劉淑丹，門永新，彭 鴻，馮擎峰

Liu Shudan，Men Yongxin，Peng Hong，F(xiàn)eng Qingfeng

（吉利汽車研究院有限公司，浙江 杭州 311228）

0 引 言

隨著汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬理論和方法不斷發(fā)展和完善，涌現(xiàn)出各種用于碰撞仿真分析的商用軟件，使得人們不僅可以在汽車碰撞的有限元仿真中處理結(jié)構(gòu)的大變形問(wèn)題，而且對(duì)碰撞過(guò)程中乘員的仿真分析也有相應(yīng)的處理方法，且軟件的模擬結(jié)果能與實(shí)車碰撞結(jié)果大致吻合。

在側(cè)面碰撞載荷情況下，乘員損傷是由于乘員近距離與侵入的車輛結(jié)構(gòu)直接發(fā)生接觸而導(dǎo)致，給車輛安全設(shè)計(jì)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在乘員安全設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，可以使用仿真軟件和有限元算法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)乘員傷害進(jìn)行評(píng)估，并優(yōu)選改進(jìn)方案。

文中采用顯式非線性有限元分析程序LS-DYNA及基于多剛體動(dòng)力學(xué)理論軟件MADYMO，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)面碰撞有限元仿真分析。LS-DYNA軟件被廣泛地用于汽車被動(dòng)安全性的數(shù)值計(jì)算和模擬，MADYMO 軟件是汽車界通用的乘員安全性分析軟件。前者在國(guó)內(nèi)目前主要用于整車結(jié)構(gòu)碰撞分析，后者主要用于約束系統(tǒng)仿真分析。采用LS-DYNA /MADYMO 耦合分析可以很好地將兩者結(jié)合，同時(shí)考察車身結(jié)構(gòu)并關(guān)注乘員傷害[1]。

1 法規(guī)簡(jiǎn)介及耦合方法

1.1 耦合方法

所謂的耦合就是采用兩種求解器一起運(yùn)行，并在兩者之間交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與共享。具體的說(shuō) LS-DYNA將接觸力傳輸給 MADYMO進(jìn)行計(jì)算后，將接觸面位置等信息反饋給LS-DYNA，見圖1。

1.2 側(cè)面碰撞法規(guī)

我國(guó)目前整車安全性法規(guī)有強(qiáng)制性汽車碰撞法規(guī)及CNCAP星級(jí)評(píng)價(jià)。文中按照2006年開始實(shí)施的中國(guó)汽車側(cè)碰安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》進(jìn)行仿真，評(píng)價(jià)要求見圖2。

在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，前排駕駛員位置放置ES-Ⅱ假人。移動(dòng)變形壁障重量為 950 kg，并以50 km/h的速度垂直撞向試驗(yàn)車輛。移動(dòng)變形壁障的縱向垂面與試驗(yàn)車輛上通過(guò)碰撞前排座椅R點(diǎn)的橫斷垂面之間的距離應(yīng)在25 mm內(nèi)[2]。

2 分析比較

2.1 分析關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)ECE 95法規(guī)要求建立分析模型，在實(shí)際分析工作中，座椅、安全帶及安全氣囊可以根據(jù)需要采用MADYMO或LS-DYNA模型。

分析采用LS-DYNA的整車有限元模型、移動(dòng)變形壁障及有限元安全帶，MADYMO的 50%的FACET假人，運(yùn)用擴(kuò)展耦合的方法進(jìn)行分析。見圖3、圖4。

2.2 LS-DYNA關(guān)鍵字的設(shè)置

由于MADYMO 與LS-DYNA 使用的單位不一致，使用*CONTROL_COUPLING將兩者統(tǒng)一其中，LS-DYNA使用單位制為 mm-s-ton-n，MADYMO使用單位制為 m-s-kg-n。

*CONTACT_COUPLING，用于定義與MADYMO相互接觸的 LS-DYNA 模型。這些模型將直接顯示在MADYMO的*.KN3文件中，為了更加直觀，通常情況下選移動(dòng)障礙壁及部分車身件[3]。

MADYMO關(guān)鍵字的設(shè)置：

1）設(shè)置 COUPLING，AUTO_SCALE_ANI 為ON[3]；

2）建立空FE_MODEL指向 COUPLING，用以存儲(chǔ)交換數(shù)據(jù)；

3）耦合時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定一致。

4）DYNA時(shí)間要比MADYMO計(jì)算時(shí)間稍長(zhǎng)[4]；

5）動(dòng)畫輸出時(shí)間一致。

2.3 分析精度比較

在仿真過(guò)程中，關(guān)鍵要把握模擬精度，計(jì)算結(jié)果可信度。分析精度主要從變形、侵入量侵入速度、假人傷害值等量化數(shù)據(jù)進(jìn)行考察。當(dāng)然，分析精度的高低，不僅取決于仿真求解模型的精度，還有求解器、假人模型的精度。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，考察耦合分析的可行性。

2.3.1 變形分析

左前門仿真與試驗(yàn)變形一致，門下部出現(xiàn)彎折，左后車門變形一致，但后門變形較仿真明顯如圖5所示。

左前門檻試驗(yàn)與仿真變形基本一致，但鉸鏈變形試驗(yàn)較仿真明顯。B柱下部變形基本一致，如圖6所示。

移動(dòng)MDB壁障仿真試驗(yàn)對(duì)比，如圖7所示。從局部細(xì)節(jié)分析，該車型各關(guān)鍵位置變形相對(duì)一致。

2.3.2 侵入量及侵入速度分析

為方便對(duì)比，B柱從上至下取11個(gè)測(cè)量點(diǎn)，左側(cè)門檻從前到后等距取12個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行侵入量采樣分析；B柱從上至下取 7個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行侵入速度采樣分析。

整體上看，側(cè)面B柱侵入量仿真與試驗(yàn)整體上差異較小，如圖8所示。左側(cè)門檻外板侵入量，如圖 9所示，仿真試驗(yàn)對(duì)比基本一致，與試驗(yàn)有較好的一致性。B柱侵入速度，如表 1所示，與試驗(yàn)誤差均較小，同試驗(yàn)有相當(dāng)好的一致性。

以上對(duì)比分析說(shuō)明，耦合有限元模型與試驗(yàn)車在車身結(jié)構(gòu)上具有良好的一致性。

表1 B柱侵入速度 m/s

2.3.3 假人傷害值分析

側(cè)面碰撞假人傷害值主要考察肋骨變形量、肋骨VC、T12Fy、T12Mx、背板力Fy、腹部力、恥骨力各項(xiàng)，采用的耦合分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖10，各項(xiàng)CAE仿真與試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)一致、數(shù)值接近，其中上肋骨變形量、腹部力誤差在 10%以內(nèi)，中下肋骨變形量、T12Mx誤差在15%以內(nèi)；恥骨力、背板力Fy誤差保持在20%以內(nèi)；T12Fy誤差在25%以內(nèi)。如表2所示。

在一定程度上，運(yùn)用耦合分析假人誤差在可接受范圍內(nèi)。本次分析中，誤差相對(duì)較大的項(xiàng)為背部各項(xiàng)指標(biāo)，其主要原因有FE模型誤差、假人本身誤差。由于個(gè)別傷害項(xiàng)如肋骨VC本身基數(shù)較小，相對(duì)誤差變化靈敏。

2.3.4 總體評(píng)價(jià)

通過(guò)車身變形、侵入速度、侵入量及假人傷害值等各項(xiàng)分析，采用兩種求解器耦合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞結(jié)構(gòu)及乘員傷害的評(píng)估，同時(shí)比較了試驗(yàn)與假人傷害值上的差異，兩者之間相差不大，在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明運(yùn)用這種分析方式能夠滿足日常仿真分析要求。為以后仿真工作，拓寬了分析途徑，可根據(jù)不同的分析要求，適當(dāng)選擇。

2.4 分析效率比較

為比較兩種求解器計(jì)算效率，通過(guò)設(shè)置同等條件硬件比較分析。采用計(jì)算中心 16 CPU并行計(jì)算，兩車型計(jì)算時(shí)間見表2。運(yùn)用耦合分析的方法，同等條件下增加 12%～20%左右計(jì)算時(shí)間，降低了計(jì)算效率。

表2 計(jì)算效率 h

3 結(jié) 論

采用 LS-DYNA/MADYMO耦合分析精度滿足分析要求，由于采用MADYMO假人，在現(xiàn)有FE假人的基礎(chǔ)上，新增了一套分析假人，提供了一種不同的分析途徑。同時(shí)運(yùn)用耦合分析的方法，可以避免由于采用 LS-DYNA假人出現(xiàn)的負(fù)體積問(wèn)題而導(dǎo)致的計(jì)算無(wú)法繼續(xù)的情況發(fā)生，并提高計(jì)算效率。

優(yōu)點(diǎn)：

1）避免由于采用LS-DYNA假人負(fù)體積問(wèn)題而導(dǎo)致的計(jì)算終止；

2）不僅適用側(cè)面碰撞仿真，實(shí)際上在頭部碰撞內(nèi)飾、行人保護(hù)碰撞等分析項(xiàng)目上均適用。

缺點(diǎn)：

1）在分析精度不變情況下，提升分析效率，同等條件下比單純 LS-DYNA分析增加 12%～20%計(jì)算時(shí)間；

2）需要配備兩種求解器：LS-DYNA和MADYMO。在前期軟硬件配置費(fèi)用上投入更多。

3）對(duì)分析人員要求較高，需同時(shí)熟練掌握MADYMO及LS-DYNA。

通過(guò)LS-DYNA/MADYMO側(cè)面耦合分析，從耦合分析的精度、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)說(shuō)明側(cè)面耦合分析可行性，為后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)分析方法選擇提供參考意見。

[1]馬志雄，朱西產(chǎn)，陶穎，等. 側(cè)碰試驗(yàn)中車門運(yùn)動(dòng)與假人傷害響應(yīng)的相關(guān)性[J]. 汽車技術(shù)，2010，01：48-56.

[2] GB 20071-2006，汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S].

[3]MADYMO Coupling Manual Release 6.4[M].June 2007：1-36.

[4]LS-DYNA_971_manual[M].May 2007：I.1-I.3.