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梁骨架模型加速汽车结构的碰撞设计

2018-09-26 23:02:56·  来源:左文杰 汽车结构正向设计与轻量化  
 
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目前,用于汽车结构碰撞的虚拟仿真模型主要包括:集中参数模型、多刚体模型、壳单元模型。本文提出了塑性铰梁骨架模型,并创建了具有任意横截面形状的复杂薄壁梁
目前,用于汽车结构碰撞的虚拟仿真模型主要包括:集中参数模型、多刚体模型、壳单元模型。本文提出了塑性铰梁骨架模型,并创建了具有任意横截面形状的复杂薄壁梁结构,例如:开口、单腔室、双腔室、三腔室和四腔室等汽车车身常用的横截面形状。

本文建立的车身梁骨架模型,可用于汽车概念设计阶段的碰撞分析。“精度小幅降低,效率大幅提升的” 设计理念可加速产品的正向设计。以上设计方法由团队自主开发的Carframe软件实现。
 
典型的复杂断面形状如下图所示,其关键性能包括:面积、形心、弯曲惯性矩、扭转惯性矩等。
塑性铰接头的创建
传统的梁单元接头处连接为刚性连接。本文采用塑性铰连接,以提高求解精度。创建塑性铰单元,需要梁的广义力—广义位移曲线(包括:轴向碰撞力—位移曲线,弯矩—转角曲线和扭矩—转角曲线),所以首先调用LS-Dyna求解之,如下图所示。
通过以上曲线,可创建塑性铰接头单元。其由一个压缩弹簧,两个弯曲弹簧和一个扭转弹簧组成,如下图所示,其中塑性铰接头单元为零长度且无质量,位于梁单元的两端。
上述方法嵌入到Carframe中。具体应用过程为:首先,设计出各复杂横截面薄壁梁的截面形状;其次,Carframe调用LS-Dyna自动求解薄壁梁的广义力—广义位移曲线,并创建塑性铰接头;最后,使用这些薄壁梁及塑性铰接头创建骨架模型,Carframe生成.k文件并调用LS-Dyna进行碰撞求解。
以下算例验证了上述提出的方法(注:所有算例均在Intel Core i7 CPU和8 GB内存的笔记本电脑上求解)。
案例一 薄壁直梁轴向压溃
薄壁直梁可用于简化模拟汽车前纵梁的正碰压溃。实验装置如下图所示,用于测试冲击载荷下直梁的变形和位移。详细有限元模型为单元尺寸8mm的壳单元。简化模型为11个薄壁梁单元,梁单元之间的每个节点处建立轴向塑性接头。边界条件:梁尾部100 mm完全固定,在刚性墙上施加400 kg的质量块以模拟车身的质量,刚性墙以4m / s的初速度碰撞直梁。

上图分别为三种模型的变形,可以看出头部的折叠变形几乎相同。下图表明,三种模型的碰撞位移趋势基本一致,最大误差可以控制在5%以内。此外,详细和简化模型的计算时间分别为499秒和5秒。简化模型的计算成本大大降低,且精度完全可以被工程接受。