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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
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。
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