机动车碰撞模拟分析步骤

.ANSYSFlowChartofAutoImpactAnalysis.PreparedBy史志远Date:Nov.1,2004.汽车碰撞模拟分析流程一、碰撞安全性试验介绍：在汽车模拟分析的过程中，提高汽车碰撞安全性的目的是在汽车发生碰撞时确保乘员生存空间、缓和冲击、防止发生火灾等等。但是从碰撞事故分析中可知，汽车碰撞事故的形态也千差万别，所以对汽车碰撞安全性能的评价也必须针对不同的碰撞形态来进行。按事故统计结果，汽车碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车等几种类型。但随碰撞形态成了交通事故中最常见的碰撞形式。按照碰撞试验的目的区分，现在碰撞试验大体可以分为三类：2)由汽车制造厂自己制定的碰撞试验方法：例如用于提出改善汽车碰撞安全性的新措施等等；汽车安全法规中规定了达到政府规定的最低安全性能要求，NCAP以更高的车速由于法规试验是政府强制实施的，所以，汽车碰撞试验法规是人们关注的热点。下表列表一FMVSS与ECE的一些汽车安全性法规.项目法规号项目欧洲欧洲SSSSSSSS—侧门强度—RRRRR转向系统部凸出物汽车乘员碰撞保护R二、人体伤害评价指标：在碰撞试验或碰撞模拟分析的过程中，都使用了标准的碰撞试验假人，通过测量假人的1)HybridIII假人家族的伤害评价基准值：百分位男性假人是目前生物保真性最好的正面碰撞试验假人，另外，为了评价汽车对不同身材乘员的安全保护性能，按比例方法开发了第95百分位男性的大身材假人和第5百分位女表二HybridIII假人家族的伤害评价基准值身材 (50％)身体区域伤害评价指标大身材(95％)小身材(5％).HICHIC(t2-t1<=15ms)向前弯曲力矩(Nm)向后弯曲力矩(Nm)轴向拉伸(N)轴向压缩(N)剪切(N)胸脊椎上的加速度(g)粘性指标(m/s)轴向压缩(N)小腿骨至大腿骨间的位移(mm)压缩载荷(N)轴向压缩(N)Fc－轴向力极限(KN)见相关文献1见相关文献见相关文献头部头/颈接合面40004920044.2大腿骨膝部11小腿骨胸部2)侧面碰撞假人的伤害评价基准值：.表三侧面碰撞用的假人的伤害评价基准值身身体区域伤害指标HIC(t2-t1<=15ms)HIC(t2-t1<=36ms)肋骨至胸骨积压量二门车(g)四车门(g)粘性指标(m/s)横向载荷(KN)横向加速度(g)耻骨结合部载荷 (KN)－4214.5－－－－－－腹部胸部头部3)伤害评价指标的计算a．头部伤害指标HIC(HeadInjuryCriterion)定量地评价头部碰撞忍受能力地基础是WanyneState耐力曲线WSTC,Versace对.tt21(1)tt21(1)21t1通常把最大地积分区间取为36ms,即要求t2-t1<=36ms。当HIC仅限于做头部接触b．粘性指标VC(ViscousCriterion)胸骨的挤压量指标不能很好地反应较高速度碰撞造成地伤害地可能性，对于更高地速度c．胸部伤害指数TTI(ThoracicTraumaIndex)上得到的，对胸部伤害相关系数较大的是侧面加速度峰值，当然，还要考虑人体的质量和年TTI=1.4*AGE+0.5*(RIBY+T12Y)*MASS/Mstd(2).TTI=0.5*(RIBY+T12Y)(3)三、汽车碰撞分析的软件介绍：KIA等)近20年合作的工程咨询和技术服务过程中，积累了丰富的汽车业CAE技术服务经VPG/PrePost:前后处理器模块：.图1.eta/VPG3.0前处理界面VPG/Structure:结构模块：它是耐久性分析的环境，它包括：悬挂模块(Suspension),轮胎模型(Tire)和路面库)VPG/Structure中Road库的类型有：.2)VPG/Structure中的悬挂模型有：.图4.前后悬挂的类型3)VPG/Structure的轮胎模型：.图6.VPG轮胎示意图VPG/Safety:安全模块：它能帮助我们方便进行碰撞与安全性分析。它包括：美国和欧洲的各种碰撞法规，各种等，还有家人模型，安全带模型等等。1)VPG/Safety包括的碰撞法规有：.图7.VPG/Safet碰撞法规2)VPG3.0的假人模型有：.图8.VPG/Safet假人模型.图9.VPG/Safet假人模型示意图3)VPG3.0的运动壁障小车：计算软件：LS-DYNA(version970-PC)三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，其分布存储显式并行求解器提供了最快的计算速度，可运行在Unix,Linux和WindowsClusters环境下。LSDYNA分析，流体动力学，流体-结构交互作用、光顺质点流体动力(SPH)、无网格分析(EFG)等。LS-DYNA可以解决高速碰撞、复杂的金属成型等问题，可以无缝地解决多物理场、多.相位、多工况等方面的问题；它作为通用的多物理仿真软件，用户可以通过各种功能的组合四、汽车碰撞模拟分析的一般流程：由于用实际的车来做碰撞分析(特别在设计开发阶段)一方面价格周期比较长，另外一个方面价格比较昂贵，所以，大量的碰撞模拟试验都在计算机上完成。而且，随着计算机技术的飞速发展，使这种分析模拟工作不但成为可能，而且越来越方便，越来越在设计开发过程中占有主导地位。下面就以侧面碰撞分析(正面碰撞也相类似)为例，来阐述如何在计算etaVPGLs-dyna)在使1)将车模型的CAD数据导入VPG3.0：(Import)图12.TOPOLOGYMESH参数设置.2)用网格的自动划分功能划分网格：(Auto-Mesh)划分，也可以对单个面逐一划分，这样划分出来的网格质量比较好，看起来也很光滑。设置的参数如下：.在表中你可以设置这样一些参数：单元网格的大小(ELEMENTSIZE),，忽略孔的大小P样的话，那么整车模型的单元数就会比较多，因此，为了减少模型的大小，在碰撞分析不是很重要的地方，相应的网格尺寸可以取大一些，例如，如果是该模型已经确认好了要用于模拟前碰撞分析，那么对于车的前部的网格要求质量比较高，网格的大小也可以小一点，而车后部的网格可以划得粗略一些，网格的大小也可以相应的大一些；如果该模型已经确认好了要用于模拟侧碰撞分析，那么运动壁障车所要碰撞的那一侧边门网格要密一些，结构也要齐3)网格质量检查(ModelCheck).图13.模型检查功能在对网格质量进行检查的过程中，如果存在网格质量不好的单元，可以用VPG3.0网格图所示：.图14.车身的有限元网格示意图4)创建焊点(Spotweld)及质量块单元(TrimMass)DSPOTWELD有限元模型中，质量块单元代表的是一些非结构质量，它是由于一些结构在创建有限元模型的时候被忽略了，例如电池，备用胎，仪表盘上的部件等等，但是在分析模拟的时候，如果这些部件完全不考虑的话，那么对整车模型的质量就会有影响，所以，我们就用一些质量块单元来代替这些被忽略部件的作用。在创建的时候，质量块单元的位置取在被忽略部件的质心，它有两种连接方式，一种是直接连接在节点上，另一种是当质心离连接点比较远的.时候通过刚性连接来连接。焊点和质量块如下图所示。图15.焊点与质量块单元示意图5)创建悬挂(Suspension)悬挂的产生：它有两种前悬挂和八种后悬挂，用户可以根据汽车的悬挂来选择一种悬挂类型,产生的过程的刚度，阻尼系数等等参数。轮胎的产生：.用户也可以在该悬挂基础上继续进行修改，直到与汽车的真实悬挂一致，这里产生的悬挂都是有一维单元组成的。如果通过VPG3.0自动产生的悬挂需要进行几何位置上的调整，才能悬挂与车身的连接：图16.焊点与质量块单元示意图6)创建轮胎(Tire):.值的好处是：这样产生的轮胎和实际一个这样的轮胎的刚度比较接近，不需要用户自己去调(c).定轮胎的重量和同时产生轮胎的个数；19.轮胎和车轴之间的连接示意图.轮胎与悬挂的连接：18.轮胎和车轴之间的连接方式.7)在VPG3.0前处理中定义车身材料、单元特性以及接触：在VPG3.0前处理中，对于LS-DYNA的各种卡片是100％支持的，因此，如果用户需对于悬挂和轮胎，如果是用VPG3.0自动产生的，则这部分单元的材料以及单元特性在性需要到VPG3.0的前处理中去赋值。如果悬挂和轮胎也是通过用户自己划分网格产生的，定义车身的材料：在LS-DYNA中，关于材料的卡片就有近200种之多，用户可以在VPG中选取材料种类，然后再定义材料参数，材料类型有：图20.VPG3.0中的材料列表在汽车模型有限元中，并不是所有的材料模型都能用到，对于车身上柔性体定义的大多.样，也就是材料的应力应变曲线以及屈服应力不一样;对于刚体定义的材料是刚性材料(LS-DYNA中对应的是20号材料)。另外，在整车模型中，可能还有塑料材料、泡沫材料，定义整车的单元特性:在VPG3.0前处理中，不同的单元类型需要定义不同的单元特性，有一维单元，二维单图21.VPG3.0中的单元特性列表在汽车有限元模型中,大多数的单元类型都是壳单元,因此在定义壳单元特性时选用的.LS-DYNA卡片都是*SECTION_SHELL,壳单元的积分方式都选用LS-DYNA的默认值(Belytschko-Tsay),而单元在厚度方向上的积分点个数一般取为2;对于三维立体单元的特定义接触:接触算法是LS-DYNA中一个很重要的内容，对于模拟汽车的碰撞分析，接触算法是必不可少，因此，正确定义汽车各部件的接触就显得尤为重要。定义接触时，一方面选择正确的接触类型，另一方面还要确定会发生接触的各个部件，即主面和从面。主面和从面的定义可以有多种形式，可以是节点集，或单元集，或部件集等等，用户要根据接触类型以及定义的方便来选择主面和从面的定义方式。在定义接触时还要确定接触部件之间的静态和动态摩图22.VPG3.0中的接触类型列表.8)利用VPG/Safety模块创建欧洲的侧碰撞分析模型(ECER95)一般在国内，要求做的汽车碰撞分析是前碰撞，汽车厂商自己可能会做的分析是侧碰撞美国有FMVSS208;对于侧碰撞法规欧洲有ECER95,美国有FMVSS214。这两种法规大表四ECE94与FMVSS208法规的比较.表五ECE95与FMVSS214法规的比较在创建侧碰撞分析模型过程中，可以利用过程引导的方法(ProcessGuidance)一步一步(Stepbystep)创建ECER95模型是非常简单的。于法规中的运动壁障车的要求，在VPG3.0中都设置成了默认值。创建的方法如下：a).将用户自己创建的整车模型导入到VPG3.0中；.b然后选择菜单/Safety/CrashWorthiness/ECE95EUROSIDEIMPACT;c下图。23.定义侧碰撞信息d).在汽车侧边上选择一个测量运动壁障车与汽车间距为20mm的点；e).如果选择要用法规中的默认假人的话(欧洲侧碰撞假人)，则需要定义假人的摆放位置，f).定义假人与汽车之间和汽车与运动壁障车之间的接触；g).定义一些控制卡，碰撞的结束时间以及一些以便于分析结果文件；.ECER限元模型9)计算与结果：在提交分析之前，根据用户自己想要得到的分析结果，可以定义一些数据结果文件，以便在得到的结果分析如下：.1．汽车侧碰撞分析变形结果图：tmst=15mstmst=45ms.tmst=75mst0msECER变形结果示意图.10)总结除了本文列举的侧碰撞分析外，还有正碰撞分析。正碰撞分析的