基于保险杠低速碰撞有限元分析

2016-12-15 by:CAE仿真在线来源:互联网

保险杠系统是是各种类型车的一个重要组成部分,当其中一辆车与其他车辆或障碍物发生低速碰撞(通常小于10km/h)时,保护翼子板、散热器、发动机罩和灯具等部件;当汽车与行人发生碰撞时,最大限度地保护行人。由于保险杠系统在低速碰撞和行人保护这两方面起着关键性的作用,因此是国内外汽车被动安全领域中的一项重要的研究内容。世界各国也对保险杠的耐撞性有具体的法规和试验规范要求。

常见的保险杠系统通常由横梁、吸能盒支架等部分组成,其中横梁和吸能盒支架都可作为缓冲吸能件。其吸能效果的好坏将直接影响其安全性能。为对保险杠的低速碰撞响应进行研究,通常独立对以上几个部件建立简化模型进行碰撞仿真研究。最后根据仿真结果,将设计不合理的地方进行改进和优化设计,从而大大降低了人力和物力,缩短产品的开发周期,提高企业的经济效益

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保险杠几何模型的建立

保险杠几何模型的建立使用solidworks三维建模软件,solidworks具有强大的三维建模能力,能生成各种复杂的零部件、装配体及曲面。本模型有保险杠、缓冲盒组成,另外还有简化的墙壁和车身,形状如下图所示。

图1

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有限元模型的建立

有限元模型的建立在具有强大的前处理功能的hypermesh中生成,通过将建立的三维模型保存成.IGES的中间格式,然后再输入到hypermesh中,对其进行网格划分。Hypermesh的网格划分功能是其他有限元分析软件中无法比拟的,它具有随意、灵活等特点,能够根据不同的要求来划分成不同类型的网格,比如四面体、五面体以及六面体等。

2.1 几何清理

当模型导入进hypermesh之后不应立即对其进行网格划分,首先要对整个模型进行观察。有限元分析对模型的要求和CAD模型不同.CAD模型需要精确的几何表述,包含有很多的几何细节特征,如圆角、小孔等.而这些细节在有限元分析时,需要用很小的单元才能精确描述,这将导致求解时间过长.因此,在有限元分析时,需要简化掉一些细节信息,以便于网格划分和计算分析.

此外,CAD模型导入HyperMesh后,产生了一些几何信息错误,如导入的曲面存在一些缝隙、重叠、边界错位等缺陷,直接进行网格划分会导致网格质量低下,影响求解精度.所以,在导入CAD模型后,要进行必要的几何清理,改正导人的模型所存在的缺陷,清除不必要的细节,形成一个简化的模型,以便进行网格划分,获得较好的网格质量,提高计算精度.

2.2 材料与单元的选取

在进行计算分析时,材料的选取是否得当将直接影响最终的分析结果,为了使得整个保险杠系统有着很好的缓冲作用,故对整个模型选用材料MAT24。MAT24是一种能够反映材料弹塑性力学特性的材料模型,非常适合作为保险杠的材料选取。而对于墙壁则采用材料MAT20,MAT20是一种刚性体材料模型,使用这种材料的部件所有节点将保持相对位移不变,故能很好的模拟墙体的刚性。

整个保险杠的系统基本上是由带一定厚度的薄壳组成,而且其长度方向的尺寸远远大于厚度方向的尺寸,符合壳单元的理论假设,因此整个保险杠系统以壳单元的形式进行离散化。根据可单元的厚度整个模型以边长为10mm的四边形进行网格划分。而对于整个车身则使用一个集中质量单元来进行模拟,这样既简化了模型的复杂程度,为计算节约大量的时间,同时又能达到模拟的效果。整个有限元模型的划分如图2所示

图2

在对整个模型进行有限元划分网格之后,还要对网格进行质量检查,包括单元的长宽比、雅克比、扭曲、翘曲,最大角以及最小角等,看是否满足所要的值,经过调整后所有的网格满足各项参数指标。

2.3 边界与载荷的加载

在这个模型中,只需将刚性墙体进行边界约束,且各个方向的自由度值均为零,这样更能真实的观察到当保险杠撞击墙体后,整个保险杠的变形情况。将保险杠与整个车身视为一个整体,并给定一个4m/s,且垂直于墙体的速度撞击墙体。

2.4 求解

对于在hypermesh中完成所有前处理后,就要将文件输出递交给求解器进行求解。本文所使用的求解器是LSTC公司研发的LS-DYNA这款有限元分析软件。LS-DYNA其时间积分采用中心差分格式,以Lagrange算法为主,主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力学响应问题,并能够很好的模拟真实世界的各种复杂问题,特别是适合求解各种二维、三维非线性结构的碰撞、金属成型等非线性动力学冲击等问题。

将hypermesh中的有限元模型以K文件的形式输出,此时在hypermesh中建立的模型相关信息与控制信息都将写入K文件中,然后将K文件提交给LS-DYNA进行有限元计算。

2.5 计算结果查看

LS-DYNA求解完成后,将结果文件导入到结果后处理软件LS-prepost中进行结果观察。如下图所示,图3显示的是塑性应变图,从整个图来看塑性应变发生最大处在缓冲盒与前保险杠链接的部位;图4显示的是整个模型的压力视图,从图中可以观察到压力发生最大处保险杠与墙体接触的部位以及缓冲盒与保险杠链接的部位;图5是应力视图,从图中可以看到应力发生最大处是在保险杠与墙体接触的部位以及相对应的后方部位,其次是缓冲盒与保险杠连接的部位;图6是剪切应变图,它与应力图受力最大部位相同,只是数值不一样。从这几个受力视图可以看到保险杠后方部位(车身部分)基本不受力,从而保险杠也就达到了对车身的保护作用。