基于LS-DYNA/MADYMO耦合分析方法的侧面碰撞仿真可行性研究

刘淑丹，门永新，彭 鸿，冯擎峰

Liu Shudan，Men Yongxin，Peng Hong，Feng Qingfeng

（吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州 311228）

0 引 言

随着汽车碰撞计算机模拟理论和方法不断发展和完善，涌现出各种用于碰撞仿真分析的商用软件，使得人们不仅可以在汽车碰撞的有限元仿真中处理结构的大变形问题，而且对碰撞过程中乘员的仿真分析也有相应的处理方法，且软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合。

在侧面碰撞载荷情况下，乘员损伤是由于乘员近距离与侵入的车辆结构直接发生接触而导致，给车辆安全设计提出了独特的挑战。在乘员安全设计优化的过程中，可以使用仿真软件和有限元算法在短时间内对乘员伤害进行评估，并优选改进方案。

文中采用显式非线性有限元分析程序LS-DYNA及基于多刚体动力学理论软件MADYMO，对车身结构进行侧面碰撞有限元仿真分析。LS-DYNA软件被广泛地用于汽车被动安全性的数值计算和模拟，MADYMO 软件是汽车界通用的乘员安全性分析软件。前者在国内目前主要用于整车结构碰撞分析，后者主要用于约束系统仿真分析。采用LS-DYNA /MADYMO 耦合分析可以很好地将两者结合，同时考察车身结构并关注乘员伤害[1]。

1 法规简介及耦合方法

1.1 耦合方法

所谓的耦合就是采用两种求解器一起运行，并在两者之间交换数据，实现数据传递与共享。具体的说 LS-DYNA将接触力传输给 MADYMO进行计算后，将接触面位置等信息反馈给LS-DYNA，见图1。

1.2 侧面碰撞法规

我国目前整车安全性法规有强制性汽车碰撞法规及CNCAP星级评价。文中按照2006年开始实施的中国汽车侧碰安全国家标准《汽车侧面碰撞的乘员保护》进行仿真，评价要求见图2。

在侧面碰撞试验中，前排驾驶员位置放置ES-Ⅱ假人。移动变形壁障重量为 950 kg，并以50 km/h的速度垂直撞向试验车辆。移动变形壁障的纵向垂面与试验车辆上通过碰撞前排座椅R点的横断垂面之间的距离应在25 mm内[2]。

2 分析比较

2.1 分析关键点

根据ECE 95法规要求建立分析模型，在实际分析工作中，座椅、安全带及安全气囊可以根据需要采用MADYMO或LS-DYNA模型。

分析采用LS-DYNA的整车有限元模型、移动变形壁障及有限元安全带，MADYMO的 50%的FACET假人，运用扩展耦合的方法进行分析。见图3、图4。

2.2 LS-DYNA关键字的设置

由于MADYMO 与LS-DYNA 使用的单位不一致，使用*CONTROL_COUPLING将两者统一其中，LS-DYNA使用单位制为 mm-s-ton-n，MADYMO使用单位制为 m-s-kg-n。

*CONTACT_COUPLING，用于定义与MADYMO相互接触的 LS-DYNA 模型。这些模型将直接显示在MADYMO的*.KN3文件中，为了更加直观，通常情况下选移动障碍壁及部分车身件[3]。

MADYMO关键字的设置：

1）设置 COUPLING，AUTO_SCALE_ANI 为ON[3]；

2）建立空FE_MODEL指向 COUPLING，用以存储交换数据；

3）耦合时间步长设定一致。

4）DYNA时间要比MADYMO计算时间稍长[4]；

5）动画输出时间一致。

2.3 分析精度比较

在仿真过程中，关键要把握模拟精度，计算结果可信度。分析精度主要从变形、侵入量侵入速度、假人伤害值等量化数据进行考察。当然，分析精度的高低，不仅取决于仿真求解模型的精度，还有求解器、假人模型的精度。通过与实验结果数据的相关性分析，考察耦合分析的可行性。

2.3.1 变形分析

左前门仿真与试验变形一致，门下部出现弯折，左后车门变形一致，但后门变形较仿真明显如图5所示。

左前门槛试验与仿真变形基本一致，但铰链变形试验较仿真明显。B柱下部变形基本一致，如图6所示。

移动MDB壁障仿真试验对比，如图7所示。从局部细节分析，该车型各关键位置变形相对一致。

2.3.2 侵入量及侵入速度分析

为方便对比，B柱从上至下取11个测量点，左侧门槛从前到后等距取12个测量点进行侵入量采样分析；B柱从上至下取 7个测量点进行侵入速度采样分析。

整体上看，侧面B柱侵入量仿真与试验整体上差异较小，如图8所示。左侧门槛外板侵入量，如图 9所示，仿真试验对比基本一致，与试验有较好的一致性。B柱侵入速度，如表 1所示，与试验误差均较小，同试验有相当好的一致性。

以上对比分析说明，耦合有限元模型与试验车在车身结构上具有良好的一致性。

表1 B柱侵入速度 m/s

2.3.3 假人伤害值分析

侧面碰撞假人伤害值主要考察肋骨变形量、肋骨VC、T12Fy、T12Mx、背板力Fy、腹部力、耻骨力各项，采用的耦合分析与试验结果对比见图10，各项CAE仿真与试验结果的趋势一致、数值接近，其中上肋骨变形量、腹部力误差在 10%以内，中下肋骨变形量、T12Mx误差在15%以内；耻骨力、背板力Fy误差保持在20%以内；T12Fy误差在25%以内。如表2所示。

在一定程度上，运用耦合分析假人误差在可接受范围内。本次分析中，误差相对较大的项为背部各项指标，其主要原因有FE模型误差、假人本身误差。由于个别伤害项如肋骨VC本身基数较小，相对误差变化灵敏。

2.3.4 总体评价

通过车身变形、侵入速度、侵入量及假人伤害值等各项分析，采用两种求解器耦合的方法，能够实现碰撞结构及乘员伤害的评估，同时比较了试验与假人伤害值上的差异，两者之间相差不大，在可接受范围内，说明运用这种分析方式能够满足日常仿真分析要求。为以后仿真工作，拓宽了分析途径，可根据不同的分析要求，适当选择。

2.4 分析效率比较

为比较两种求解器计算效率，通过设置同等条件硬件比较分析。采用计算中心 16 CPU并行计算，两车型计算时间见表2。运用耦合分析的方法，同等条件下增加 12%～20%左右计算时间，降低了计算效率。

表2 计算效率 h

3 结 论

采用 LS-DYNA/MADYMO耦合分析精度满足分析要求，由于采用MADYMO假人，在现有FE假人的基础上，新增了一套分析假人，提供了一种不同的分析途径。同时运用耦合分析的方法，可以避免由于采用 LS-DYNA假人出现的负体积问题而导致的计算无法继续的情况发生，并提高计算效率。

优点：

1）避免由于采用LS-DYNA假人负体积问题而导致的计算终止；

2）不仅适用侧面碰撞仿真，实际上在头部碰撞内饰、行人保护碰撞等分析项目上均适用。

缺点：

1）在分析精度不变情况下，提升分析效率，同等条件下比单纯 LS-DYNA分析增加 12%～20%计算时间；

2）需要配备两种求解器：LS-DYNA和MADYMO。在前期软硬件配置费用上投入更多。

3）对分析人员要求较高，需同时熟练掌握MADYMO及LS-DYNA。

通过LS-DYNA/MADYMO侧面耦合分析，从耦合分析的精度、优点、缺点说明侧面耦合分析可行性，为后续设计开发分析方法选择提供参考意见。

[1]马志雄，朱西产，陶颖，等. 侧碰试验中车门运动与假人伤害响应的相关性[J]. 汽车技术，2010，01：48-56.

[2] GB 20071-2006，汽车侧面碰撞的乘员保护[S].

[3]MADYMO Coupling Manual Release 6.4[M].June 2007：1-36.

[4]LS-DYNA_971_manual[M].May 2007：I.1-I.3.