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安全性研究的重要內(nèi)容，也越來越多的受到政府、汽車制造商，以及消費者三方共同關(guān)注。作為汽車企業(yè)，為滿足消費市場的碰撞安全法律法規(guī)要求，以及越來越嚴(yán)格的新車碰撞安全星級評價（NCAP）要求，已經(jīng)廣泛采用虛擬仿真技術(shù)來解決真實的車輛碰撞問題。

 在一些實際的側(cè)面碰撞事故中，出現(xiàn)過車輛碰撞過程中存在車門開啟的情況，這必然造成車內(nèi)乘員被甩出車外的危險，直接影響乘員的生命安全。故在中國的法規(guī)GB20071-2006的特殊要求中4.3.1條規(guī)定：在碰撞試驗過程中，車門不得開啟；而對于歐盟的法規(guī)ECER95的5.3.1條也有著相同的要求。除了法律法規(guī)對車門開啟有著這樣要求，NCAP也有著對此更為嚴(yán)格的評價，例如中國2012版C-NCAP的2.1.3.3條有總體罰分項規(guī)定：對于兩側(cè)的每一個車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去1分；而歐盟EuroNCAPV6.0中4.2.4條規(guī)定：側(cè)碰試驗中每開啟一個門（車門包括后背門和天窗），則總得分扣掉1分，且門開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求解汽車碰撞的大變形非線性問題，而顯示時間積分求解就涉及到時間步長問題，只有時間步長小于臨界時間步長時，計算結(jié)果才能穩(wěn)定。臨界時間步長求解公式如下：

 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，其特征長度受實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，故若時間步長為1us，則單元的特征長度為5mm。由此可知，單元尺寸越小，其時間步長也越小，故而在有限的計算資源條件下，所花費的計算時間也就越多。通常在汽車碰撞仿真計算中，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，才能在較短時間內(nèi)提供正確的計算結(jié)果，滿足工作需求。

 在側(cè)碰中門開啟影響因素中，除了受到車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形影響之外，門鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度和空間布置等也影響著門體開啟。故對于門鎖結(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鎖結(jié)構(gòu)簡化模型和細(xì)化模型。由于門鎖細(xì)化模型單元尺寸在1mm左右，故而減小計算整車的時間步長，增加計算時間，給工程應(yīng)用上帶來一定的麻煩。為此Altair在RADIOSS求解器中提供了多域求解技術(shù)來解決同一個模型涉及到時間步長不一致的問題，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間步長求解計算獨立的子域模型，然后在主控程序（RAD2RAD）的穩(wěn)定約束條件下計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門鎖結(jié)構(gòu)的簡化模型（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)碰后門開啟的仿真模型主要有整車模型，后門鎖系統(tǒng)子模型，以及側(cè)碰移動可變性壁障（MDB）組成，如圖3所示。MDB模型由Altair公司提供，并經(jīng)過相應(yīng)的對標(biāo)和驗證。采用RADIOSS的多域求解技術(shù)需要對子域模型的建立、連接以及接觸等重新定義，下面將逐一進(jìn)行說明。

圖3側(cè)面碰撞仿真模型

 （1）門鎖子域模型的建立

 后門鎖子模型包含有門鎖機構(gòu)、鎖體拉線，以及內(nèi)、外開把手機構(gòu)等，見圖3a所示。為了區(qū)分子域模型，通過RADIOSS的前處理軟件HyperCrash在主域中定義一個門鎖系統(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Part集合（/SUBSET）。由于門鎖內(nèi)部開啟機構(gòu)較為復(fù)雜，為了模擬開鎖機制，工程上可采用調(diào)節(jié)拉線行程來控制鎖舌的旋轉(zhuǎn)開啟。由設(shè)計部門可獲知內(nèi)、外開拉線開啟力分別為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)其一就可將門鎖打開。通過在內(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)彈簧開啟的必要條件，并由相應(yīng)的傳感器（/SENSOR/OR）參數(shù)來控制判定，以此實現(xiàn)門鎖開啟仿真，如圖4所示。

圖4門鎖開啟前狀態(tài)（左）和門鎖開啟后狀態(tài)（右）

 （2）門鎖子域模型的連接

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

 （3）門鎖子域模型的接觸

 由于采用多域求解，故在定義接觸時，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鎖子域的自接觸、后門鎖子域與MDB的接觸，以及后門鎖子域與整車的接觸。在定義后門鎖子域與整車的接觸（/INTER/TYPE7）時，需要注意兩點：其一，后門鎖子域和整車定義接觸時，整車側(cè)選擇范圍要合理，保證有效接觸；其二，若后門鎖子域與整車采用TYPE2接觸做連接，此處節(jié)點位置不滿足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明，若要調(diào)用多域求解計算還需要對RADIOSS的Engine文件做相關(guān)的調(diào)整，見表1所示。

表1主域和子域的Engine文件的設(shè)置

 4、計算結(jié)果

 整個側(cè)碰模型建立完成，采用RADIOSS進(jìn)行相應(yīng)的求解計算，通過結(jié)果文件重點考察分析了后門鎖系統(tǒng)的變形和拉線受力情況，以此判斷在側(cè)面MDB碰撞過程中后門體是否存在開啟的情況。

 （1）鎖體結(jié)構(gòu)變形

 鎖體結(jié)構(gòu)完整性是考察側(cè)碰中門開啟條件之一，若是鎖體結(jié)構(gòu)無法承受側(cè)碰的撞擊力而失效，則門體必然會開啟。通過觀察鎖體結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變，鎖體整體結(jié)構(gòu)沒有受到破壞，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)變云圖                   圖6拉線受力時間歷程圖

 （2）拉線受力

 由圖5鎖體應(yīng)變云圖可知，在圓圈區(qū)域即外開拉線與鎖體連接處，應(yīng)變值較大，這說明此處的外開拉線受力也比較大。輸出拉線的受力時間歷程如圖6所示，從圖中可看出外開拉線受力值在16ms之后已達(dá)到其開啟力，說明后門存在開啟風(fēng)險；而內(nèi)開拉線由于受力很小，對后門鎖開啟基本無影響。

 進(jìn)一步對外開拉線受力分析可知，外開拉線除了與鎖體連接之外，另一端同外開把手的轉(zhuǎn)動機構(gòu)相連，由平衡塊來控制外開把手的開啟，由此可知平衡塊所受到慣性力較大，是引起后門開啟的原因之一，如圖7所示。而外開拉線受力也可以受到門體鈑金件變形擠壓的影響，同樣也會帶動鎖體內(nèi)部鎖舌轉(zhuǎn)動打開車門。

圖7外開把手的平衡塊運動狀態(tài)（后視圖）

 考慮到更改車身結(jié)構(gòu)來減小拉線受力方案，會帶來開發(fā)周期長，成本大等影響，故建議對門鎖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，可以對平衡塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少相應(yīng)質(zhì)量，以便減小慣性力；或是對拉線布置進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，增加長度，減弱拉線受力。

 最后將側(cè)碰后門開啟仿真分析結(jié)果以及改進(jìn)方案同設(shè)計部門進(jìn)行溝通反饋，設(shè)計部門綜合采納以上相關(guān)建議，對門鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。而在此之后的相關(guān)側(cè)碰試驗中也驗證了分析的正確性，未曾發(fā)生過側(cè)碰后門開啟的情況。

 5、結(jié)論

 本文利用RADIOSS多域求解的技術(shù)，建立后門鎖機構(gòu)的子域模型，模擬后門開啟過程，通過仿真結(jié)果分析后門開啟的原因，并提供相關(guān)的解決方案，有效的支持設(shè)計開發(fā)，減少后期設(shè)計變更和試驗費用。

 本文只是在汽車側(cè)碰仿真應(yīng)用的例子，其實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)計部門再現(xiàn)動態(tài)過程和支持進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

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