基于LS-DYNA/MADYMO耦合功能在汽車碰撞ECE R95側(cè)碰分析中的應用

摘要:近年來,LS-DYNA/MADYMO 耦合分析方法在汽車碰撞分析領域被廣泛應用。耦合功能結(jié)合了LSDYNA和MADYMO 兩種分析軟件各自的長處,給工程師提供了新的分析途徑。本文介紹了耦合方法在新車開發(fā)分析中的應用,選取的工況是ECER95(中國即將在2006 正式頒布的側(cè)碰法規(guī))。此外還與完全采用LS-DYNA 的模型分析作了比較并簡單介紹了提高側(cè)碰安全性的改進策略。

簡介

LS-DYNA 和MADYMO 是汽車業(yè)界通用的結(jié)構(gòu)耐撞性和乘員安全性分析軟件。利用這兩個軟件的各自優(yōu)勢的耦合功能 (LS-DYNA/MADYMOCoupling) ,隨著MADYMO 6.0 和LS-DYNA 970版本的發(fā)布,也相應擴展了(extended coupling)。ADYMO 模型和LS-DYNA 模型之間接觸力的計算,改進了原來的算法,采用了MADYMO 的接觸算法 [1]。

軟件用戶們也于是紛紛開始把擴展的耦合功能應用在正面碰撞(包括偏置碰撞)和側(cè)碰分析中[2]。不少汽車公司也在將其應用在汽車開發(fā)流程中[3][4]。本篇論文主要介紹LS-DYNA/MADYMO 耦合功能在泛亞汽車的應用情況,分析選取的側(cè)碰工況參照即將于明年(2006)實施的中國側(cè)碰法規(guī)。

中國側(cè)碰安全法規(guī)

我國強制執(zhí)行的汽車碰撞法規(guī),到目前為止只有100%正面碰撞即GB11551。而在發(fā)生的交通事故中,由側(cè)面碰撞造成人員的死傷占20%以上。中國的汽車側(cè)碰法規(guī)急待推出和實施。以歐洲側(cè)碰安全法規(guī)ECE R95 為藍本的中國汽車側(cè)碰安全國家標準《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》ECE R95[5],將于明年2006 正式頒布實施。

如圖1 試驗布置所示,在碰撞試驗中,前排駕駛員座放置Euro SID-I/II假人。移動變形壁障重量為950±20kg,它以50±1km/h 的速度垂直撞向試驗車輛。移動變形壁障的縱向中垂面與試驗車輛上通過碰撞前排座椅R 點的橫斷垂面之間的距離應在±25mm 內(nèi)。

圖1 ECE R95 試驗布置

碰撞試驗后假人的傷害指標必須要滿足以下要求:

1. 頭部性能指標(HPC)≤ 1000,或“無頭部接觸”
2. 胸部性能指標:
2.1 肋骨變形指標(RDC)≤ 42 mm
2.2 粘性指標(VC)≤ 1.0 m/s
3. 骨盆性能指標:恥骨結(jié)合點力峰值(PSPF)≤6 kN
4. 腹部性能指標:腹部力峰值(APF)≤ 2.5 kN的內(nèi)力(相當于4.5 kN 的外力)。

其他需要滿足的要求可以詳細參考 [5]。

耦合模型的建立

如何建立LS-DYNA/MADYMO 耦合模型,在文獻[3]和用戶手冊中[6][7]有詳細的介紹。由于LSDYNA提供了豐富的材料模型,通常整車模型和移動變形壁障采用LS-DYNA 的有限元模型。而假人和側(cè)面氣囊或氣簾則可以選用MADYMO 的多剛體模型和有限元模型。不過正是由于耦合功能,使得選取哪個軟件的模型變得更靈活,車身上的子部件也可以根據(jù)需要選用MADYMO 模型。

這里不詳細討論建立模型的過程,只是結(jié)合經(jīng)驗介紹一些關鍵詞的作用:

1. *Control_Coupling:用來轉(zhuǎn)換LS-DYNA 和MADYMO 的單位制。因為LS-DYNA 和MADYMO 常用的單位制不一樣。LS-DYNA 常用的是mm,ms,kg;MADYMO 默認用的是國際單位m,s,kg。

2. *Contact_Coupling:這里定義的是可能和MADYMO 模型發(fā)生接觸的LS-DYNA 模型。因為在這里定義的部件都會顯示在KN3 文件中,所以為了后處理的顯示效果,也可以加上壁障等不涉及接觸的部件,以加強視覺效果。

3. 注意MADYMO 模型中接觸類型的定義。因為耦合計算中采用的是MADYMO 接觸算法,發(fā)現(xiàn)使用CONTACT_FORCE.KINEMATIC ,會使計算不穩(wěn)定。根據(jù)經(jīng)驗,接觸類型可以選取CONTACT_FORCE.CHAR、CONTACT_FORCE.PENALTY 或CONTACT_FORCE.ADAPTIVE 中的一種。

4. 安全帶模型并不包括在整個模型中。根據(jù)作者現(xiàn)有經(jīng)驗,安全帶在側(cè)面碰撞中對假人傷害值的貢獻不大。

耦合模型建立后如圖2:假人選用的是MADYMO的ES-2;整車和移動變形壁障是LS-DYNA 模型。

圖2 建立的耦合模型

計算比較和側(cè)碰性能的改進

采用耦合比單純用LS-DYNA 模型(整車、假人和壁障)在計算效率上有一定的提高。表1 顯示的是用2cpu 計算的時間比較。

表1 計算時間比較

由于耦合程序是SMP 版本的,如果LS-DYNA 和MADYMO 的版本也是SMP 版本,計算時需要設置相同的CPU 個數(shù)。在和LSTC 交流之后,新的耦合程序版本可以設置不同的CPU 個數(shù),即LSDYNA 可以設置多個CPU, 而MADYMO 可以只用1 個CPU,計算效率仍在測試中。

耦合計算結(jié)果和純LS-DYNA 模型的計算結(jié)果和試驗結(jié)果的比較也在進行中。可以肯定的一點是,在設計初期,由于時間上的優(yōu)勢,采用耦合模型可以為設計變量的調(diào)整給出方向。

側(cè)碰法規(guī)的實施給汽車設計提出了更具體的要求。如何提升汽車側(cè)碰性能、減小碰撞后假人身上各項指標,一直是各個汽車廠商所關注的。一方面是通過車身結(jié)構(gòu)的改進,合理分布載荷的傳遞,使假人的軀干肢體受到盡量小的,由碰撞帶來的能量。 此外采用側(cè)面氣囊和氣簾也可以大大減少乘員傷害。不少汽車廠商已經(jīng)把側(cè)面氣囊作為汽車的標準配置之一。泛亞近些年在如何提高汽車側(cè)碰性能上積累并形成了一些自己的經(jīng)驗[8]。

結(jié)論

耦合模型一旦建立,之后只需要對結(jié)構(gòu)或參數(shù)進行相應的改動或調(diào)整,便可以立即計算。由于采用了MADYMO 多剛體的假人,可以避免令人頭痛的有限元假人中的負體積 (negative volume) 問題,大大提高了計算效率。這對汽車開發(fā)初期是大有好處的。