOMPSETYP21.00031.00.000/ID01T1NLOCMAREA1.2000.00.000其中T1为壳单元的实际厚度。NIP为积分点个数，对于转向系统，

12、当T1三1.0时，NIP=3；当T1.0时NIP=2。将万向节、转向轴芯、中间轴轴芯用体单元模拟，因此使用体单元属性模式，即：*SECTIONSOLID*HOURGLASSIDIHQQMIBQQ1Q2QBQW50.10001.5000.0600.0000.000模拟压溃的弹簧的属性见节7.5。7连接一般地，转向系统的连接分为几个部分：转向管柱自身（包括转向管柱与中间轴的连接，转向机与转向横拉杆的连接，等等）的连接，转向管柱和仪表板、方向盘的连接，万向节护套与防火墙的连接，中间轴与转向机的连接，及转向系统与其他子系统的连接。7.1转向管柱自身连接转向管柱自身的连接主要是指转向管柱与中间轴的连接及

13、转向机与转向横拉杆等等之间的连接。转向系统中一共会遇到两个万向节的连接，即转向管柱与中间轴之间，还有就是中间轴与转向机输入轴之间，因此，模型中是通过万向铰进行连接的，如图7.1所示。图7.1万向铰连接示意图转向横拉杆之间是通过球铰连接的，如图7.2所示。图7.2球铰连接示意图在做球铰连接的时候，要用到两个rigidbody，在模型中要将这两个rigidbody分放在不同的component里面，对应的component的命名是rigidAforjoint-strgsys与rigidBforjoint-strgsys。将做好的铰都放在joint-strgsys的component中。转向机输入轴

14、与中间轴部分的万向节是通过螺栓连接，在模型中可以简化为XtraNode连接，即采用*CONSTRAINED_EXTRA_NODES这个关键字进行。由于壳单元和体单元之间推荐通过结点重合连接，因此转向机输入轴与转向机的连接可通过节点重合来模拟。如图7.3所示。最后组装整车模型时更新XtraNode的part。图7.3XtraNode连接示意图转向管柱和方向盘的连接转向管柱与方向盘之间是通过花键连接的，可以简化为节点重合的方式，如图7.4所示。图7.4节点重合示意图转向管柱与仪表板、万向节护套与防火墙的连接转向管柱与仪表板之间是通过支架连接在一起的，在模型中采用的是rigidbody进行连接的。而

15、转向管柱本身是通过spotweld与支架连接在一起的。需要注意的是，spotweld不能用于连接体单元，在生成rigidbody单元时把“attachnodesasset”选项去掉。如果是转向系统自身连接时做的rigidbody与spotweld单元，则都放在MPC_strgsys的component中；转向系统与其它子系统连接时做的rigidbody与spotweld单元，则都放在MPC_strgsys-其他子系统，如与车身的连接就放在MPC_strgsys-body的component中。如图7.5所示。图7.5Rigidbody连接示意图由于万向节护套采用的是橡胶材料，在碰撞过程中不起作

16、用，故不再建立万向节护套的模型。中间轴与转向机的连接中间轴与转向机之间是通过花键连接的，可以简化为节点重合。如图7.6所示。图7.6节点重合示意图转向系统压溃的定义吸能式转向柱是指除了能满足转向柱常规的功能外，在汽车发生正面碰撞时，能够有效的吸收碰撞能量，防止或减少碰撞能量伤害驾驶员的转向管柱。由于动态的压溃特性与静态的相差很大，因此如何准确的模拟转向的吸能压溃特性是数值模拟中的难题之一。转向系统的压溃概括起来一般可以分为三种：转向管柱的压溃、中间轴的压溃和滑块机构的滑脱。转向管柱的压溃和中间轴的压溃，模型中是通过弹簧单元来模拟的，弹簧的方向与轴的方向一致。做弹簧单元时用到的两个rigidbo

17、dy的做法与component的命名见节7.3。所做的弹簧单元如图7.7所示：图7.7弹簧单元示意图DISCRETE单元的关键字为*ELEMENTDISCREATEIDPIDN1N2VIDSCLPFOFFSETIDID0材料使用无弹性的弹簧单元材料，即*MATSPRINGINELASTICDisplacement(mm)Force(kN)002131407507620此曲线表示的是弹簧的压溃力为1kN，压溃距离为75mm。单元属性使用弹簧属性，即：*SECTIONDISCRETEIDDROKDVOCLFD0CDLTDL通常在转向系统中还会用到的一种压溃方式就是滑块机构的滑脱，模型中也是通过弹簧

18、单元模拟的，弹簧的拉伸或压缩类型，即下表中CTF参数的设置应与滑块脱落方向的一致此处有关rigidbody的问题同见节7.3。所做的弹簧单元如图7.8所示：图7.8弹簧单元示意图材料使用的是无弹性的弹簧单元材料，即*MAT_SPRING_INELASTICDisplacement(mm)Force(kN)0020.530.5500此曲线表示的是弹簧的压溃力为0.5kN。单元属性使用弹簧属性，即：*SECTIONDISCRETE转向系统与其它子系统的连接为了最后组装整车模型的方便，预先做出转向系统与其他子系统(如车身、前悬等)之间的连接。先做出与其他系统连接的rigidbody，放在MPC_co

19、olingsys-其他系统(如MPC_coolingsys-body)的component中。最后组装时只需将rigidbody与其他系统节点重合即可。转向系统与前悬之间是通过球铰连接的，具体做法与规范见节7.1。8命名规范8.1模型命名为了保证模型的清晰性、易读性，对转向系统的部件、材料、属性、曲线、plot、group等的按照表8.1的规则进行命名。表8.1模型命名规则项目命名规则示例component零部件的名称名词（连词号）零部件的描述内/外前/后上/下左/右steelnull-strgsyspropertyshell单元的属性名称与component名称相同，同一子系统的solid单

20、元用一个属性（参数相同）或与component名称相同（参数不相同）strgspindlelwrmaterial公用材料：牌号（名称）-子系统名其他材料：与component名称相同ST12-strgsysspring-strgsyscurve对于材料性能曲线，与相应材料名称相同（材料只有单一性能曲线）或“材料名称曲线标识”ST12-strgsyscurvetitle相应曲线名称除去子系统名称ST12plot曲线类别-子系统名metal-strgsysspring-strgsysgroupXtraNodeXtraNode_柔体名称-刚体名称XtraNode_strggear-columnrig

21、idbodyspotweld连接部件：MPC_子系统名（-子系统名）MPC_strgsys将整个转向系统的零部件放到steeringsystem的装配下面，各部件的命名示例见图8.1注意缩写。属性的名称、SID应与component的名称、PID一致，便于检查。图8.1是典型的转向系统零件名称、材料和属性的命名示意图。图8.1转向系统零件命名示意图8.2模型编号为了规范模型，方便整车模型调试，需对建好的转向系统碰撞模型的节点、单元component、属性、材料、曲线进行重新编号。具体编号如下：表8.2转向系统编号名称最小IDNode2300000Element2300000Component1900P