CAE仿真軟件RADIOSS在汽車側(cè)碰仿真的分析與應(yīng)用

 1、引言

 車輛側(cè)面碰撞是發(fā)生率較高的交通事故形式，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明全世界約有30%的嚴(yán)重交通事故都與側(cè)面碰撞有關(guān)，因此車輛側(cè)面碰撞成為汽車被動(dòng)安全性研究的重要內(nèi)容，也越來(lái)越多的受到政府、汽車制造商，以及消費(fèi)者三方共同關(guān)注。作為汽車企業(yè)，為滿足消費(fèi)市場(chǎng)的碰撞安全法律法規(guī)要求，以及越來(lái)越嚴(yán)格的新車碰撞安全星級(jí)評(píng)價(jià)（NCAP）要求，已經(jīng)廣泛采用虛擬仿真技術(shù)來(lái)解決真實(shí)的車輛碰撞問(wèn)題。

 在一些實(shí)際的側(cè)面碰撞事故中，出現(xiàn)過(guò)車輛碰撞過(guò)程中存在車門(mén)開(kāi)啟的情況，這必然造成車內(nèi)乘員被甩出車外的危險(xiǎn)，直接影響乘員的生命安全。故在中國(guó)的法規(guī)GB20071-2006的特殊要求中4.3.1條規(guī)定：在碰撞試驗(yàn)過(guò)程中，車門(mén)不得開(kāi)啟；而對(duì)于歐盟的法規(guī)ECER95的5.3.1條也有著相同的要求。除了法律法規(guī)對(duì)車門(mén)開(kāi)啟有著這樣要求，NCAP也有著對(duì)此更為嚴(yán)格的評(píng)價(jià)，例如中國(guó)2012版C-NCAP的2.1.3.3條有總體罰分項(xiàng)規(guī)定：對(duì)于兩側(cè)的每一個(gè)車門(mén)，若在碰撞過(guò)程中開(kāi)啟，則分別減去1分；而歐盟EuroNCAPV6.0中4.2.4條規(guī)定：側(cè)碰試驗(yàn)中每開(kāi)啟一個(gè)門(mén)（車門(mén)包括后背門(mén)和天窗），則總得分扣掉1分，且門(mén)開(kāi)啟的修正得分不受車輛總得分的限制。鑒于以上法律法規(guī)和NCAP的要求，針對(duì)側(cè)面碰撞，一般可采用商業(yè)有限元分析軟件包RADIOSS、LS-DYNA、PAM-CRASH等進(jìn)行相關(guān)仿真求解。

 2、多域求解的原理

 商業(yè)有限元軟件通常采用顯示有限元方法來(lái)求解汽車碰撞的大變形非線性問(wèn)題，而顯示時(shí)間積分求解就涉及到時(shí)間步長(zhǎng)問(wèn)題，只有時(shí)間步長(zhǎng)小于臨界時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果才能穩(wěn)定。臨界時(shí)間步長(zhǎng)求解公式如下：

 其中c為在材質(zhì)中的傳播速度，l為單元的特征長(zhǎng)度。材料波速c是與材料的楊氏模量E，泊松比ν和質(zhì)量密度ρ的函數(shù)，而不同維數(shù)的單元，其特征長(zhǎng)度受實(shí)際單元尺寸大小影響。而汽車常用金屬材料鋼和鋁，其傳播速度為5000m/s左右，故若時(shí)間步長(zhǎng)為1us，則單元的特征長(zhǎng)度為5mm。由此可知，單元尺寸越小，其時(shí)間步長(zhǎng)也越小，故而在有限的計(jì)算資源條件下，所花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間也就越多。通常在汽車碰撞仿真計(jì)算中，需要合理控制模型中最小的單元尺寸，減少相應(yīng)的質(zhì)量增加，才能在較短時(shí)間內(nèi)提供正確的計(jì)算結(jié)果，滿足工作需求。

 在側(cè)碰中門(mén)開(kāi)啟影響因素中，除了受到車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形影響之外，門(mén)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和空間布置等也影響著門(mén)體開(kāi)啟。故對(duì)于門(mén)鎖結(jié)構(gòu)建模就需要細(xì)化和詳細(xì)，有別于車身結(jié)構(gòu)的單元尺寸，如圖1所示的某款車型的門(mén)鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型和細(xì)化模型。由于門(mén)鎖細(xì)化模型單元尺寸在1mm左右，故而減小計(jì)算整車的時(shí)間步長(zhǎng)，增加計(jì)算時(shí)間，給工程應(yīng)用上帶來(lái)一定的麻煩。為此Altair在RADIOSS求解器中提供了多域求解技術(shù)來(lái)解決同一個(gè)模型涉及到時(shí)間步長(zhǎng)不一致的問(wèn)題，以滿足局部細(xì)化部件求解。其工作原理為RADIOSS分別使用各自的子域模型的時(shí)間步長(zhǎng)求解計(jì)算獨(dú)立的子域模型，然后在主控程序（RAD2RAD）的穩(wěn)定約束條件下計(jì)算各自子域模型之間相互傳遞的力和力矩，如圖2所示。

圖1門(mén)鎖結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型（左）、細(xì)化模型（中）和其局部的細(xì)節(jié)（右）

圖2RADIOSS多域求解流程

 3、側(cè)碰仿真模型的建立

 側(cè)碰后門(mén)開(kāi)啟的仿真模型主要有整車模型，后門(mén)鎖系統(tǒng)子模型，以及側(cè)碰移動(dòng)可變性壁障（MDB）組成，如圖3所示。MDB模型由Altair公司提供，并經(jīng)過(guò)相應(yīng)的對(duì)標(biāo)和驗(yàn)證。采用RADIOSS的多域求解技術(shù)需要對(duì)子域模型的建立、連接以及接觸等重新定義，下面將逐一進(jìn)行說(shuō)明。

圖3側(cè)面碰撞仿真模型

 （1）門(mén)鎖子域模型的建立

 后門(mén)鎖子模型包含有門(mén)鎖機(jī)構(gòu)、鎖體拉線，以及內(nèi)、外開(kāi)把手機(jī)構(gòu)等，見(jiàn)圖3a所示。為了區(qū)分子域模型，通過(guò)RADIOSS的前處理軟件HyperCrash在主域中定義一個(gè)門(mén)鎖系統(tǒng)的子域RR_Door_Lock_System，其關(guān)鍵字為/SUBDOMAIN。為了后續(xù)操作方便，可將子域模型建立個(gè)Part集合（/SUBSET）。由于門(mén)鎖內(nèi)部開(kāi)啟機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，為了模擬開(kāi)鎖機(jī)制，工程上可采用調(diào)節(jié)拉線行程來(lái)控制鎖舌的旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟。由設(shè)計(jì)部門(mén)可獲知內(nèi)、外開(kāi)拉線開(kāi)啟力分別為35N和25N，由此轉(zhuǎn)化內(nèi)、外拉線行程分別在14mm和10mm，當(dāng)兩者達(dá)其一就可將門(mén)鎖打開(kāi)。通過(guò)在內(nèi)、外拉線處分別設(shè)定帶有一定剛度的彈簧單元作為鎖舌扭轉(zhuǎn)彈簧開(kāi)啟的必要條件，并由相應(yīng)的傳感器（/SENSOR/OR）參數(shù)來(lái)控制判定，以此實(shí)現(xiàn)門(mén)鎖開(kāi)啟仿真，如圖4所示。

圖4門(mén)鎖開(kāi)啟前狀態(tài)（左）和門(mén)鎖開(kāi)啟后狀態(tài)（右）

 （2）門(mén)鎖子域模型的連接

 子域模型與主域模型的連接，RADIOSS提供了兩種方式：共節(jié)點(diǎn)法和接觸法。前者是簡(jiǎn)單地將交界處節(jié)點(diǎn)自動(dòng)映射到子域，實(shí)際操作需要劈分三角形單元完成共節(jié)點(diǎn)過(guò)度；而后者采用Tied接觸（/INTER/TYPE2）方式將子域邊界節(jié)點(diǎn)與主域邊界的粗網(wǎng)格綁定在一起，而其在RADIOSSv11.0.240以后版本才支持。本文計(jì)算模型采用前者方式定義后門(mén)鎖與門(mén)體之間的連接。

 （3）門(mén)鎖子域模型的接觸

 由于采用多域求解，故在定義接觸時(shí)，除了整車自接觸和整車與MDB的接觸這些常規(guī)的接觸外，還需要額外定義后門(mén)鎖子域的自接觸、后門(mén)鎖子域與MDB的接觸，以及后門(mén)鎖子域與整車的接觸。在定義后門(mén)鎖子域與整車的接觸（/INTER/TYPE7）時(shí)，需要注意兩點(diǎn)：其一，后門(mén)鎖子域和整車定義接觸時(shí)，整車側(cè)選擇范圍要合理，保證有效接觸；其二，若后門(mén)鎖子域與整車采用TYPE2接觸做連接，此處節(jié)點(diǎn)位置不滿足Gap條件，故需要去除周邊一圈連接單元。

以上僅是子域模型的建模說(shuō)明，若要調(diào)用多域求解計(jì)算還需要對(duì)RADIOSS的Engine文件做相關(guān)的調(diào)整，見(jiàn)表1所示。

表1主域和子域的Engine文件的設(shè)置

 4、計(jì)算結(jié)果

 整個(gè)側(cè)碰模型建立完成，采用RADIOSS進(jìn)行相應(yīng)的求解計(jì)算，通過(guò)結(jié)果文件重點(diǎn)考察分析了后門(mén)鎖系統(tǒng)的變形和拉線受力情況，以此判斷在側(cè)面MDB碰撞過(guò)程中后門(mén)體是否存在開(kāi)啟的情況。

 （1）鎖體結(jié)構(gòu)變形

 鎖體結(jié)構(gòu)完整性是考察側(cè)碰中門(mén)開(kāi)啟條件之一，若是鎖體結(jié)構(gòu)無(wú)法承受側(cè)碰的撞擊力而失效，則門(mén)體必然會(huì)開(kāi)啟。通過(guò)觀察鎖體結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變，鎖體整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到破壞，完整性較好，而是在圓圈區(qū)域處結(jié)構(gòu)受力較大，其應(yīng)變值超出材料的屈服值，如圖5所示。

圖5鎖體的應(yīng)變?cè)茍D                   圖6拉線受力時(shí)間歷程圖

 （2）拉線受力

 由圖5鎖體應(yīng)變?cè)茍D可知，在圓圈區(qū)域即外開(kāi)拉線與鎖體連接處，應(yīng)變值較大，這說(shuō)明此處的外開(kāi)拉線受力也比較大。輸出拉線的受力時(shí)間歷程如圖6所示，從圖中可看出外開(kāi)拉線受力值在16ms之后已達(dá)到其開(kāi)啟力，說(shuō)明后門(mén)存在開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn)；而內(nèi)開(kāi)拉線由于受力很小，對(duì)后門(mén)鎖開(kāi)啟基本無(wú)影響。

 進(jìn)一步對(duì)外開(kāi)拉線受力分析可知，外開(kāi)拉線除了與鎖體連接之外，另一端同外開(kāi)把手的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，由平衡塊來(lái)控制外開(kāi)把手的開(kāi)啟，由此可知平衡塊所受到慣性力較大，是引起后門(mén)開(kāi)啟的原因之一，如圖7所示。而外開(kāi)拉線受力也可以受到門(mén)體鈑金件變形擠壓的影響，同樣也會(huì)帶動(dòng)鎖體內(nèi)部鎖舌轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)車門(mén)。

圖7外開(kāi)把手的平衡塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（后視圖）

 考慮到更改車身結(jié)構(gòu)來(lái)減小拉線受力方案，會(huì)帶來(lái)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本大等影響，故建議對(duì)門(mén)鎖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，可以對(duì)平衡塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少相應(yīng)質(zhì)量，以便減小慣性力；或是對(duì)拉線布置進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，增加長(zhǎng)度，減弱拉線受力。

 最后將側(cè)碰后門(mén)開(kāi)啟仿真分析結(jié)果以及改進(jìn)方案同設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行溝通反饋，設(shè)計(jì)部門(mén)綜合采納以上相關(guān)建議，對(duì)門(mén)鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而在此之后的相關(guān)側(cè)碰試驗(yàn)中也驗(yàn)證了分析的正確性，未曾發(fā)生過(guò)側(cè)碰后門(mén)開(kāi)啟的情況。

 5、結(jié)論

 本文利用RADIOSS多域求解的技術(shù)，建立后門(mén)鎖機(jī)構(gòu)的子域模型，模擬后門(mén)開(kāi)啟過(guò)程，通過(guò)仿真結(jié)果分析后門(mén)開(kāi)啟的原因，并提供相關(guān)的解決方案，有效的支持設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，減少后期設(shè)計(jì)變更和試驗(yàn)費(fèi)用。

 本文只是在汽車側(cè)碰仿真應(yīng)用的例子，其實(shí)RADIOSS多域求解可以應(yīng)用在更多的汽車局部精細(xì)仿真模擬方面，例如行人保護(hù)頭部碰撞仿真中的雨刮結(jié)構(gòu)模擬、氣囊展開(kāi)仿真的儀表板撕裂縫模擬等等，以有效的虛擬仿真手段幫助設(shè)計(jì)部門(mén)再現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程和支持進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

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