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梁骨架模型加速汽車結(jié)構(gòu)的碰撞設(shè)計

2018-09-26 23:02:56·  來源：左文杰 汽車結(jié)構(gòu)正向設(shè)計與輕量化  
　
目前，用于汽車結(jié)構(gòu)碰撞的虛擬仿真模型主要包括：集中參數(shù)模型、多剛體模型、殼單元模型。本文提出了塑性鉸梁骨架模型，并創(chuàng)建了具有任意橫截面形狀的復(fù)雜薄壁梁
目前，用于汽車結(jié)構(gòu)碰撞的虛擬仿真模型主要包括：集中參數(shù)模型、多剛體模型、殼單元模型。本文提出了塑性鉸梁骨架模型，并創(chuàng)建了具有任意橫截面形狀的復(fù)雜薄壁梁結(jié)構(gòu)，例如：開口、單腔室、雙腔室、三腔室和四腔室等汽車車身常用的橫截面形狀。
本文建立的車身梁骨架模型，可用于汽車概念設(shè)計階段的碰撞分析。“精度小幅降低，效率大幅提升的” 設(shè)計理念可加速產(chǎn)品的正向設(shè)計。以上設(shè)計方法由團隊自主開發(fā)的Carframe軟件實現(xiàn)。
 
典型的復(fù)雜斷面形狀如下圖所示，其關(guān)鍵性能包括：面積、形心、彎曲慣性矩、扭轉(zhuǎn)慣性矩等。
塑性鉸接頭的創(chuàng)建
傳統(tǒng)的梁單元接頭處連接為剛性連接。本文采用塑性鉸連接，以提高求解精度。創(chuàng)建塑性鉸單元，需要梁的廣義力—廣義位移曲線（包括：軸向碰撞力—位移曲線，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線和扭矩—轉(zhuǎn)角曲線），所以首先調(diào)用LS-Dyna求解之，如下圖所示。
通過以上曲線，可創(chuàng)建塑性鉸接頭單元。其由一個壓縮彈簧，兩個彎曲彈簧和一個扭轉(zhuǎn)彈簧組成，如下圖所示，其中塑性鉸接頭單元為零長度且無質(zhì)量，位于梁單元的兩端。
上述方法嵌入到Carframe中。具體應(yīng)用過程為：首先，設(shè)計出各復(fù)雜橫截面薄壁梁的截面形狀；其次，Carframe調(diào)用LS-Dyna自動求解薄壁梁的廣義力—廣義位移曲線，并創(chuàng)建塑性鉸接頭；最后，使用這些薄壁梁及塑性鉸接頭創(chuàng)建骨架模型，Carframe生成.k文件并調(diào)用LS-Dyna進行碰撞求解。
以下算例驗證了上述提出的方法（注：所有算例均在Intel Core i7 CPU和8 GB內(nèi)存的筆記本電腦上求解）。
案例一 薄壁直梁軸向壓潰
薄壁直梁可用于簡化模擬汽車前縱梁的正碰壓潰。實驗裝置如下圖所示，用于測試沖擊載荷下直梁的變形和位移。詳細有限元模型為單元尺寸8mm的殼單元。簡化模型為11個薄壁梁單元，梁單元之間的每個節(jié)點處建立軸向塑性接頭。邊界條件：梁尾部100 mm完全固定，在剛性墻上施加400 kg的質(zhì)量塊以模擬車身的質(zhì)量，剛性墻以4m / s的初速度碰撞直梁。
上圖分別為三種模型的變形，可以看出頭部的折疊變形幾乎相同。下圖表明，三種模型的碰撞位移趨勢基本一致，最大誤差可以控制在5％以內(nèi)。此外，詳細和簡化模型的計算時間分別為499秒和5秒。簡化模型的計算成本大大降低，且精度完全可以被工程接受。
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