搜索基于保險(xiǎn)杠低速碰撞有限元分析
2016-12-15 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是是各種類(lèi)型車(chē)的一個(gè)重要組成部分,當(dāng)其中一輛車(chē)與其他車(chē)輛或障礙物發(fā)生低速碰撞(通常小于10km/h)時(shí),保護(hù)翼子板、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和燈具等部件;當(dāng)汽車(chē)與行人發(fā)生碰撞時(shí),最大限度地保護(hù)行人。由于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護(hù)這兩方面起著關(guān)鍵性的作用,因此是國(guó)內(nèi)外汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。世界各國(guó)也對(duì)保險(xiǎn)杠的耐撞性有具體的法規(guī)和試驗(yàn)規(guī)范要求。
常見(jiàn)的保險(xiǎn)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(duì)保險(xiǎn)杠的低速碰撞響應(yīng)進(jìn)行研究,通常獨(dú)立對(duì)以上幾個(gè)部件建立簡(jiǎn)化模型進(jìn)行碰撞仿真研究。最后根據(jù)仿真結(jié)果,將設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì),從而大大降低了人力和物力,縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益
1 保險(xiǎn)杠幾何模型的建立
保險(xiǎn)杠幾何模型的建立使用solidworks三維建模軟件,solidworks具有強(qiáng)大的三維建模能力,能生成各種復(fù)雜的零部件、裝配體及曲面。本模型有保險(xiǎn)杠、緩沖盒組成,另外還有簡(jiǎn)化的墻壁和車(chē)身,形狀如下圖所示。
圖1
2 有限元模型的建立
有限元模型的建立在具有強(qiáng)大的前處理功能的hypermesh中生成,通過(guò)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(duì)其進(jìn)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(wú)法比擬的,它具有隨意、靈活等特點(diǎn),能夠根據(jù)不同的要求來(lái)劃分成不同類(lèi)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(dāng)模型導(dǎo)入進(jìn)hypermesh之后不應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,首先要對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行觀察。有限元分析對(duì)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(xì)節(jié)特征,如圓角、小孔等.而這些細(xì)節(jié)在有限元分析時(shí),需要用很小的單元才能精確描述,這將導(dǎo)致求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng).因此,在有限元分析時(shí),需要簡(jiǎn)化掉一些細(xì)節(jié)信息,以便于網(wǎng)格劃分和計(jì)算分析.
此外,CAD模型導(dǎo)入HyperMesh后,產(chǎn)生了一些幾何信息錯(cuò)誤,如導(dǎo)入的曲面存在一些縫隙、重疊、邊界錯(cuò)位等缺陷,直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量低下,影響求解精度.所以,在導(dǎo)入CAD模型后,要進(jìn)行必要的幾何清理,改正導(dǎo)人的模型所存在的缺陷,清除不必要的細(xì)節(jié),形成一個(gè)簡(jiǎn)化的模型,以便進(jìn)行網(wǎng)格劃分,獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量,提高計(jì)算精度.
2.2 材料與單元的選取
在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),材料的選取是否得當(dāng)將直接影響最終的分析結(jié)果,為了使得整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有著很好的緩沖作用,故對(duì)整個(gè)模型選用材料MAT24。MAT24是一種能夠反映材料彈塑性力學(xué)特性的材料模型,非常適合作為保險(xiǎn)杠的材料選取。而對(duì)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(diǎn)將保持相對(duì)位移不變,故能很好的模擬墻體的剛性。
整個(gè)保險(xiǎn)杠的系統(tǒng)基本上是由帶一定厚度的薄殼組成,而且其長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度方向的尺寸,符合殼單元的理論假設(shè),因此整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)以殼單元的形式進(jìn)行離散化。根據(jù)可單元的厚度整個(gè)模型以邊長(zhǎng)為10mm的四邊形進(jìn)行網(wǎng)格劃分。而對(duì)于整個(gè)車(chē)身則使用一個(gè)集中質(zhì)量單元來(lái)進(jìn)行模擬,這樣既簡(jiǎn)化了模型的復(fù)雜程度,為計(jì)算節(jié)約大量的時(shí)間,同時(shí)又能達(dá)到模擬的效果。整個(gè)有限元模型的劃分如圖2所示
圖2
在對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格之后,還要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查,包括單元的長(zhǎng)寬比、雅克比、扭曲、翹曲,最大角以及最小角等,看是否滿(mǎn)足所要的值,經(jīng)過(guò)調(diào)整后所有的網(wǎng)格滿(mǎn)足各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。
2.3 邊界與載荷的加載
在這個(gè)模型中,只需將剛性墻體進(jìn)行邊界約束,且各個(gè)方向的自由度值均為零,這樣更能真實(shí)的觀察到當(dāng)保險(xiǎn)杠撞擊墻體后,整個(gè)保險(xiǎn)杠的變形情況。將保險(xiǎn)杠與整個(gè)車(chē)身視為一個(gè)整體,并給定一個(gè)4m/s,且垂直于墻體的速度撞擊墻體。
2.4 求解
對(duì)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(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題,并能夠很好的模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問(wèn)題,特別是適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的碰撞、金屬成型等非線性動(dòng)力學(xué)沖擊等問(wèn)題。
將hypermesh中的有限元模型以K文件的形式輸出,此時(shí)在hypermesh中建立的模型相關(guān)信息與控制信息都將寫(xiě)入K文件中,然后將K文件提交給LS-DYNA進(jìn)行有限元計(jì)算。
2.5 計(jì)算結(jié)果查看
LS-DYNA求解完成后,將結(jié)果文件導(dǎo)入到結(jié)果后處理軟件LS-prepost中進(jìn)行結(jié)果觀察。如下圖所示,圖3顯示的是塑性應(yīng)變圖,從整個(gè)圖來(lái)看塑性應(yīng)變發(fā)生最大處在緩沖盒與前保險(xiǎn)杠鏈接的部位;圖4顯示的是整個(gè)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(xiǎn)杠與墻體接觸的部位以及緩沖盒與保險(xiǎn)杠鏈接的部位;圖5是應(yīng)力視圖,從圖中可以看到應(yīng)力發(fā)生最大處是在保險(xiǎn)杠與墻體接觸的部位以及相對(duì)應(yīng)的后方部位,其次是緩沖盒與保險(xiǎn)杠連接的部位;圖6是剪切應(yīng)變圖,它與應(yīng)力圖受力最大部位相同,只是數(shù)值不一樣。從這幾個(gè)受力視圖可以看到保險(xiǎn)杠后方部位(車(chē)身部分)基本不受力,從而保險(xiǎn)杠也就達(dá)到了對(duì)車(chē)身的保護(hù)作用。
圖3
圖4
圖5
圖6
以下兩個(gè)視圖分別是節(jié)點(diǎn)4064的速度和加速變化曲線圖,通過(guò)速度和加速度曲線圖能夠觀察到保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況。
圖7
圖8
3 結(jié)束語(yǔ)
利用有限元法對(duì)整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞進(jìn)行了分析,通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析可以對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)不合理的部位進(jìn)行改進(jìn),對(duì)保險(xiǎn)杠的前期設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義,這樣可以為后續(xù)的實(shí)體試驗(yàn)大大節(jié)約設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期。
綜合自網(wǎng)絡(luò)
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