车辆典型薄壁梁结构碰撞模拟研究与参数选择

收稿日期:1997202225贾宏波　吉林工业大学研究生部　博士生,130025　长春市黄金陵　吉林工业大学汽车学院　教授谷安涛　长春汽车研究所　高级工程师,130022　长春市王中校　长春汽车研究所　工程师车辆典型薄壁梁结构碰撞模拟研究与参数选择贾宏波　黄金陵　谷安涛　王中校 【摘要】　车辆的抗撞性能主要取决于车辆结构中薄壁梁部件的吸能特性。

针对典型薄壁梁结构的碰撞变形特点,本文应用高度非线性动力有限元分析方法进行了有关的模拟计算。

从实用角度出发,通过具体算例,有选择性地介绍了不同因素和计算参数选择对计算结果的影响,对有限元模型的建立和计算提出了建议。

叙词:碰撞　安全性　有限元法　模拟　驾驶室 引言在车辆结构的碰撞过程中,冲击动能通过结构部件的变形得到吸收和耗散,在一定的变形模式下,车辆结构应能承受较大的撞击载荷,最大限度地吸收撞击能量,使结构的变形向有利于保护乘员空间的方向发展。

目前,国外已有许多法规或标准对各种碰撞情况下车辆重要部位的变形、承载、吸能性作出了明确的规定,如1982年8月和12月国际标准化组织分别通过的两个关于农林轮式拖拉机翻车防护装置标准——静态和动态试验方法及验收条件ISO 5700—图1　拖拉机驾驶室在受到侧向撞击时的变形线框图1981和ISO 3463—1981,我国也相应制定了GB 7121—860标准[1,2]等。

车辆结构,如拖拉机驾驶室一般采用闭口薄壁钢管骨架结构作为主要的承载和吸能部件,这种结构在碰撞过程中具有材料非线性及几何非线性等多重非线性,既有局部的“皱褶”和压陷,也有整体的大位移变形,使得车辆结构碰撞的计算机模拟计算极为困难。

受计算机软件和硬件的限制,不少文献只侧重于车辆框架结构等的总体变形[3](图1),而忽视了在能量吸收中起重要作用的局部压陷和失效过程。

我们利用高性能的计算机资源,对典型的车辆碰撞承载和吸能构件进行了大量的模拟计算,就如何考虑建模和计算中参数的选取等问题提出了建议。

1　大变形碰撞问题的有限元求解方法大变形碰撞问题通常需要耗费大量的计算机时,如何提高求解速度一般是求解的主要矛盾。

与常规有限元计算不同的是,为了避免大型联立方程组求解,提高计算速度,碰撞分析软件1998年3月农业机械学报第29卷第1期一般采用显式算法。

在时刻t N ,变形体运动方程的半离散形式为M q βN =P N -FN (1)式中　M ——凝聚质量矩阵 q βN ——N 时刻加速度矢量 P N ——总体载荷矢量F N ——单元应力场的总体等效节点力矢量单元采用单点积分算法,并在程序中控制由于单点高斯积分四边形和六面体单元产生的沙漏模式(hou rglass m ode )。

以沙漏粘性阻尼控制为例,加入沙漏粘性阻尼后,方程(1)变为M q βN =P N -F N +HN (2)式中　H N ——结构沙漏粘性阻力矢量结构碰撞中不可避免存在接触问题,计算中引入接触力F C 后,方程变为M q βN =P N -F N +F C +H N (3)时间积分采用显式中心差分q αN +1 2=q αN -1 2+∃t N qβN (4)q N +1=q N +∃t N +1 2q αN +1 2(5)∃t N =(∃t N -1 2+∃t N +1 2) 2(6)式中　q αN -1 2、q αN +1 2、q N 、qN +1——分别为N -1 2和N +1 2时刻的节点速度矢量,N 和N +1时刻的节点位移矢量图2　闭口薄壁梁的轴向和横向碰撞模拟结果2　典型薄壁梁结构的碰撞模拟梁结构是车辆驾驶室等框架的主要结构,因此研究典型梁结构的碰撞性能和碰撞模拟计算技术具有代表性。

我们采用的试件由两个帽形开口直梁件经点焊焊接而成。

试件分别受到重锤轴向和横向的撞击作用,撞击的数值模拟结果序图见图2。

某轴向撞击工况下重锤反力的试验与计算结果比较见图3,可见吻合程度较好。

图3　轴向撞击下重锤反力的试验值与模拟值的比较211　单元尺寸与网格疏密分布的选择车辆碰撞分析的结果一般为结构的压塌模式、速度、加速度、总体塑性应变能等宏观量,在计算中我们发现,单元的尺寸和网格的疏密分布对这些宏观量的计算结果有直接的影响。

如图4所示,在相同的撞击工况下,3种不同的模型网格分布将导致3种不同的计算模拟结果。

这是由于粗网格的计算内能偏大(图5),细网格区先于粗网格区进入屈服压塌状态而造成的。

所以,在碰撞模拟分析时,对于具体问题要对模型的单元尺寸和疏密分布进行细致的安排,碰撞区、大变形区的网格细化要引起足够的重视,否则由于人为的单元划分影响而无法得到正确的计算结果。

52第1期 贾宏波等:车辆典型薄壁梁结构碰撞模拟研究与参数选择图4　网格密度分布对变形模式的影响　图5　网格密度对内能计算结果的影响　212　摩擦力的影响在碰撞分析中考虑摩擦力时,摩擦系数一般用指数插值函数Λ=Λd +(Λs +Λd )e -q v 对动摩擦系数Λd 和静摩擦系数Λs 平滑过渡后得到。

对于普通碳素钢,在无润滑的情况下,Λs 和Λd 均为0115,平滑过渡后Λ=0115。

计算时,设在t N 时刻主从节点间的摩擦力为F N ,则t N +1时刻的试探摩擦力F 3为F 3=F N -K ∃e(7)式中　K ——界面刚度 ∃e ——主从节点间的相对移动现时刻的摩擦力F N +1由下式求得FN +1=F 3当 F 3 ≤Λ FF N +1=Λ F F 3 F 3 当 F 3 >Λ F (8)式中　F ——法向力图6　考虑内部摩擦时沙漏能的比较由于摩擦边界使板壳单元内产生膜应力,同时使接触中的从节点与主面间的相对切向速度减小,所以摩擦力的存在将加强结构间的相互牵制作用,使结构的计算刚度增大,沙漏能有所减小(图6)。

213　动力松弛法的应用求解碰撞冲击问题时,由于高度的非线性,如几何、材料和接触的非线性,使得在许多情况下,收敛困难,不容易得到迭代解。

这时在求解运动方程中引入阻尼,即利用动力松弛方法,可以在很大程度上提高求解效率,缩短计算时间。

在动力松弛方法中常用的阻尼有A lp ha 阻尼和C 2矩阵阻尼。

以C 2矩阵阻尼为例,在引入阻尼后,方程(1)可写为M q βN +C q αN =P N -FN (9)式中　C ——阻尼矩阵C =2Β∃t M (10) Β——动力松弛参数用中心差分时间积分的速度表达式(4)可写为q αN +1 21=1-Β1+Βq αN -1 21+∃t 1+Β(p N -f N )i m i (11)62农　业　机　械　学　报1998年 实际计算时,由于单一的Β值无法为系统中每个分量都提供临界阻尼,Β的选取常以最低频率为依据。

另外,由于计算中时间步长的改变,所选取的动力松弛参数与自然频率的关联关系也会发生变化。

但是,由于非线性问题的求解与求解路径有关,人工阻尼的引入势必会干扰求解路径,产图7　动力松弛的影响生不正确的结果。

图7为模型在其他条件相同的情况下,采用动力松弛系数为Β=1 1000时的计算结果。

从图中可以看出,在变形的初始阶段,阻尼对结果的振荡起到一定的衰减和收敛作用,但因选用了较大的Β值,过大的阻尼产生的阻尼力使重锤的运动迅速衰减。

在t =8m s 时,实际上重锤的运动已经停止。

所以在碰撞分析中应尽量不采用动力松弛法,并且对动力松弛系数的选取也应持谨慎的态度。

214　其他因素的处理其他因素,例如对材料本构关系的处理,外力和主从接触的描述,对各部件间的间隙和连接关系的处理等也将直接影响模拟的结果。

本文从略。

3　结束语通过对车辆典型薄壁梁结构碰撞问题的计算模拟,有选择性地分析了在用有限元方法解决车辆碰撞模拟时若干因素对计算结果的影响,对正确进行碰撞有限元分析计算具有一定的指导意义。

参考文献1　薛念文.驾驶室结构安全强度分析.农业工程学报,1994,10(3)∶70～732　农林式拖拉机国际标准译文集.机械工业部洛阳拖拉机研究所,1983.3　Khalil T B ,K ing A I .C rashw o rth iness and occupan t p ro tecti on in tran spo rtati on system s .A S M E ,N ew Yo rk ,AM D 2V o l.106,BED -V o l .13,1989.4　H ardy R N .A nalytical and experi m en tal investigati on s of a tracto r cab .P roceedings of the In terna 2ti onal Jou rnal of V eh icle D esign ,L ondon ∶1983.5　Zhong Zh ihua .F in ite elem en t p rocedu res fo r con tact 2i m pact p rob lem s.O xfo rd U n iversity P ress Inc ,N ew Yo rk ∶1993.6　M SC D YTRAN U SER M ANUAL .T he M acneal 2schw endler Co rpo rati on ,1996.72第1期 贾宏波等:车辆典型薄壁梁结构碰撞模拟研究与参数选择CRASH SI M ULAT I ON AND PARAM ETERS SEL ECT I ON OF T Y P I CAL TH IN W ALL ED BEAM-T Y PEVEH I CL E STRUCTURESJ ia Hongbo　H uang J in ling (J ilin U n iversity of T echnology) Gu A n tao　W ang Zhongx iao(Chang chun A u to m otive R esea rch Institu te) AbstractEnergy ab so rp ti on characteristic of th in w alled beam2typ e structu res is of vital i m po r2 tance to the crashw o rth iness of veh icles.W ith efficien t non linear dynam ic fin ite elem en t techn iques,the co llap es m odes of th in2w alled structu res are accu rately si m u lated in th is p a2 p er.Several facto rs and p aram eters selecti on affecting the resu lts of crash si m u lati on are an2 alyzed.Gu idelines to bu ild m o re reasonab le fin ite elem en t m odels fo r crash si m u lati on p u r2 po se are also discu ssed.Key words　C rash,Safety,F in ite elem en t m ethod,Si m u lati on,Cab82农　业　机　械　学　报1998年。