Abaqus在汽車碰撞安全分析中的應(yīng)用

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

汽車交通事故中每年的死傷人數(shù),常常超過世界局部戰(zhàn)爭,所以交通事故已經(jīng)成為人類社會(huì)的公害之一。因此,從汽車設(shè)計(jì)角度來看,改善和提高車輛安全性設(shè)計(jì),減低交通事故的傷亡是各國汽車行業(yè)研究的重要課題。

在仿真技術(shù)誕生之前,對汽車安全性能的提高,汽車工業(yè)不得不沿用傳統(tǒng)的手段,不僅導(dǎo)致推出一項(xiàng)新產(chǎn)品需要花費(fèi)很長時(shí)間,而且使汽車的安全性能也只能停留在最低水準(zhǔn)——?jiǎng)倓偰軌驖M足有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。有了仿真技術(shù)這一新的研究手段,使得我們可以在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)先評(píng)估汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性,有利于盡早發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),對整個(gè)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程進(jìn)行有效的指導(dǎo)。汽車新產(chǎn)品從概念形成到開發(fā)成功的過程被迅速縮短,汽車的安全性能也逐步有了保障,尤其是1985年后用于求解大位移、大轉(zhuǎn)角、大應(yīng)變、接觸碰撞問題的強(qiáng)非線性有限元方法的成熟,更為汽車的被動(dòng)安全性研究開辟了新的途徑。鑒于此,現(xiàn)在汽車碰撞安全分析已經(jīng)成為汽車CAE分析中的一個(gè)重要方面,CAE仿真技術(shù)已成為代表當(dāng)今汽車企業(yè)與研發(fā)機(jī)構(gòu)水平的重要標(biāo)志之一在縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間,提供汽車安全性和減低生產(chǎn)成本方面起著重要的作用。

在汽車碰撞安全方面ABAQUS與BMW、FIAT、GM、HMC等大的汽車制造商從部件級(jí)分析,整車碰撞以及乘員安全等方面進(jìn)行了全面的合作,并造商的汽車碰撞安全分析中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

Abaqus在汽車碰撞安全分析中的特點(diǎn)

汽車碰撞是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)問題,是一個(gè)動(dòng)態(tài)的大位移和大變形過程,接觸和高速?zèng)_擊中載荷影響著碰撞全過程,系統(tǒng)具有幾何非線性、材料非線性和邊界非線性等多重非線性行為。同時(shí)隨著碰撞分析的深入,分析模型包括的組件越來越多,模型規(guī)模越來越大,對整個(gè)分析的并行計(jì)算的功能的要求也越來越高。

在汽車碰撞的模擬計(jì)算中,接觸問題的處理是一個(gè)重點(diǎn)。接觸不僅發(fā)生在車與外界之間、汽車各個(gè)部件之間,而且汽車的某一個(gè)部件都可能發(fā)生自身的接觸碰撞。ABAQUS中采用通用接觸方法來進(jìn)行碰撞中接觸的設(shè)置,只需在設(shè)置中把所有關(guān)心的部件都包括進(jìn)去(用戶可以通過BOX式的設(shè)置,隨意選擇欲設(shè)定的接觸區(qū)域)隨后程序會(huì)自動(dòng)搜索相關(guān)的接觸區(qū)域,考慮點(diǎn)到面之間的接觸以及邊到邊和邊到梁的接觸,并進(jìn)行計(jì)算,極大的方便了復(fù)雜模型接觸問題的處理。同時(shí)對用戶比較關(guān)心的接觸區(qū)域,還可以采用接觸對的方式對接觸力等進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分析。

汽車碰撞中,車輛中的薄壁構(gòu)件是主要的吸能構(gòu)件,在碰撞中,部件一般都會(huì)經(jīng)歷大的變形,具有不同程度的塑性變形,很多時(shí)候結(jié)構(gòu)發(fā)生褶皺變形產(chǎn)生大的塑性變形;同時(shí),在不同的碰撞下,材料會(huì)表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能,材料的這種率相關(guān)效應(yīng)也必須考慮。ABAQUS具有豐富的材料本構(gòu)供客戶選擇,同時(shí)可以考慮與溫度,速度等相關(guān)的材料性能。對于應(yīng)用于汽車中的泡沫吸能材料,ABAQUS也有相關(guān)的HYPERFOAM進(jìn)行相關(guān)的模擬。

在汽車碰撞中,構(gòu)件一般會(huì)經(jīng)歷大斷裂和失效。ABAQUS一直將斷裂和失效作為CAE模擬的一個(gè)發(fā)展方向,爭取在五年之內(nèi)使得斷裂和失效在CAE分析中的應(yīng)用與現(xiàn)在的塑性變形一樣進(jìn)入常規(guī)的分析中。在焊接的模擬方面,ABAQUS引入了與網(wǎng)格無關(guān)的焊點(diǎn),ABAQUS通過向最近的表面投影參考點(diǎn)的方法確定焊點(diǎn)與表面相連的位置,即使在網(wǎng)格重新劃分以接關(guān)系。同時(shí),可以設(shè)置焊點(diǎn)的失效參數(shù),引入漸進(jìn)失效模型,對焊點(diǎn)的失效進(jìn)行更為真實(shí)的模擬。

在汽車碰撞的模擬分析中,隨著模擬程度越來越細(xì),模型規(guī)模越來越大,機(jī)單CPU并行花費(fèi)太多的時(shí)間,例如對于一輛整車的碰撞模擬,一般要包含數(shù)十萬個(gè)單元,采用中心差分法利用顯示積分格式進(jìn)行計(jì)算,通常要計(jì)算數(shù)十萬個(gè)時(shí)間步長,因此,進(jìn)行多機(jī)多CPU并行計(jì)算非常必要,也是以后碰撞模擬的趨勢所在.ABAQUS支持分布內(nèi)存并行和共享內(nèi)存并行計(jì)算功能。ABAQUS6.5-1的并行測試為例,對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的鳥撞模型進(jìn)行并行分析,模型包含221,508 個(gè)單元和1.3M個(gè)自由度。采用ABAQUS并行分析,8CPU加速比可以達(dá)到6,由此可見ABAQUS具有良好的并行功能,可以滿足汽車碰撞大規(guī)模模型分析的要求。

Abaqus在汽車碰撞中的應(yīng)用

提高汽車的被動(dòng)安全性可以從兩方面著手,第一,提高汽車的安全結(jié)構(gòu),使得汽車碰撞部位的塑性變形盡量大,吸收較多的能量,確保乘員的生存空間。第二,使用乘員保護(hù)系統(tǒng),如安全帶、安全氣囊等乘員保護(hù)裝置對乘員加以保護(hù),避免二次碰撞的出現(xiàn),以達(dá)到保護(hù)乘員的目的。因此,汽車碰撞的模擬也包括結(jié)構(gòu)分析和乘員保護(hù)分析。

結(jié)構(gòu)碰撞分析中的應(yīng)用

汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)中包含五個(gè)方面的內(nèi)容,即:前撞,后撞,側(cè)撞,頂部壓垮(roofcrash)和側(cè)門強(qiáng)度(sidedoorstrength)。在此我們僅舉其中較為重要的正面碰撞和側(cè)面碰撞的實(shí)例。

正面碰撞

據(jù)分析,在汽車碰撞事故中,發(fā)生正面碰撞的約占64%,側(cè)面碰撞占20%,尾部碰撞占6%,因此汽車撞擊試驗(yàn)重點(diǎn)是正面碰撞。

汽車正面碰撞模擬汽車碰撞分為帶乘員約束系統(tǒng)和不帶乘員約束系統(tǒng)兩種方法,碰撞中汽車結(jié)構(gòu)模型應(yīng)包括:完整的白車身,包括前后風(fēng)窗;保險(xiǎn)杠系統(tǒng),包括低速吸能系統(tǒng);前門(帶玻璃);發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和固定零部件;排放系統(tǒng);前懸掛系統(tǒng);空調(diào)和散熱器;轉(zhuǎn)向系統(tǒng);儀表板固定梁;輪胎模型等。乘員約束系統(tǒng)包括駕駛員座椅系統(tǒng),假人模型、安全帶、安全氣囊等,假人模型必須經(jīng)過標(biāo)定。

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在不帶乘員約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)碰撞方案中,考核的目標(biāo)主要是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)(主要是指方向盤的上下、前后和左右運(yùn)動(dòng)位移)、腳踏板的前移量和后門檻梁(ROCKER)的速度曲線。

側(cè)面碰撞

在碰撞分析中側(cè)碰與正碰是兩個(gè)基本的碰撞測試分析。從碰撞發(fā)生的情況來看,側(cè)面碰撞僅次于正面碰撞,但是從傷亡情況看,以2000年我國發(fā)生的交通事故為例,正面碰撞造成的傷亡人數(shù)占26.9%,而側(cè)面碰撞占32.3%。這是因?yàn)樵趥?cè)面碰撞時(shí)車身變形生存空間小,所以,側(cè)面碰撞時(shí)乘員受傷危險(xiǎn)性比正面碰撞高得多,由此可見研究汽車側(cè)面碰撞對改善交通安全至關(guān)重要。

在側(cè)面碰撞中,為了加強(qiáng)對乘客的保護(hù),車門,門檻和立柱都要設(shè)計(jì)乘剛性結(jié)構(gòu),并將碰撞力有效得傳遞到具有保護(hù)和吸能作用得梁、柱、地板、車頂和其他部件,使撞擊力被分散吸收,并最大想度地把可能造成得損害減低到最小程度。

乘員約束系統(tǒng)的模擬

安全帶在正面的低速碰撞中可以有效地保護(hù)乘員,是使用最廣泛的約束方式。ABAQUS中采用MEMBER單元模擬安全帶,利用ABAQUS針對安全帶開發(fā)的滑輪CONNECTOR單元對安全帶裝置進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。同時(shí),對今年來發(fā)展起來的新型的預(yù)緊式安全帶,也可以通過相應(yīng)的設(shè)置添加預(yù)緊力,對其進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

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安全氣囊在汽車的碰撞事故中可以有效保護(hù)乘員、減少傷亡,因此,近20年來在發(fā)達(dá)國家得到迅速的發(fā)展和普及。采用基于的流體單元,ABAQUS可以有效的模擬安全氣囊的展開,對側(cè)面氣囊與正面氣囊均能進(jìn)行有效的模擬。

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在乘員保護(hù)分析中,利用假人模型,在碰撞瞬間,計(jì)算出頭、頸、胸、腰、腿與膝蓋等人體傷害值,可以更好的描述人體的各個(gè)部位和器官在發(fā)生碰撞時(shí)的損傷情況.ABAQUS與FTSS合作開發(fā)新一代的ABAQUS假人模型,在精度、可靠性以及可重復(fù)性方面均勻很大提高。

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行人保護(hù)

在過去的汽車被動(dòng)安全研究中,乘員保護(hù)一直是研究的核心內(nèi)容。然而,相對于汽車乘員受傷而言,行人在汽車事故中受傷的比例也很大。因此,汽車安全不僅是針對車內(nèi)乘客而言,同時(shí)也要保護(hù)行人安全,現(xiàn)在,這個(gè)問題已經(jīng)引起了世界汽車界的重視。通過CAE仿真分析,真實(shí)反映行人被撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、行人與可接觸的車體結(jié)構(gòu)的關(guān)系,這有助于設(shè)計(jì)人員改善結(jié)構(gòu)(如保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和擋風(fēng)玻璃等),獲得最佳的行人保護(hù)效果。在行人保護(hù)中,引擎罩機(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì),其能夠在汽車發(fā)生碰撞時(shí)迅速鼓起,使得撞擊而來的人體碰撞在柔性與圓滑的表面上,減少了被撞人受傷的可能。在行人、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)部件之間形成吸能區(qū)域,通過發(fā)動(dòng)機(jī)罩的變形減小對行人頭肩部的沖擊。

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在整車CAE分析中的應(yīng)用

在整車的CAE分析中,除了汽車碰撞安全分析以外,汽車NVH分析也越來越成為其中的重要內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計(jì),整車約有三分子一的故障問題與車輛的NVH問題有關(guān)。同時(shí),隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,人們對于汽車的舒適性和振動(dòng)噪聲控制的要求越來越嚴(yán)格,NVH分析也成為汽車CAE分析的一個(gè)主要內(nèi)容。

基于模態(tài)疊加法的振動(dòng)分析是NVH分析的主要內(nèi)容,ABAQUS提供LANCZOS特征值求解器,對大規(guī)模模型進(jìn)行快速,準(zhǔn)確的特征頻率提取,極大的提高了分析求解速度。同時(shí),在V6.6版本中,ABAQUS推出了新的AMS特征值求解器,以具有127,000 個(gè)單元800,000 自由度的白車身模型為例,提取前1000階頻率,所花時(shí)間為原來求解器的六分之一。

城市噪聲的70%來源于交通噪聲,而交通噪聲主要是汽車噪聲。然而一切噪聲又源于振動(dòng),振動(dòng)能夠引起某些部件的早期疲勞損壞,從而降低汽車的使用壽命;過高的噪聲既能損害駕駛員的聽力,還會(huì)使駕駛員迅速疲勞,從而對汽車行駛安全性構(gòu)成了極大的威脅。所以噪聲控制,也關(guān)系到汽車的耐久性和安全性。

汽車噪聲來源主要源于發(fā)動(dòng)機(jī),傳動(dòng)系,輪胎等,在整車的NVH分析中需要對主要噪聲源進(jìn)行系統(tǒng)分析。ABAQUS提高完全耦合的聲固耦合分析,可以將車身和車廂內(nèi)的空氣獨(dú)立創(chuàng)建模型,并將他們耦合在一起,進(jìn)行綜合分析。通過設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整,達(dá)到最大的乘員舒適度。

下圖為車廂內(nèi)聲壓分布的耦合分析,車內(nèi)噪聲的主要測試位置包括駕駛員左耳,付駕駛位置等。利用ABAQUS聲固耦合分析可以對由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的這些主要位置的聲壓分布進(jìn)行監(jiān)控。

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汽車在行駛過程中,可能會(huì)遇到突然剎車。不同的行駛速度,結(jié)構(gòu)的受力將會(huì)有較大的差異,因此剎車過程中的受力分析,也是汽車設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題。在剎車過程的分析中,車身需要另外的力平衡制動(dòng)載荷。此時(shí),可以采用慣性解除提供的慣性力平衡止動(dòng)載荷,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析,進(jìn)而得到整車的響應(yīng)。

汽車整車動(dòng)力學(xué)仿真包括路面,輪胎,懸架,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等的三維多剛體動(dòng)力學(xué)模型。在abaqus中可以用連接器單元模擬個(gè)部件之間的連接,同時(shí),還可以將關(guān)心的部件模擬成變形體,對所關(guān)心區(qū)域的應(yīng)力水平進(jìn)行監(jiān)控。

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