基于Abaqus的汽車車頂抗壓性分析

2017-03-17 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要

國家公路交通安全管理局授權了某種測試汽車頂部抗壓性程序的使用。在測試中,通過將精確定位的剛性板準靜態地壓靠在汽車上來測量車頂結構的力—偏轉行為。作為設計過程的一部分,該測試經常用仿真分析替代。

跟許多準靜態過程一樣,車頂抗壓性的測試可以在Abaqus/Standard或者Abaqus/Explicit中模擬。在這項技術中,給出了每個分析產品的簡要建模技術,同時表明這兩種產品都可以有效的用于模擬車頂抗壓能力測試。

背景

聯邦機動車輛安全標準(FMVSS)216中明確指出了汽車車頂抗壓性的要求。該標準的目的是為了減少在翻車事故中由于車頂崩潰造成的乘客死亡和受傷。圖1是車頂抗壓性測試的原理圖。力通過一個大的剛性塊被準靜態地施加到車頂結構的前邊緣側面,底盤框架和車的門檻被約束到剛性水平表面。測試中所得的作用于剛體塊的里及其位移用來表征車頂的抗壓能力。

Abaqus主要特點和優勢

Abaqus / Explicit中通用“自動”接觸能力可以很容易地定義復雜的接觸條件。
Abaqus / Standard中的自動穩定允許在靜態結構仿真過程中經歷局部不穩定過程。
Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard的集成具有為多種類型的分析程序重復使用相同的模型的靈活性。

車頂抵抗性分析的過程中,準確有效的車頂有限元模型可以促進更安全汽車的設計,同時也可以減小開發和測試成本。

有限元分析分析方法

Abaqus有兩種方法來分析準靜態案例:Abaqus / Explicit中的顯式動態過程和Abaqus / Standard中的隱式靜態過程。究竟選取哪一種方法取決于實際應用。Abaqus / Explicit特別適用于模擬不連續和不穩定案例。此外,Abaqus/Explicit中的通用接觸性能允許復雜接觸條件的簡化定義。在Abaqus / Explicit中,顯性中心差分時間積分規則被用來推進解決方案。這種方法的條件穩定性需要采用較小時間增量。因此,對準靜態案例,在他們的時間范圍內,對模型的計算可能與實際不相符合。必須采用加速技術來獲得一個經濟的解決方案。

Abaqus / Standard在建立具有較長持續時間的案例時更加有效,因為隱式方程固有的穩定性允許在解決方案中采用相對大的時間增量。隱式求解程序與顯式求解程序的不同之處在于全局方程組的求解需要迭代收斂,有時這個條件難以達到。

在本技術中,給出了每個分析產品的簡要建模技術,表明了兩種產品都可以有效地用于模擬車頂抗壓能力測試。Abaqus允許對多種類型的分析重復使用相同的基本模型。一個案例(Abaqus/Standard 或者 Abaqus/Explicit)中建立的模型通常可以經過很少的修改轉變應用于另外一個案例中。此外,兩種分析產品的集成提供的靈活性有助于將Abaqus / Explicit的分析結果導入Abaqus / Standard,反之亦然。

有限元模型

車頂沖擊模型是基于FHWA / NHTSA國家碰撞分析中心網站(http://www.ncac.gwu.edu)提供的Dodge Neon的公共域模型。整車模型被轉換成Abaqus格式,并提取了模擬車頂沖擊試驗所需要的組件。窗玻璃和內部及外部飾件等部件通常對整個車頂抗壓性響應的影響可忽略,并且不包括在內,同樣模型中前門的影響也是可以忽略的。幾何模型如圖2所示。

模型不同部分的的連接用MPC來表示,也可以使用能提供更多通用性能且具有獨立網格的點焊來表示。殼體單元表示由金屬板制成的部件,有限膜應變殼單元(S4R,S3R)用于比較

Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard結果。然而,為了計算效率,小應變殼單元(S4RS,S3RS)可以并且很可能將用于Abaqus/Explicit分析。模型中所有鈑金部件的材料特性都由具有各向同性硬化的米塞斯可塑表征。車門底部和后輪外殼(在駕駛員側和乘客側)的所有節點被限制為代表“剛性”的平面。位移導致載荷的產生,并且施加于載荷平面所在剛體的參看節點處,載荷位移方向垂直于剛體表面。

Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard使用的輸入數據非常相似; 差異主要在以下幾點中:

分析程序

接觸條件

載荷幅值

質量縮放

Abaqus/Explicit分析

如前所述,要使顯式動態過程的準靜態案例分析有效,需要使用加速技術。但是,當采用加速時,慣性力會成為一個主要因素。我們的目標是在慣性力還不顯著的最短時間內對過程建模。增加加載速率和應用質量縮放是兩種在顯示動態過程中獲得經濟的準靜態解的方法。第一種方法中,過程持續時間通過增加施加負載速率來人工地減少;第二種方法是人為增加材料密度,從而導致穩定時間增量的增加。這兩種方法在目前的分析中會同時使用。使用Abaqus / Standard研究結構的固有頻率是確定加載速率能夠增加的量的一個方法。在靜態或準靜態分析中,結構的最低特征模式通常決定響應。

知道最低模式的頻率和相應的時間段,可以估計獲得準靜態響應所需的時間。起始準則是指定大于10倍最小本征模周期的加載時間。

對于通過加載板具有輕微預加載的車頂擠壓結構,最低本征模的頻率為大約15.5Hz,這對應于65ms的時間段,400ms的分析時間足以確保準靜態負載。

圖3是剛性加載板的力—位移曲線。將剛性板參考點(控制板運動的點)處的反作用力相對于參考點位移作力—位移曲線。

作為一般規則,為了確定分析是否是準靜態的,在大多數模擬中,變形結構的動能不應超過其內部能量的一小部分(通常為5%)。圖4是內能和動能曲線。

圖5是汽車結構的最終變形圖。這里給出的分析中,通用“自動”接觸是使用全包含、基于單元表面并通過Abaqus / Explicit自動定義的,因此允許對接觸區域簡單的定義。

為了研究其他部分對車頂抗壓性的影響,將司機處前門添加到Abaqus / Explicit模型中(如圖6)。假定門被鎖定。圖7比較了具有和不具有門的Abaqus / Explicit分析結果,對于本模型,車門鉸鏈和鎖之間的車輛結構的加強對整個車頂抗壓性的影響可忽略。

Abaqus/Standard分析

Abaqus / Standard中的靜態過程忽略了慣性效應,因此是模擬準靜態事件的自然選擇。

當車身加載時,車頂結構可能表現出許多局部不穩定性; 這種不穩定性可能導致隱式求解方法的收斂問題。Abaqus / Standard提供了一種通過向模型添加體積比粘性阻尼來穩定這類問題的機制,這種方法用于本分析。

Abaqus / Standard提供了強大的接觸對算法,需要定義模型中不同表面之間的所有潛在接觸相互作用,為了最小化接觸計算的費用并簡化模型,僅在剛性板和板可能接觸的區域之間定義接觸,附加的基于表面的連接用來近似模擬靠近剛體板區域的接觸條件。雖然在連接表面之間施加約束,但是對總體響應的影響是很小的,因為這些表面在仿真期間不可能分離。圖8是車輛在靜態結構分析結束時車輛結構的變形圖。

比較和結論

圖9比較了Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard預測的車頂力—位移響應。

由兩個產品預測的力—位移響應非常相似,除了在分析的后面,當接觸開始起主導作用時,會有一些差異。在Abaqus / Standard模型中簡化了接觸條件,有助于減少計算時間,但在最終解算中引入一些不準確性。圖10是兩種分析的變形。

通過考慮車輛結構中的附加接觸相互作用,可以進一步改進Abaqus /Standard分析的結果。Abaqus / Explicit模型使用更完整的接觸定義,該接觸是為整個模型而不是僅為最重要的區域定義的。

使用的模型是基于公共領域的FEA模型,并不能代表實際成產的的車輛。模型中沒有可用信息來驗證材料屬性,外殼厚度,點焊間距以及必須明確的其他詳細信息,這些性質對模型行為具有顯著影響。

這里得出的結果表明,Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard都可以有效地用于模擬車頂抗壓試驗。對分析產品的選擇主要取決于幾個因素,如加載速率,接觸條件的復雜性等。然而,同時使用兩種產品的統一模型能夠有效地評估兩種可能的解算方案。由于翻車事故中的乘客保護越來越重要,對不同分析解決方案的評估是必要的,這樣可以更深入地了解該種結構車頂的抗破碎性。

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