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第 1 8 卷第 4 期 2006 年 8 月

沈 阳 大 学 学 报 J OU RNAL OF SHEN YAN G UN IV ERSIT Y

车事故也越来越多 ,而且越来越严重? 研究汽车的

碰撞安全性能 , 已经成为整车开发过程中必不可 少的重要环节? 传统的开发过程采用试验手段获 得整车的碰撞性能 ,这需要经过多次循环 ,不仅周 期长 ,而且研发费用高昂 ? 近年来 , 计算机辅助工 程 ( CA E) 技术开始普及 , 并在多个领域用于整车 开发 ,极大地缩短了整车开发周期? 其中 , 在碰撞 国外使用的软件还有 Abaqus 、 Radioss?

Lawrence Livermore 国家实验室 , 早期主要应用

领域使用的软件有 L S2D YNA 、 PamCrash , 此外 , 于模拟较重物体的低速冲击过程? 1989 年 , 该软 件转由 L STC 公司专门开发 , 并且汽车安全性的 研究成为其主要研究对象之一? 为适应汽车技术 发展 ,版本趋于成熟 , 并通过了试验的验证? 在目 前的版本中已经包含了 100 多种材料的模型 ,如 金属 、 、 、 、 橡胶 玻璃 泡沫 安全带 、 气囊等 ,并允许用 户输入自定义的材料特性? 1986 年 ,L S2D YNA 首 次成功地模拟了整车的碰撞大变形过程? 1991 年 ,MVMA ( 美 国 机 动 车 制 造 者 协 会 ) 的 T. B.
ETA 的 Hybrid Ⅲ 50 % 刚 性 假 人 模 拟 整 车 的 CMVDR294 [ 1 ] ? Khalil 和 L STC 公司的 J . O. Hallquist 等人计算了

的进步和用户的需要 , 该软件历经了不断改进和

碰撞过程中气囊 ( 有限元模型 ) 与人体的接触过 程 ,其中的人体多采用的是刚体模型? 本文采用

文章编号 : 100829225 ( 2006) 0420010203 用及其发挥的巨大作用 ?

100 %正面碰撞 ,即我国强制实施的正面碰撞法规

收稿日期 : 2006 - 05 - 12 作者简介 : 陈海树 ( 1977 - ) ,男 ,辽宁朝阳人 ,沈阳华晨金杯汽车有限公司研发中心工程师 ,硕士 ?

L S2D YNA 软 件 1976 年 起 源 于 美 国 的

摘     : 应用 L S2D YNA 实现整车的正面碰撞模拟 ,佐证了计算机模拟技术在现代汽车产品开发中的应 要 关     : L S2D YNA ; 汽车碰撞 ; 沙漏能 ; 假人 ; 计算机模拟 键 词 中图分类号 : TH 140 ; TP 39     文献标识码 : A

随着汽车工业的发展 ,汽车车速不断提高 ,汽

L S2D YNA 在汽车碰撞模拟过程中的应用
陈海树 , 赖征海 , 邸建卫
( 沈阳华晨金杯汽车有限公司 , 辽宁 沈阳   110044)

1  车体模型的建立

车体模型的建立是碰撞分析的第一步 , 各大 汽车厂商和 L STC 公司应用 L S2D YNA , 在近 20 年的汽车碰撞仿真分析中 ,积累了大量的经验 ,也 制定了相应的标准和规范? 1. 1   网格的划分
1. 2   接触处理

以 10 mm 为网格尺寸的基准 ,为保证求解速 度 ,最小单元尺寸不能小于 5 mm ,其他如翘曲度 、 长宽比 、 、 梯度 雅可比等参照汽车碰撞通用规范? 按照以上规则建立的车体有限元模型大约有 80 万单元? 接触处理包括 : 防止边对边的渗透 ; 防止所有 的初始渗透 ; 用 ansa 软件自动调整考虑料厚以后 的材料穿透? 1. 3   连接 、 约束处理 用 Dyna 软件自带的 Hex 单元模拟焊点 , 直

径 5 mm ,并考虑碰撞严重区域的焊点实效问题 ; 正确处理弹簧 、 、 、 胶套 螺栓 运动副的连接关系? 1. 4   单元公式的处理 为控制沙漏采用 3 点积分 ; 若 PAR T 的厚度 大于 115 mm ,在厚度方向采用 5 个积分点?
1. 5   材料的处理

使用实际材料的试验结果值 ; 对于钢 , 使用

24 号材料模式 ; 可恢复的泡沫材料使用 57 号材

料模式 ,若要考虑应变率的影响 ,使用 83 号材料 ; 发动机等在碰撞过程中不变形物体采用 20 号刚 体材料?

Vol118 ,No. 4 Aug. 2 0 0 6

2  乘员约束系统有限元模型
2. 1   假人有限元模型

仿真用的假人有限元模型是完全基于试验的 50 百分位的 Hybrid Ⅲ 型假人 ? 模型细分为 98 个 部件? 主要部件有 : 头部 、 、 、 、 颈部 胸部 腹部 臀部和 四肢等共约 6 400 个节点 ,3 900 个单元 ? 假人各 部分质量和转动惯量都符合试验用假人? 人体各 ( Spherical Joint ) 和旋转铰 部分的关节用球形铰链 链 ( Revolute Joint ) 单元定义 , 假人有限元模型铰 链总计 47 个 ? 用非线性的扭矩弹簧 Spring 和阻 尼 Damper 单元连接来模拟人体各部分之间的弹 性? 胸部和颈部这些关键部位都设置成柔性 ,能对 发生碰撞后假人的受伤进行评价? 使用 Oasys 软 件调整假人的 H 点及坐姿 , 并保证假人与地板 、 坐椅 、 防火墙等不发生穿透干涉? 2. 2   安全带模型 假人佩带三点式安全带? 建立安全带系统的 有限元模型包括 : 安全带单元 ,滑环单元 ,预紧器 、 卷收器单元及引发预紧器 、 卷收器工作的传感器 单元? 为了更好地处理假人与安全带之间的接触 , 在人体胸部前的安全带采用了二维的薄壳单元? 2. 3   坐椅模型 坐椅坐垫采用泡沫材料处理 , 应用试验所得 的真实材料性能曲线?

3  接触类型的设定

部与腰带、 假人与整车前地板、 坐椅坐垫与坐椅支撑 部件、 车与刚性墙、 车身的主要部件之间均会发生接 触? 关于接触类型的定义 ,遵循以下原则[2 ]? (1 ) 尽可能采用 AU TOMA TIC 接触类型 ?
AU TOMA TIC 类型的接触是比较新的接触方式 ,

由于在汽车碰撞过程中 , 很难人工判断壳单元发 生接触的方向 ? AU TOMA TIC 接触方式主要 而 是针对壳单元的方向问题 ( 体单元以接触面的外 法线为接触方向 , 所以总可以产生接触 ) , 接触在 壳单元的两侧都发生 , 所以适合各种复杂的接触 行为? ( 2) 焊点 、 保证焊点 、 胶等 胶与车身的接触 ? 体单元的外表面与车身钣金件的紧密结合 , 使用 Tie 接触方式? (3) 设置一个单面接触 ( Single Surface ) , 用 于所有汽车部件可能发生的接触检测 ( 包括部件 自身的接触行为 ) , 只检测壳单元 , 这样可提高求 解速度?

第 4 期          陈海树等 : L S2D YNA 在汽车碰撞模拟过程中的应用

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( 4) 安全带与假人 ,坐椅坐垫 、 靠背与假人之

间 的 接 触 , 使 用 CON TACT - AU TOMA TIC SU RFACE - TO - SU RFACE 接触类型?
( 5) 泡 沫 类 材 料 的 内 部 接 触 CON TACT IN TER IOR ,如保险杠缓冲块 、 方向盘中央内部结

构及坐椅坐垫等 ? 这个接触是为了防止在计算过 程中出现负体积或节点速度无限大等问题?

4  模型求解

汽车以 50 km/ h 的速度冲击壁障时 , 碰撞时 间一般为 120 ms , 汽车与壁障 、 假人与车体的碰 撞发生在前 100 ms ,接下来的 20 ms ,汽车及假人 开始回弹? 汽车碰撞是一个复杂的过程 ,对于求解 一个 80 多万网格的庞大模型来说 ,单个工作站无 能为 力 ? 文 使 用 Dyna 的 linux 并 行 版 本 求 本 解[3 - 4 ]?

5  结果后处理及分析

Dyna 的结果文件主要包括以下内容? D3PLO T

二进制动画文件 , 可以浏览整

个碰撞过程? SECFORC 截面力文件 , 车体上所有关 键截面在整个碰撞过程中受力的变化? RWFORC 刚性墙受力?
NODOU T

模型中定义的关键点的速度 、

在汽车发生碰撞后 ,假人胸部与安全带、 假人腰

加速度 、 位移等信息? ELOU T 模型中定义的关键单元受力信 息? GL STA T 整个模型的动能 、 内能 、 沙漏 能变化? DEFORC 弹簧单元受力? MA TSUM 模 型中每个单独的 part 动 能、 内能等能量变化? J N TFORC 运动副受力变化? 接触面的受力信息? 图 1 为碰撞过程中能量变化曲线 , 沙漏能只
RCFORC

图1  碰撞能量变化图

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1

占总能量的 2 % ,说明模型的精确度很高? 一般为 保证求解精度 ,沙漏能要小于总能量的 10 %? 图 2 为碰撞过程中假人头部加速度特征量 HIC 值? 该值是一个积分结果 ,综合反映了头部的 加速度变化 ? 中国正碰法规 CMVDR294 要求该 值小于 1 000 , 本文未采用安全气囊 , 测得的 HIC 值为 704. 3 ,满足法规要求?

HIC =

t2 - t1


t1

t2

2. 5

a ( t) d t

( t2 - t1)

< 1 000

图 3 是碰撞过程中假人胸部的压溃曲线 ? CMVDR294 法规要求该值小于 75 mm? 本文测得 的假人胸部压溃量只有 11 mm? 此外 , 通过 Dyna 可以测得其他的假人损伤值以及车体的碰撞性能 参数 ,这里不再详细介绍 ,分析结果如表 1 所示?

图2  假人头部 HIC 值    1 表 名  称 分析值 经验值 加速度 特征量值
704. 3 1 000  

图3  假人胸部压溃量 结构及安全分析结果

假人胸部 压溃量/ mm
11 75

大腿左侧 轴向受力/ N
6 800 10 000

大腿右侧 轴向受力/ N
7 600 10 000

冲撞侵入 / mm
180 200

A 立柱后移 量/ mm 35 50

B 立柱下端最 大加速度/ g 35 40

6      结 论
有限元分析已是汽车产品开发设计链中的常 规流程 ,没有有限元分析的设计不能进入下一个 技术流程 ? 使用 Dyna 软件在设计初期对产品的 安全性能进行验证 ,及时发现新产品的问题 ,这为 设计工程师提供了更大的创造空间 , 使设计质量 大幅度提高? 对企业来说 ,有限元分析法的应用 ,使产品的 开发周期缩短 ,节省了开发费用 ; 避免了因产品投 放市场初期常常出现质量问题而影响新产品声誉 的问题 ; 而且还可以使研究人员集中力量进行汽 车的环保 、 节能和舒适性等现代汽车设计主题研

究? 可以说 ,没有有限元分析法的应用 ,则没有产 品质量 ,则不能建立真正的产品开发系统?

参考文献 :
[1] [2] [3]

[4]

Ajit D. kelkar , Mark J . Schulz. Simulation of a Car Frontal Offset Impact into a Fixed Deformable Barrier [ J ] .
Paper , 962458.

Abstract : The f ront crash of t he whole car is simulated by L S2D YNA. It shows t he great effect of t he computer simulation technology , which is applied in t he modern automotive field. Key words : L S2D YNA ; automatic crash ; hourglasses energy ; dummy ; computer simulation

Application of LS2DY NA in Car Crash Simulation
CH EN Haishu , L A I Zhenghai , DI Jianw ei
( Shenyang Brilliance Jinbei Automobile Co. , Ltd. , Shenyang 110044 , China)

钟志华 ,张维刚 ,曹立波 , 等 ?汽车碰撞安全技术 [ M ] ?北 京 : 机械工业出版社 , 2003 :7? 黄世霖 ,张金换 , 王晓东 , 等?汽车碰撞与安全 [ M ] ?北京 : 清华大学出版社 , 2000 :2 ,35 - 47? John O. Hallquist . L S 2D Y N A Theoreical M anual [ M ] .
California : Livemore Software Technology Corporation , 1998 :25 - 32 ,97 - 101 ,197 - 212.

SA E

【责任编辑   刘晓鸥】



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