基于LS-DYNA/MADYMO耦合功能在汽車碰撞ECE R95側(cè)碰分析中的應(yīng)用

摘要:近年來(lái),LS-DYNA/MADYMO 耦合分析方法在汽車碰撞分析領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。耦合功能結(jié)合了LSDYNA和MADYMO 兩種分析軟件各自的長(zhǎng)處,給工程師提供了新的分析途徑。本文介紹了耦合方法在新車開發(fā)分析中的應(yīng)用,選取的工況是ECER95(中國(guó)即將在2006 正式頒布的側(cè)碰法規(guī))。此外還與完全采用LS-DYNA 的模型分析作了比較并簡(jiǎn)單介紹了提高側(cè)碰安全性的改進(jìn)策略。

簡(jiǎn)介

LS-DYNA 和MADYMO 是汽車業(yè)界通用的結(jié)構(gòu)耐撞性和乘員安全性分析軟件。利用這兩個(gè)軟件的各自優(yōu)勢(shì)的耦合功能 (LS-DYNA/MADYMOCoupling) ,隨著MADYMO 6.0 和LS-DYNA 970版本的發(fā)布,也相應(yīng)擴(kuò)展了(extended coupling)。ADYMO 模型和LS-DYNA 模型之間接觸力的計(jì)算,改進(jìn)了原來(lái)的算法,采用了MADYMO 的接觸算法 [1]。

軟件用戶們也于是紛紛開始把擴(kuò)展的耦合功能應(yīng)用在正面碰撞(包括偏置碰撞)和側(cè)碰分析中[2]。不少汽車公司也在將其應(yīng)用在汽車開發(fā)流程中[3][4]。本篇論文主要介紹LS-DYNA/MADYMO 耦合功能在泛亞汽車的應(yīng)用情況,分析選取的側(cè)碰工況參照即將于明年(2006)實(shí)施的中國(guó)側(cè)碰法規(guī)。

中國(guó)側(cè)碰安全法規(guī)

我國(guó)強(qiáng)制執(zhí)行的汽車碰撞法規(guī),到目前為止只有100%正面碰撞即GB11551。而在發(fā)生的交通事故中,由側(cè)面碰撞造成人員的死傷占20%以上。中國(guó)的汽車側(cè)碰法規(guī)急待推出和實(shí)施。以歐洲側(cè)碰安全法規(guī)ECE R95 為藍(lán)本的中國(guó)汽車側(cè)碰安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》ECE R95[5],將于明年2006 正式頒布實(shí)施。

如圖1 試驗(yàn)布置所示,在碰撞試驗(yàn)中,前排駕駛員座放置Euro SID-I/II假人。移動(dòng)變形壁障重量為950±20kg,它以50±1km/h 的速度垂直撞向試驗(yàn)車輛。移動(dòng)變形壁障的縱向中垂面與試驗(yàn)車輛上通過(guò)碰撞前排座椅R 點(diǎn)的橫斷垂面之間的距離應(yīng)在±25mm 內(nèi)。

圖1 ECE R95 試驗(yàn)布置

碰撞試驗(yàn)后假人的傷害指標(biāo)必須要滿足以下要求:

1. 頭部性能指標(biāo)(HPC)≤ 1000,或“無(wú)頭部接觸”
2. 胸部性能指標(biāo):
2.1 肋骨變形指標(biāo)(RDC)≤ 42 mm
2.2 粘性指標(biāo)(VC)≤ 1.0 m/s
3. 骨盆性能指標(biāo):恥骨結(jié)合點(diǎn)力峰值(PSPF)≤6 kN
4. 腹部性能指標(biāo):腹部力峰值(APF)≤ 2.5 kN的內(nèi)力(相當(dāng)于4.5 kN 的外力)。

其他需要滿足的要求可以詳細(xì)參考 [5]。

耦合模型的建立

如何建立LS-DYNA/MADYMO 耦合模型,在文獻(xiàn)[3]和用戶手冊(cè)中[6][7]有詳細(xì)的介紹。由于LSDYNA提供了豐富的材料模型,通常整車模型和移動(dòng)變形壁障采用LS-DYNA 的有限元模型。而假人和側(cè)面氣囊或氣簾則可以選用MADYMO 的多剛體模型和有限元模型。不過(guò)正是由于耦合功能,使得選取哪個(gè)軟件的模型變得更靈活,車身上的子部件也可以根據(jù)需要選用MADYMO 模型。

這里不詳細(xì)討論建立模型的過(guò)程,只是結(jié)合經(jīng)驗(yàn)介紹一些關(guān)鍵詞的作用:

1. *Control_Coupling:用來(lái)轉(zhuǎn)換LS-DYNA 和MADYMO 的單位制。因?yàn)長(zhǎng)S-DYNA 和MADYMO 常用的單位制不一樣。LS-DYNA 常用的是mm,ms,kg;MADYMO 默認(rèn)用的是國(guó)際單位m,s,kg。

2. *Contact_Coupling:這里定義的是可能和MADYMO 模型發(fā)生接觸的LS-DYNA 模型。因?yàn)樵谶@里定義的部件都會(huì)顯示在KN3 文件中,所以為了后處理的顯示效果,也可以加上壁障等不涉及接觸的部件,以加強(qiáng)視覺(jué)效果。

3. 注意MADYMO 模型中接觸類型的定義。因?yàn)轳詈嫌?jì)算中采用的是MADYMO 接觸算法,發(fā)現(xiàn)使用CONTACT_FORCE.KINEMATIC ,會(huì)使計(jì)算不穩(wěn)定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),接觸類型可以選取CONTACT_FORCE.CHAR、CONTACT_FORCE.PENALTY 或CONTACT_FORCE.ADAPTIVE 中的一種。

4. 安全帶模型并不包括在整個(gè)模型中。根據(jù)作者現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn),安全帶在側(cè)面碰撞中對(duì)假人傷害值的貢獻(xiàn)不大。

耦合模型建立后如圖2:假人選用的是MADYMO的ES-2;整車和移動(dòng)變形壁障是LS-DYNA 模型。

圖2 建立的耦合模型

計(jì)算比較和側(cè)碰性能的改進(jìn)

采用耦合比單純用LS-DYNA 模型(整車、假人和壁障)在計(jì)算效率上有一定的提高。表1 顯示的是用2cpu 計(jì)算的時(shí)間比較。

表1 計(jì)算時(shí)間比較

由于耦合程序是SMP 版本的,如果LS-DYNA 和MADYMO 的版本也是SMP 版本,計(jì)算時(shí)需要設(shè)置相同的CPU 個(gè)數(shù)。在和LSTC 交流之后,新的耦合程序版本可以設(shè)置不同的CPU 個(gè)數(shù),即LSDYNA 可以設(shè)置多個(gè)CPU, 而MADYMO 可以只用1 個(gè)CPU,計(jì)算效率仍在測(cè)試中。

耦合計(jì)算結(jié)果和純LS-DYNA 模型的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的比較也在進(jìn)行中?？梢钥隙ǖ囊稽c(diǎn)是,在設(shè)計(jì)初期,由于時(shí)間上的優(yōu)勢(shì),采用耦合模型可以為設(shè)計(jì)變量的調(diào)整給出方向。

側(cè)碰法規(guī)的實(shí)施給汽車設(shè)計(jì)提出了更具體的要求。如何提升汽車側(cè)碰性能、減小碰撞后假人身上各項(xiàng)指標(biāo),一直是各個(gè)汽車廠商所關(guān)注的。一方面是通過(guò)車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn),合理分布載荷的傳遞,使假人的軀干肢體受到盡量小的,由碰撞帶來(lái)的能量。 此外采用側(cè)面氣囊和氣簾也可以大大減少乘員傷害。不少汽車廠商已經(jīng)把側(cè)面氣囊作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。泛亞近些年在如何提高汽車側(cè)碰性能上積累并形成了一些自己的經(jīng)驗(yàn)[8]。

結(jié)論

耦合模型一旦建立,之后只需要對(duì)結(jié)構(gòu)或參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)或調(diào)整,便可以立即計(jì)算。由于采用了MADYMO 多剛體的假人,可以避免令人頭痛的有限元假人中的負(fù)體積 (negative volume) 問(wèn)題,大大提高了計(jì)算效率。這對(duì)汽車開發(fā)初期是大有好處的。