作者 | 李老師 仿真秀科普作者
首發(fā) | 仿真秀 （ID:fangzhenxiu2018）
眾所周知，CAE仿真分析已經(jīng)成為整車研發(fā)過程中不可或缺的一部分。整車CAE仿真分析通常包括模態(tài)分析、剛度分析、強(qiáng)度分析、疲勞分析、碰撞分析、乘員約束系統(tǒng)分析、NVH分析以及CFD分析等。而整車碰撞仿真分析是一項(xiàng)難度較大，需要多個(gè)CAE仿真工程師人員共同進(jìn)行配合完成的一項(xiàng)工作。
對一個(gè)新手來說，要想自學(xué)整車碰撞仿真分析是一項(xiàng)很艱難的事情。對主機(jī)廠而言，培養(yǎng)一個(gè)合格的碰撞仿真工程師，就需要一個(gè)有多年碰撞仿真分析經(jīng)驗(yàn)的工程師來指導(dǎo)，再加上實(shí)際動(dòng)手操作，才有可能成為一名合格的碰撞仿真工程師。
本課程就是結(jié)合我多年的碰撞仿真分析經(jīng)驗(yàn)，希望能夠深入淺出地把在整車碰撞仿真分析中有可能所遇到的問題和難點(diǎn)一一給大家講解。當(dāng)然，大家如果要想真正地理解、掌握整車碰撞仿真分析，還需要大家能夠多學(xué)、多練、多思考。下面我就帶大家來初步了解一下整車碰撞仿真分析的奧秘。
一、整車幾何模型及參數(shù)的輸入
要想做一款整車碰撞仿真分析，無論是正碰、偏置碰還是側(cè)碰，當(dāng)然整車的幾何模型是必須的。俗話說巧婦難為無米之炊，沒有整車的幾何模型輸入，在厲害的碰撞仿真工程師也做不出整車碰撞仿真模型來。
那么整車幾何模型通常包括那幾個(gè)部分？一般來說，整車幾何模型主要包括白車身、底盤、開閉件、內(nèi)外飾及電器系統(tǒng)等。有了整車幾何模型，那么我們就可以開始啟動(dòng)網(wǎng)格劃分工作。網(wǎng)格劃分只是整車碰撞仿真分析萬里長征的第一步。
當(dāng)然，整車碰撞仿真分析除了需要整車幾何模型以外，還需要整車BOM表，焊點(diǎn)、焊縫、及膠粘等信息，相關(guān)材料的性能參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變曲線，整車的質(zhì)量和質(zhì)心統(tǒng)計(jì)表等等。通常整車碰撞仿真分析輸入涉及到整車研發(fā)過程中的多個(gè)部門。
整車碰撞仿真分析輸入內(nèi)容及要求詳見表1所示。
表1 整車碰撞仿真分析輸入內(nèi)容及要求
二、網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分只是整車碰撞仿真分析工作的第一步。我們通常采用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
由于整車幾何結(jié)構(gòu)大多是鈑金沖壓件，輔以少量的鑄件，其中，鈑金件主要集中在白車身和開閉件上，鑄件主要集中在底盤和動(dòng)力總成上。
目前，各大主機(jī)廠和汽車研究院都有一套自己的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，但差不多都大同小異。對于白車身和開閉件等這種鈑金沖壓件來說，我們通常采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格大小目前基本以10mm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。
下面我們就來簡單了解一下整車碰撞仿真分析網(wǎng)格劃分的基本原則。
1、保留主要幾何型線，網(wǎng)格要與幾何保持良好的貼合。
2、碰撞網(wǎng)格劃分應(yīng)該依據(jù)正交原則進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，特別在碰撞吸能區(qū)要按照應(yīng)力波傳遞方向進(jìn)行網(wǎng)格布置，網(wǎng)格密度均勻分布，不能過于稀疏與過于集中。
3、整個(gè)模型中三角形單元不允許超過總單元數(shù)的5%；每個(gè)部件中三角形單元不能超過該部件單元數(shù)的10%。
4、防止集中出現(xiàn)翹曲單元和三角形單元的區(qū)域。
5、干涉檢查，每個(gè)part之間不允許有初始穿透干涉。
6、在整個(gè)模型中最小單元尺寸不應(yīng)該小于3mm。
7、每個(gè)零件要進(jìn)行法向、自由邊檢查，法向一致，每個(gè)部件不能有自由邊。
圖1 白車身及開閉件網(wǎng)格劃分圖
整車碰撞仿真分析中殼單元的網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)見表2所示。
表2 殼單元的網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)
限于篇幅的原因，對重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)我們在此不做詳細(xì)介紹。重點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格劃分主要包括以下幾個(gè)方面：
① 倒角處的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
② 幾何孔（包括螺栓孔）處的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
③ 翻邊處的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
④ 包邊（主要位于開閉件處）的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
大家如感興趣的話，可以通過我即將直播的整車碰撞仿真分析系列課進(jìn)行詳細(xì)了解（溫馨提示：整車碰撞仿真分析進(jìn)階20講的課表見后文）。
三、整車碰撞模型建模的關(guān)鍵技術(shù)
各總成網(wǎng)格劃分完成后，可以先通過nastran或者optistruct等軟件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算來驗(yàn)證各總成連接是否存在問題，以防出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量問題和自由部件。各總成通過模態(tài)計(jì)算完成后，就可以進(jìn)行整車碰撞模型的建模工作了。
1、連接方式處理
在整車碰撞模型中，存在各種各樣的連接方式，主要有以下幾種常見的連接方式：焊點(diǎn)連接、焊縫連接、膠粘連接、螺栓連接以及鉸接等。比如白車身的連接方式主要是焊點(diǎn)連接和焊縫連接為主；車門及發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板有大量的膠粘連接。見下圖2和圖3所示。
圖2 白車身焊點(diǎn)示意圖
圖3 車門上膠粘示意圖
鉸接主要在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后懸架以及車門鉸鏈等處。見下圖4和圖5所示。
圖4 車門鉸鏈?zhǔn)疽鈭D
圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)疽鈭D
在整車建模過程中使用最多鉸鏈主要為球鉸、柱鉸、萬向鉸、平動(dòng)鉸和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸。由于鉸鏈要實(shí)現(xiàn)其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，所以在運(yùn)動(dòng)過程中鉸鏈自身不能變形，即要求鉸鏈所有節(jié)點(diǎn)為剛性體節(jié)點(diǎn)。所以在剛性體上建立鉸鏈可以利用剛性體自身的節(jié)點(diǎn)，在可變形體上建立鉸鏈則一般需要使用rigidbody，或其他剛性體網(wǎng)格來連接節(jié)點(diǎn)和可變形體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。在可變形體上建立鉸鏈通常也可將部分可變形網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為剛性體網(wǎng)格，然后在轉(zhuǎn)化后的網(wǎng)格上建立鉸鏈。
2、前后懸架及輪胎模型
前后懸架系統(tǒng)及輪胎涉及到許多運(yùn)動(dòng)部件，這就要求我們碰撞仿真工程師不僅要理解各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，還要將運(yùn)動(dòng)關(guān)系用合理的方法反映到整車碰撞模型上。也可以這樣說，前后懸架及輪胎建模也算是整車碰撞建模過程中最難的部分。
前懸架裝置包括前副車架總成、前懸架橫向穩(wěn)定桿裝置、支柱總成、下擺臂總成、前副車架加強(qiáng)板以及前車輪等。某前后懸架的CAE模型見下圖6和圖7所示。
圖6 前懸架系統(tǒng)及前輪CAE模型
圖7 后懸架及后輪胎CAE模型
3、加速度
加速度是重要的輸出內(nèi)容，在前處理中需預(yù)先定義加速度計(jì)的位置和輸出。加速度計(jì)一般布置在不發(fā)生變形，有一定平面的地方。汽車碰撞試驗(yàn)中會布置很多的加速度傳感器，分析模型中可以根據(jù)試驗(yàn)時(shí)布置傳感器的地方建立加速度傳感器。見下圖8所示。
圖8 B柱加速度計(jì)設(shè)置位置
4、截面布置
截面力是考察汽車碰撞過程中力傳遞方向和大小的有效方法，輸出截面力的截面一般設(shè)置在車身主要的吸能部件，如正碰中的吸能盒、前縱梁、A柱和門檻梁等；側(cè)碰中的門檻梁、B柱、頂橫梁、座椅安裝橫梁等部位，可根據(jù)需要輸出各部位的截面力。見下圖9所示。
圖9 某車身截面設(shè)置位置
四、整車碰撞工況簡介
1、基于C-NCAP 2018正面100%重疊剛性壁障碰撞
試驗(yàn)車輛100%重疊正面沖擊固定剛性壁障。碰撞速度為
2、基于C-NCAP 2018正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)
試驗(yàn)車輛40%重疊正面沖擊固定可變形吸能壁障。碰撞速度為
3、基于C-NCAP 2018可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)
移動(dòng)臺車前端加裝可變形吸能壁障沖擊試驗(yàn)車輛駕駛員側(cè)。移動(dòng)壁障行駛方向與試驗(yàn)車輛垂直，移動(dòng)壁障中心線對準(zhǔn)試驗(yàn)車輛R點(diǎn)向后250mm位置，碰撞速度為
圖10 整車碰撞CAE模型（正碰、偏置碰和側(cè)碰）
五、整車碰撞結(jié)果后處理
在整車碰撞仿真分析過程中，其實(shí)我們更關(guān)心的是整車碰撞仿真結(jié)果，因?yàn)橹挥蝎@得了整車碰撞仿真結(jié)果，我們才能了解我們所做的這款車的一些基本耐撞性能，才來根據(jù)整車的碰撞仿真分析目標(biāo)提出合理的優(yōu)化建議。當(dāng)然這一切都要確保在前面的整車建模是準(zhǔn)確合理的。
一般來說，我們基于C-NCAP來做的整車碰撞仿真分析，都是為了實(shí)現(xiàn)我們在整車研發(fā)初期所定的目標(biāo)：星級評價(jià)。同樣的情況下，碰撞星級評價(jià)越高的車在市場上的競爭力就越強(qiáng)。針對碰撞星級評價(jià)，就需要對整車耐撞性的一些指標(biāo)進(jìn)行量化。
對正碰和偏置碰來說，這些量化指標(biāo)主要包括車身最大加速度、回彈時(shí)刻、整車壓潰量、前圍板侵入量、離合踏板安裝點(diǎn)、剎車踏板安裝點(diǎn)的變形量等等。
對側(cè)碰來說，這些量化指標(biāo)主要包括B柱不同高度測點(diǎn)的侵入量，B柱腰線處的侵入速度等等。
我們會根據(jù)不同星級評價(jià)制定相應(yīng)的可量化的評價(jià)指標(biāo)。我們會在后期推出的課程中進(jìn)行詳細(xì)講解。當(dāng)然不同的車型，評價(jià)指標(biāo)會有所不同。
圖11 整車碰撞仿真結(jié)果變形圖（正碰、偏置碰和側(cè)碰）
受仿真秀的邀請，自2019年3月6日19時(shí)起，每周三晚上19點(diǎn)，特殊情況除外，我將在仿真大課堂直播《學(xué)會Hypermesh和Ls-dyna在整車碰撞仿真分析》，首播期間，我會為大家提供15-30分鐘在線免費(fèi)答疑，希望和大家一起自學(xué)整車碰撞分析。
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