基于保險杠低速碰撞有限元分析

2016-12-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

保險杠系統(tǒng)是是各種類型車的一個重要組成部分,當其中一輛車與其他車輛或障礙物發(fā)生低速碰撞(通常小于10km/h)時,保護翼子板、散熱器、發(fā)動機罩和燈具等部件;當汽車與行人發(fā)生碰撞時,最大限度地保護行人。由于保險杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護這兩方面起著關鍵性的作用,因此是國內(nèi)外汽車被動安全領域中的一項重要的研究內(nèi)容。世界各國也對保險杠的耐撞性有具體的法規(guī)和試驗規(guī)范要求。

常見的保險杠系統(tǒng)通常由橫梁、吸能盒支架等部分組成,其中橫梁和吸能盒支架都可作為緩沖吸能件。其吸能效果的好壞將直接影響其安全性能。為對保險杠的低速碰撞響應進行研究,通常獨立對以上幾個部件建立簡化模型進行碰撞仿真研究。最后根據(jù)仿真結果,將設計不合理的地方進行改進和優(yōu)化設計,從而大大降低了人力和物力,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,提高企業(yè)的經(jīng)濟效益

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保險杠幾何模型的建立

保險杠幾何模型的建立使用solidworks三維建模軟件,solidworks具有強大的三維建模能力,能生成各種復雜的零部件、裝配體及曲面。本模型有保險杠、緩沖盒組成,另外還有簡化的墻壁和車身,形狀如下圖所示。

圖1

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有限元模型的建立

有限元模型的建立在具有強大的前處理功能的hypermesh中生成,通過將建立的三維模型保存成.IGES的中間格式,然后再輸入到hypermesh中,對其進行網(wǎng)格劃分。Hypermesh的網(wǎng)格劃分功能是其他有限元分析軟件中無法比擬的,它具有隨意、靈活等特點,能夠根據(jù)不同的要求來劃分成不同類型的網(wǎng)格,比如四面體、五面體以及六面體等。

2.1 幾何清理

當模型導入進hypermesh之后不應立即對其進行網(wǎng)格劃分,首先要對整個模型進行觀察。有限元分析對模型的要求和CAD模型不同.CAD模型需要精確的幾何表述,包含有很多的幾何細節(jié)特征,如圓角、小孔等.而這些細節(jié)在有限元分析時,需要用很小的單元才能精確描述,這將導致求解時間過長.因此,在有限元分析時,需要簡化掉一些細節(jié)信息,以便于網(wǎng)格劃分和計算分析.

此外,CAD模型導入HyperMesh后,產(chǎn)生了一些幾何信息錯誤,如導入的曲面存在一些縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷,直接進行網(wǎng)格劃分會導致網(wǎng)格質量低下,影響求解精度.所以,在導入CAD模型后,要進行必要的幾何清理,改正導人的模型所存在的缺陷,清除不必要的細節(jié),形成一個簡化的模型,以便進行網(wǎng)格劃分,獲得較好的網(wǎng)格質量,提高計算精度.

2.2 材料與單元的選取

在進行計算分析時,材料的選取是否得當將直接影響最終的分析結果,為了使得整個保險杠系統(tǒng)有著很好的緩沖作用,故對整個模型選用材料MAT24。MAT24是一種能夠反映材料彈塑性力學特性的材料模型,非常適合作為保險杠的材料選取。而對于墻壁則采用材料MAT20,MAT20是一種剛性體材料模型,使用這種材料的部件所有節(jié)點將保持相對位移不變,故能很好的模擬墻體的剛性。

整個保險杠的系統(tǒng)基本上是由帶一定厚度的薄殼組成,而且其長度方向的尺寸遠遠大于厚度方向的尺寸,符合殼單元的理論假設,因此整個保險杠系統(tǒng)以殼單元的形式進行離散化。根據(jù)可單元的厚度整個模型以邊長為10mm的四邊形進行網(wǎng)格劃分。而對于整個車身則使用一個集中質量單元來進行模擬,這樣既簡化了模型的復雜程度,為計算節(jié)約大量的時間,同時又能達到模擬的效果。整個有限元模型的劃分如圖2所示

圖2

在對整個模型進行有限元劃分網(wǎng)格之后,還要對網(wǎng)格進行質量檢查,包括單元的長寬比、雅克比、扭曲、翹曲,最大角以及最小角等,看是否滿足所要的值,經(jīng)過調(diào)整后所有的網(wǎng)格滿足各項參數(shù)指標。

2.3 邊界與載荷的加載

在這個模型中,只需將剛性墻體進行邊界約束,且各個方向的自由度值均為零,這樣更能真實的觀察到當保險杠撞擊墻體后,整個保險杠的變形情況。將保險杠與整個車身視為一個整體,并給定一個4m/s,且垂直于墻體的速度撞擊墻體。

2.4 求解

對于在hypermesh中完成所有前處理后,就要將文件輸出遞交給求解器進行求解。本文所使用的求解器是LSTC公司研發(fā)的LS-DYNA這款有限元分析軟件。LS-DYNA其時間積分采用中心差分格式,以Lagrange算法為主,主要用于求解三維非彈性結構在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動力學響應問題,并能夠很好的模擬真實世界的各種復雜問題,特別是適合求解各種二維、三維非線性結構的碰撞、金屬成型等非線性動力學沖擊等問題。

將hypermesh中的有限元模型以K文件的形式輸出,此時在hypermesh中建立的模型相關信息與控制信息都將寫入K文件中,然后將K文件提交給LS-DYNA進行有限元計算。

2.5 計算結果查看

LS-DYNA求解完成后,將結果文件導入到結果后處理軟件LS-prepost中進行結果觀察。如下圖所示,圖3顯示的是塑性應變圖,從整個圖來看塑性應變發(fā)生最大處在緩沖盒與前保險杠鏈接的部位;圖4顯示的是整個模型的壓力視圖,從圖中可以觀察到壓力發(fā)生最大處保險杠與墻體接觸的部位以及緩沖盒與保險杠鏈接的部位;圖5是應力視圖,從圖中可以看到應力發(fā)生最大處是在保險杠與墻體接觸的部位以及相對應的后方部位,其次是緩沖盒與保險杠連接的部位;圖6是剪切應變圖,它與應力圖受力最大部位相同,只是數(shù)值不一樣。從這幾個受力視圖可以看到保險杠后方部位(車身部分)基本不受力,從而保險杠也就達到了對車身的保護作用。