Abaqus在汽車碰撞安全分析中的應用

2016-12-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

汽車交通事故中每年的死傷人數,常常超過世界局部戰爭,所以交通事故已經成為人類社會的公害之一。因此,從汽車設計角度來看,改善和提高車輛安全性設計,減低交通事故的傷亡是各國汽車行業研究的重要課題。

在仿真技術誕生之前,對汽車安全性能的提高,汽車工業不得不沿用傳統的手段,不僅導致推出一項新產品需要花費很長時間,而且使汽車的安全性能也只能停留在最低水準——剛剛能夠滿足有關安全標準的要求。有了仿真技術這一新的研究手段,使得我們可以在設計階段就可預先評估汽車結構的耐撞性,有利于盡早發現原設計的薄弱環節,對整個設計和優化過程進行有效的指導。汽車新產品從概念形成到開發成功的過程被迅速縮短,汽車的安全性能也逐步有了保障,尤其是1985年后用于求解大位移、大轉角、大應變、接觸碰撞問題的強非線性有限元方法的成熟,更為汽車的被動安全性研究開辟了新的途徑。鑒于此,現在汽車碰撞安全分析已經成為汽車CAE分析中的一個重要方面,CAE仿真技術已成為代表當今汽車企業與研發機構水平的重要標志之一在縮短產品研發時間,提供汽車安全性和減低生產成本方面起著重要的作用。

在汽車碰撞安全方面ABAQUS與BMW、FIAT、GM、HMC等大的汽車制造商從部件級分析,整車碰撞以及乘員安全等方面進行了全面的合作,并造商的汽車碰撞安全分析中得到了越來越廣泛的應用。

Abaqus在汽車碰撞安全分析中的特點

汽車碰撞是一個非常復雜的力學問題,是一個動態的大位移和大變形過程,接觸和高速沖擊中載荷影響著碰撞全過程,系統具有幾何非線性、材料非線性和邊界非線性等多重非線性行為。同時隨著碰撞分析的深入,分析模型包括的組件越來越多,模型規模越來越大,對整個分析的并行計算的功能的要求也越來越高。

在汽車碰撞的模擬計算中,接觸問題的處理是一個重點。接觸不僅發生在車與外界之間、汽車各個部件之間,而且汽車的某一個部件都可能發生自身的接觸碰撞。ABAQUS中采用通用接觸方法來進行碰撞中接觸的設置,只需在設置中把所有關心的部件都包括進去(用戶可以通過BOX式的設置,隨意選擇欲設定的接觸區域)隨后程序會自動搜索相關的接觸區域,考慮點到面之間的接觸以及邊到邊和邊到梁的接觸,并進行計算,極大的方便了復雜模型接觸問題的處理。同時對用戶比較關心的接觸區域,還可以采用接觸對的方式對接觸力等進行更為準確的分析。

汽車碰撞中,車輛中的薄壁構件是主要的吸能構件,在碰撞中,部件一般都會經歷大的變形,具有不同程度的塑性變形,很多時候結構發生褶皺變形產生大 的塑性變形;同時,在不同的碰撞下,材料會表現出不同的力學性能,材料的這種率相關效應也必須考慮。ABAQUS具有豐富的材料本構供客戶選擇,同時可以考慮與溫度,速度等相關的材料性能。對于應用于汽車中的泡沫吸能材料,ABAQUS也有相關的HYPERFOAM進行相關的模擬。

在汽車碰撞中,構件一般會經歷大斷裂和失效。ABAQUS一直將斷裂和失效作為CAE模擬的一個發展方向,爭取在五年之內使得斷裂和失效在CAE分析中的應用與現在的塑性變形一樣進入常規的分析中。在焊接的模擬方面,ABAQUS引入了與網格無關的焊點,ABAQUS通過向最近的表面投影參考點的方法確定焊點與表面相連的位置,即使在網格重新劃分以接關系。同時,可以設置焊點的失效參數,引入漸進失效模型,對焊點的失效進行更為真實的模擬。

在汽車碰撞的模擬分析中,隨著模擬程度越來越細,模型規模越來越大,機單CPU并行花費太多的時間,例如對于一輛整車的碰撞模擬,一般要包含數十萬個單元,采用中心差分法利用顯示積分格式進行計算,通常要計算數十萬個時間步長,因此,進行多機多CPU并行計算非常必要,也是以后碰撞模擬的趨勢所在.ABAQUS支持分布內存并行和共享內存并行計算功能。ABAQUS6.5-1的并行測試為例,對渦輪發動機的鳥撞模型進行并行分析,模型包含221,508 個單元和1.3M個自由度。采用ABAQUS并行分析,8CPU加速比可以達到6,由此可見ABAQUS具有良好的并行功能,可以滿足汽車碰撞大規模模型分析的要求。

Abaqus在汽車碰撞中的應用

提高汽車的被動安全性可以從兩方面著手,第一,提高汽車的安全結構,使得汽車碰撞部位的塑性變形盡量大,吸收較多的能量,確保乘員的生存空間。第二,使用乘員保護系統,如安全帶、安全氣囊等乘員保護裝置對乘員加以保護,避免二次碰撞的出現,以達到保護乘員的目的。因此,汽車碰撞的模擬也包括結構分析和乘員保護分析。

結構碰撞分析中的應用

汽車碰撞安全標準中包含五個方面的內容,即:前撞,后撞,側撞,頂部壓垮(roofcrash)和側門強度(sidedoorstrength)。在此我們僅舉其中較為重要的正面碰撞和側面碰撞的實例。

正面碰撞

據分析,在汽車碰撞事故中,發生正面碰撞的約占64%,側面碰撞占20%,尾部碰撞占6%,因此汽車撞擊試驗重點是正面碰撞。

汽車正面碰撞模擬汽車碰撞分為帶乘員約束系統和不帶乘員約束系統兩種方法,碰撞中汽車結構模型應包括:完整的白車身,包括前后風窗;保險杠系統,包括低速吸能系統;前門(帶玻璃);發動機、傳動系統和固定零部件;排放系統;前懸掛系統;空調和散熱器;轉向系統;儀表板固定梁;輪胎模型等。乘員約束系統包括駕駛員座椅系統,假人模型、安全帶、安全氣囊等,假人模型必須經過標定。

在不帶乘員約束系統結構碰撞方案中,考核的目標主要是轉向系統的運動(主要是指方向盤的上下、前后和左右運動位移)、腳踏板的前移量和后門檻梁(ROCKER)的速度曲線。

側面碰撞

在碰撞分析中側碰與正碰是兩個基本的碰撞測試分析。從碰撞發生的情況來看,側面碰撞僅次于正面碰撞,但是從傷亡情況看,以2000年我國發生的交通事故為例,正面碰撞造成的傷亡人數占26.9%,而側面碰撞占32.3%。這是因為在側面碰撞時車身變形生存空間小,所以,側面碰撞時乘員受傷危險性比正面碰撞高得多,由此可見研究汽車側面碰撞對改善交通安全至關重要。

在側面碰撞中,為了加強對乘客的保護,車門,門檻和立柱都要設計乘剛性結構,并將碰撞力有效得傳遞到具有保護和吸能作用得梁、柱、地板、車頂和其他部件,使撞擊力被分散吸收,并最大想度地把可能造成得損害減低到最小程度。

乘員約束系統的模擬

安全帶在正面的低速碰撞中可以有效地保護乘員,是使用最廣泛的約束方式。ABAQUS中采用MEMBER單元模擬安全帶,利用ABAQUS針對安全帶開發的滑輪CONNECTOR單元對安全帶裝置進行準確模擬。同時,對今年來發展起來的新型的預緊式安全帶,也可以通過相應的設置添加預緊力,對其進行準確模擬。

安全氣囊在汽車的碰撞事故中可以有效保護乘員、減少傷亡,因此,近20年來在發達國家得到迅速的發展和普及。 采用基于的流體單元,ABAQUS可以有效的模擬安全氣囊的展開,對側面氣囊與正面氣囊均能進行有效的模擬。

在乘員保護分析中,利用假人模型,在碰撞瞬間,計算出頭、頸、胸、腰、腿與膝蓋等人體傷害值,可以更好的描述人體的各個部位和器官在發生碰撞時的損傷情況.ABAQUS與FTSS合作開發新一代的ABAQUS假人模型,在精度、可靠性以及可重復性方面均勻很大提高。

行人保護

在過去的汽車被動安全研究中,乘員保護一直是研究的核心內容。然而,相對于汽車乘員受傷而言,行人在汽車事故中受傷的比例也很大。因此,汽車安全不僅是針對車內乘客而言,同時也要保護行人安全,現在,這個問題已經引起了世界汽車界的重視。通過CAE仿真分析,真實反映行人被撞后的運動狀態、行人與可接觸的車體結構的關系,這有助于設計人員改善結構(如保險杠、發動機蓋和擋風玻璃等),獲得最佳的行人保護效果。 在行人保護中,引擎罩機械系統是一個關鍵的設計,其能夠在汽車發生碰撞時迅速鼓起,使得撞擊而來的人體碰撞在柔性與圓滑的表面上,減少了被撞人受傷的可能。在行人、發動機罩和發動機室內部件之間形成吸能區域,通過發動機罩的變形減小對行人頭肩部的沖擊。

在整車CAE分析中的應用

在整車的CAE分析中,除了汽車碰撞安全分析以外,汽車NVH分析也越來越成為其中的重要內容。據統計,整車約有三分子一的故障問題與車輛的NVH問題有關。同時,隨著汽車工業的迅速發展,人們對于汽車的舒適性和振動噪聲控制的要求越來越嚴格,NVH分析也成為汽車CAE分析的一個主要內容。

基于模態疊加法的振動分析是NVH分析的主要內容,ABAQUS提供LANCZOS特征值求解器,對大規模模型進行快速,準確的特征頻率提取,極大的提高了分析求解速度。同時,在V6.6版本中,ABAQUS推出了新的AMS特征值求解器,以具有127,000 個單元800,000 自由度的白車身模型為例,提取前1000階頻率,所花時間為原來求解器的六分之一。

城市噪聲的70%來源于交通噪聲,而交通噪聲主要是汽車噪聲。然而一切噪聲又源于振動,振動能夠引起某些部件的早期疲勞損壞,從而降低汽車的使用壽命;過高的噪聲既能損害駕駛員的聽力,還會使駕駛員迅速疲勞,從而對汽車行駛安全性構成了極大的威脅。所以噪聲控制,也關系到汽車的耐久性和安全性。

汽車噪聲來源主要源于發動機,傳動系,輪胎等,在整車的NVH分析中需要對主要噪聲源進行系統分析。ABAQUS提高完全耦合的聲固耦合分析,可以將車身和車廂內的空氣獨立創建模型,并將他們耦合在一起,進行綜合分析。通過設計參數的調整,達到最大的乘員舒適度。

下圖為車廂內聲壓分布的耦合分析,車內噪聲的主要測試位置包括駕駛員左耳,付駕駛位置等。利用ABAQUS聲固耦合分析可以對由發動機引起的這些主要位置的聲壓分布進行監控。

汽車在行駛過程中,可能會遇到突然剎車。不同的行駛速度,結構的受力將會有較大的差異,因此剎車過程中的受力分析,也是汽車設計過程中必須考慮的問題。在剎車過程的分析中,車身需要另外的力平衡制動載荷。此時,可以采用慣性解除提供的慣性力平衡止動載荷,對結構進行靜力分析,進而得到整車的響應。

汽車整車動力學仿真包括路面,輪胎,懸架,轉向系統等的三維多剛體動力學模型。在abaqus中可以用連接器單元模擬個部件之間的連接,同時,還可以將關心的部件模擬成變形體,對所關心區域的應力水平進行監控。

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