基于Hypermesh的整车正碰分析

胡珀　余强　宋若旸　赵轩

摘 要：文章构建车辆的有限元模型，进行正面100%刚性壁障碰撞的模拟仿真，来分析车辆结构的潜在缺陷和合理性，主要内容为：（1）介绍整车中各个铰链以及加速度传感器的建立，对整车各个结构部件进行了连接设置，对整车的接触设置进行了说明，对材料的设置、刚性墙的建立以及控制卡片的导入进行说明。（2）利用Hypermesh和 LS-DYNA对模型进行计算，利用HyperView查看输出结果。（3）根据仿真计算的数据，对模型的合理性进行评价分析，发现前围板入侵量和B柱右侧加速度的指标偏大，影响了汽车的安全性能。关键词：正面100%碰撞;有限元;Hypermesh;LS-DYNA中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）02-40-05

Abstract： Full-text finite element model， 100% self-confrontation， wall-fault-like imitation， future analysis， implicit latent rationality. Main contents： （1） The theoretical basis of the finite element method is introduced， and the establishment of each hinge and acceleration sensor in the whole vehicle is introduced. The structural components of the whole vehicle are connected and set， and the contact setting of the whole vehicle is explained. The establishment of a rigid wall and the introduction of control cards are described. （2） Calculate the model using Hypermesh and LS-DYNA， and use HyperView to view the output consequence. （3） According to the data calculated by the simulation， the rationality of the model is evaluated and found that the intrusion of the dash panel and the acceleration of the right side of the B-pillar are too large， which affects the safety performance of the car.Keywords： Positive 100% collision; Finite element; Hypermesh; LS-DYNACLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）02-40-05

前言

針对当今严重的交通事故，各国的工程技术人员都在努力提高汽车的安全性能。中国采用的标准是C-NCAP，是将在市场上购买的新车型按照比我国现有强制性标准更严格和更全面的要求进行碰撞安全性能测试，评价结果按星级划分并公开发布，旨在给予消费者系统、客观的车辆信息，促进企业按照更高的安全标准开发和生产，从而有效减少道路交通事故的伤害及损失。本文旨在介绍一种主流整车有限元前处理的方法，通过后处理的输出结果对某车型结构的合理性进行评价。

1 乘用车正碰有限元模型的建立

1.1 有限元分析的理论介绍

有限元分析（Finite Element Analysis）假定将刚体分割成数目有限多的小单元，在计算的时候将相临近的有限单元在几何的节点处相互连接，即将自由度无限的刚体在传递力和扭矩时进行简化，然后将计算域打散成一个一个可以迅速计算的小块。最后再通过连接关系将这些小块一一的连接起来，同时采用矩阵分析来进行计算，最终转化为有限元自由度的计算问题^[1-2]。

1.2 常用连接关系的建立

对于整车的骨架连接采用1D-rigid进行连接（二氧化碳保护焊），该方法简单，而且不需要为连接的单元建立属性和材料。

柔性体之间采用焊接单元1D-connectors-spot，选用焊点材料mat100和焊点属性solid来模拟焊点。然后添加集合，选择焊点为从面，而焊接层数则根据实际来选定。

对于刚性单元可用焊缝进行连接（seam），但是得保证焊缝位置得网格节点对齐。

对于模拟体单元一般用胶粘进行连接（area），而对于要粘接得两个件，在粘胶得位置保证网格对齐^[3-4]。

1.3 加速度传感器的建立

首先选择B柱下方梁的四个节点，利用tool面板中translate功能键将梁上的4个节点平移到Z轴方向（利用duplicate），根据平移的4个节点，通过使用rigid单元创建一个2D网格，再利用平移功能建立加速度刚体盒子;在刚体盒子上表面通过共节点的方式建立加速度传感器单元（单元类型为ACCEL的三角形单元），因为刚体盒子赋予的是刚性材料MAT20，而梁单元又是一个柔性体，所以采用ConstrainedExtraNode，将刚体盒子与柔性体进行绑定，同时建立输出节点卡片，3个节点分别按照右手定则设置在加速度传感器的节点上。如图1所示：

1.4 有关整车的铰链建立

1.4.1 球铰的建立

一般连球铰两端是刚性体，通常在刚体两端先分别拉处三角形单元，再从1D面板中选择fe jionts，建立无属性的球铰单元，并将点1和点2的位置替换到两者的中点上，但不共节点。如果球铰两端是柔性体，则不能直接建立jionts单元，先通过rigid单元分别在柔性体梁上拉出reb2，利用2个属性为刚性的reb2节点来创建fe jionts。如图2：

1.4.2 刚体和刚体之间的万向节建立

一般通过rigid单元分别在柔性体梁上拉出2个reb2单元，然后分别在各自连接端的2d网格一边的中点建立临时节点，确定1、2、3、4点，按照节点顺序分别建立universal单元，建立万向节后把1和2点拉到中点，通过circle center功能键保证3（1和2）4点成90°即可，如图3：

1.4.3 柱铰的建立

考虑到转向管柱是柔性体，首先在柔性体上建立RB2刚性单元，再建立铰链的四个点，用rigid功能键将刚体与节点通过reb2进行连接，再按照节点顺序建立铰链（cylindrical），最后1、2节点和3、4节点分别合并，如图4所示：

1.4.4 转铰的建立

建立4个临时节点，1、3节点和2、4节点利用Constrained ExtraNode功能键分别与转向节和制动盘做刚性体与柔性体的接触连接，保证节点和转向节和制动盘具有相同的运动形式，最后再按节点顺序来建立转铰（revolute）来保证轮胎在仿真模拟中的真实性，如图5所示：

1.5 材料屬性的设置

对于整车碰撞仿真，主流的材料属性有MAT1、MAT20、MAT24、MAT100等材料卡片。

MAT1是定义属性各向同性的材料，指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同，亦称均质性。

MAT20是定义刚体材料常用的属性，该属性特点保证计算中所定义刚体的节点在碰撞中保持相对位移不变，一般发动机、轮毂、水箱用MAT20来定义。

MAT24是用于定义汽车里大多数的零部件部分，是一种能够反映材料弹塑性的力学性质^[5]。

MAT100则是用于模拟焊点材料，能够真实的模拟实际中焊点的断裂特性。

1.6 碰撞仿真中接触的介绍

在LS-DYNA中，接触是通过给定需要的程序来检查，可能发生从节点穿透主面段的位置（location）来定义的，这里的“位置”可以来自部件、部件集合、面段集合以及节点集合。在计算中的每一个时间步，程序会利用多个算法中的某一种来查找可能发生的穿透。例如在基于罚函数的接触中，当程序检测到穿透发生，就会对穿透的节点施加穿透深度成比例的力以便抵抗穿透的继续进行，并最大可能地消除已经出现的穿透现象。

1.6.1 常用接触类型的选取

（1）用于刚性体与柔性体的连接接触类型：Constrained ExtraNode;

（2）用于刚性体之间的连接接触类型：ConsRigid Rbody;

（3）用于整车碰撞刚性墙时的自接触连接类型：Single Surface;

（4）用于柔性体与柔性体的连接接触类型：FacetoFace。

1.7 刚性墙的建立

在模型正前方和轮胎静半径建立临时节点，分别来模拟刚性墙和地板。其中通过rigid wall中的geom面板选择几何点，再通过add面板中的接触从面选择整车来更新刚性墙作用的对象，并将刚性墙的作用方向设定为与汽车运动的相反方向（X轴方向）。

1.8 速度和加速的设置

通过加载集（Loadcols）建立初速度（initialVel）和重力加速度（LoadBody）。因为设定单位为mm/s，所以设置的速度大小为13888.89mm/s，方向为X轴负方向。加速度值大小为9800mm/s²（创建xlplot来建立加速度曲线），方向为Z轴正方向。

1.9 控制卡片的介绍

碰撞分析控制卡片包括控制求解和控制输出结果，一般来说控制卡片的标准都是统一的，调用时直接通过k文件导入，下面介绍主要的控制卡片类型。

（1）CONTROL_ENERGY（能量耗散控制）：整车碰撞的过程是动能与内能的相互转换，该卡片是用于计算沙漏能、刚性墙的耗散能量、接触滑移的耗能和阻尼的耗散能，从而判断整车正碰仿真的准确性。

（2）CONTROL_HOURGLASS（沙漏控制）：通过采用全积分单元，对整车网格进行细化，得到精确结果。

（3）CONTROL_TERMINATION（计算终止控制）：用来设置碰撞的计算时间，由于正碰、侧碰的计算时间标准不同，对不同类型碰撞的设置只需要设置不同的终止时间。

（4）CONTROL_CONTACT（接触控制）：当刚体作用于刚性墙或计算发现网格较大穿透量时，用于调节惩罚函数因子系数来激活新的接触算法。

（5）DATABADE_BINARY_D3PLOT（完全输出控制）：通过改变时间步长的输出间隔来输出碰撞动画的时间间隔。

2 汽车正碰仿真的结果分析

将正碰模型导出为k文件的格式，采用LS-DYNA仿真软件进行计算，后处理用HyperView对计算的结果进行查看，从整车变形、能量变化曲线、部件侵入量对整体进行评价。

2.1 整车碰撞变形过程

在计算中，因为步长设置较小，只截取部分时刻的变形情况。图分别显示了整车在5ms，25ms，45ms，65ms时刻的变形情况。在5ms～25ms整车接触刚性墙，保险杠、发动机盖已经发生明显变形;在25ms～45ms，汽车因为前端装上刚性墙开始后移，前轮罩、前纵梁和传动轴开始变形;在45ms～65ms，又因为汽车前端已经变形充分，导致后轮开始抬起，而车门在整个过程中变形较小，如图6所示：

2.2 质量增加曲线

仿真软件在计算的过程中，因为算法的不同和计算的精确度的选取，计算出来的模型会有质量的增加，而质量增加曲线又是一个判断仿真结果准确性的重要指标，为此我们引出质量增加曲线。碰撞仿真的标准是质量增加比要小于5%，图上在120ms时质量增加约为0.0073kg，该模型车重1.267t，质量增加约0.6%，所以满足仿真的标准，如图7所示：

2.3 能量曲线

汽车发生正碰的过程是一个能量守恒的过程，即动能和内能相互转化，而少部分能量以其他的形式耗散。在整个过程中输出了动能、内能、沙漏能、总能量四条能量曲线，设置沙漏是为了提高汽车碰撞仿真的效率，但是沙漏超过5%会降低仿真结果的准确性，所以沙漏能的变化百分数要控制在一定范围，如图8所示：

从图中可以看到，总能量约为165KJ（纵坐标单位设为10^-3J），沙漏能最终保持在6KJ，占总量的3.64%，符合正碰标准。而整个仿真结果的总能量波大很小，在碰撞过程中，动能逐渐转变为内能，符合能量守恒。

2.4 B柱加速度曲线

在正碰的过程中，变形主要发生在B柱之前，所以在B柱下部设置加速度传感器。加速度曲线的输出，一般先输出速度，再进行求导，最后经过滤波得到，这样得到的数值是最准确的。如果对位移曲线进行二重求导，导致数据的丢失，使得计算结果准确性大大下降^[6-8]。下图9为加速度图：

整个过程中，B柱加速度峰值为51.9742g，大于40g的标准值，而对于安全性能为五星级汽车的加速度峰值要小于35g，还有一点差距，所以需要進一步优化车身结构。

图9  B柱加速度曲线图

2.5 前围板入侵量

汽车再碰撞过程中，汽车前方的零部件因碰撞后会挤压汽车前围板，造成前围板向驾驶室入侵，造成对驾驶员的额伤害。通过在汽车后部纵梁设置相对参考系，将前围板单独拿出来输出应变云图，如图10所示。同时选取前围板八个点进行分析如图11，测量点的位移曲线如图12所示。由上图可以看出，碰撞过程中最大变形量发生在前围板中部的左侧部分，最大位移为236mm，靠近排气歧管位置。前围入侵量目标值设定为200mm，点2050775和点 2051764入侵量不满足要求，变形量太大，入侵了驾驶员的生存空间，需要进一步改进。

2.6 前车门变形量

当车辆发生正碰时，机舱上边梁区域和刚性壁障接触很大，会传递大部分能量到A柱的结构区域，同时机舱上边梁区域零件的结构强度和刚度很低，只吸收很小部分的能量，绝大部分能量传递到了A柱，使得A柱内板、加强板和上边梁等零件发生很大变形，使得前车门逃生空间小，降低了驾驶员的逃生率。为此输出了车腰线和车门槛部位的相对变形量，如图13、图14所示：腰线部位最大相对变形量为38.39mm，门槛部位最大变形量为15.12mm。

3 结论

本文对整车模型进行了较为全面的分析，对下述几个方面进行详解：

（1）输出模拟仿真中质量增加的曲线，验证了计算的可靠性。

（2）以动画的型式输出整车不同步长内的碰撞变形程度，进一步展现了整车碰撞的情况。

（3）从能量角度方面进行入手，对碰撞中各个能量曲线进行表达，分析了整车的变形过程。

（4）分析了正碰的相应指标：B柱的加速度、前围板入侵量、车门变形量，结果显示B柱加速度高于标准值40g，

前围板入侵量略高于20mm的设定值，需要进一步优化。

参考文献

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