【難點總結】汽車碰撞CAE技術中幾個尚未解決的問題！

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

文章綜述了汽車碰撞及汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術研究概況,介紹了常用CAE軟件的基本情況,從汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術的角度出發(fā),提出了汽車碰撞CAE技術中存在的幾個沒有解決好的問題,包括殼單元的畸變、復雜模型中單元積分的階、材料的開裂準則及沖壓成形過程對材料性能的影響等問題。這已經(jīng)影響了汽車碰撞CAE的應用,希望這些問題能夠早日得到解決。

1 汽車碰撞CAE技術與汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術研究概況

汽車的碰撞安全性是非常重要的基本屬性,在許多國家,所有上市的汽車必須滿足嚴格的碰撞安全性法規(guī)要求,它同時也是消費者十分關注的重要指標,已成為汽車公司拓展產(chǎn)品市場的關鍵。但因汽車碰撞涉及大位移、大轉動、大應變及未知接觸界面等問題,在1985年以前,出于理論水平的無奈,對它的研究幾乎都靠實驗室的手段來實現(xiàn)。在1985年以后,Bathe、Hallquist、Simo、Hughes、Belyt schko、Flanagan、Benson及鐘志華教授等一大批杰出科學家的長期努力與創(chuàng)造性研究成果——汽車碰撞CAE技術的日益成熟,人們才能完全從理論上開展汽車碰撞安全性研究,從而開創(chuàng)了汽車碰撞安全性研究的新紀元。我國也非常重視對它的研究,盡管起步晚,但也具備了基本條件,早在1992年,清華大學就擁有了初步的試驗研究能力,隨后,中國汽車技術研究中心在青年學者朱西產(chǎn)教授的努力下,后來居上,建立了一套國內最完備的汽車碰撞試驗裝置。同時,湖南大學等單位也相繼建立了頗具特色的汽車碰撞試驗系統(tǒng)。然而,由于汽車碰撞CAE技術的發(fā)展需要更加深厚的理論基礎,我國的汽車碰撞CAE技術直到最近才取得實質性進展,需特別指出的是,湖南大學鐘志華教授不僅以其創(chuàng)立的防御節(jié)點法、“級一域”法及交叉降階積分法而享譽世界,為汽車碰撞CAE技術的發(fā)展奠定了新基礎,而且,是在他的直接推動下,我國才擁有了具有自主知識產(chǎn)權的成套的汽車碰撞CAE技術,其主要成果包括國內唯一的自主開發(fā)的汽車碰撞仿真軟件及獲教育部科技進步1等獎的成果“汽車碰撞安全性設計與改進理論、方法及關鍵技術”,作者作為該成果的第2號研究人員,從中更學到了不少新知識。同時,作者主持完成的交通部重點科技攻關項目“在用汽車高速碰撞安全性改進技術研究”,通過了交通部科教司主持的鑒定,結論為國際先進水平。該成果應用在上汽通用五菱汽車股份有限公司新產(chǎn)品N1的碰撞安全性設計及老產(chǎn)品X477的碰撞安全性改進中,解決了產(chǎn)品安全結構設計方面的問題,使它們成為完全依靠國內技術而滿足碰撞法規(guī)的國內微型車產(chǎn)品中最早的兩個產(chǎn)品。

實際上,汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術與汽車碰撞CAE技術是同宗共源的。也是在1985年以后,人們才能完全從理論上實現(xiàn)對汽車覆蓋件沖壓成形過程的分析。同樣地,我國在汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術方面也取得了大量成果,其中最突出的代表人物仍然當數(shù)鐘志華教授,在他的直接參與與帶領下,課題組成員經(jīng)過近4年的潛心研究和聯(lián)合攻關取得了一系列研究成果,其中的“薄板沖壓工藝與模具設計理論、計算方法和關鍵技術及在車身制造中的應用”,還獲得了國家科技進步1等獎,作者有幸成為該成果的研究人員之一,從中獲益良多。此外,吉林大學的胡平教授也在這一領域取得了可喜的成績,他們依靠自己的力量,獨立開發(fā)出了集成化的覆蓋件彈塑性變形有限元仿真與模具設計CAE
軟件系統(tǒng),并與已有的CAD和CAM軟件相互集成,基本實現(xiàn)了從模具設計曲面造型到成形性分析,直至模具NC加工軌跡形成的一體化,目前該系統(tǒng)可以模擬各種沖壓件的成形過程以及卸載回彈和切邊回彈。而作者主持完成的湖南省中青年基金項目及上汽通用五菱汽車股份有限公司攻關項目“汽車覆蓋件沖壓成形CAD/CAE/CAM一體化技術及應用研究”,則立足重大工程應用,解決了汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術在重大工程應用中存在的12個技術難題,取得了6項新的突破,已通過湖南省科學技術廳主持的鑒定,得到與會專家的高度評價,一致認定該研究成果處于國內領先水平。該成果應用在上汽通用五菱汽車股份有限公司,解決了該公司新產(chǎn)品N1的覆蓋件模具設計與工藝分析問題,改變了企業(yè)向國際公開招標的計劃。

2 汽車碰撞及覆蓋件沖壓成形分析常用的軟件

顯式有限元方法是求解大位移、大轉動、大變形問題的最有效方法,已在沖壓成形、碰撞、穿甲、爆炸等許多領域得到廣泛應用。分析軟件也十分豐富,工程上常用的有LS-DYNA、ANSYS/LS-DYNA、DYNAFORM、OPTRIS、DYTRAN、AUTOFORM、CFORM等。其中,應用最早也最為廣泛的則非LS-DYNA莫屬。

LS-DYNA的雛形是由美國Lawrence Livermo re National Laboratory的Hallquist J 0博士于1976年主持研制完成的DYNA3D。到1988年,Hallquist J 0博士創(chuàng)立了Livermore Software Technology Cooporation(簡稱LSTC公司),經(jīng)過多次擴充和改寫的DYNA3D,其功能得到大幅度提升,此時則更名為LS-DYNA3D。到1996年,更是將LS-DYNA3D與LS-NIKE3D進行了完整的融合,分析軟件也就不得不再一次更名,即廣為人知的LS-DYNA,從而奠定了LS-DYNA在有限元軟件中的霸主地位,顯式加載隱式卸載、復雜多步成形分析、沖壓分析結果的網(wǎng)格粗化與裁剪、形形色色的接觸類型、寬松的模具網(wǎng)格形狀(可以全部采用三角形單元)等功能,一直是許多軟件追逐的目標。一些軟件更是全部引進LS-DYNA作為其本體的一個組成部分,以達到迅速提升其技術水平的目的,ANSYS/LS-DYNA就是一個典型的例子。而由Engineering Technology Associates,Inc.開發(fā)的,在沖壓成形分析領域最負盛名的沖壓分析軟件DYNAFORM,從本質上看,只是為LS-DYNA提供了1個專門針對沖壓分析的前處理軟件及2個通用后處理軟件。

LS-DYNA本身也帶有功能強大的前后處理軟件,LS-INGRID及FEMB就是LS-DYNA自身帶有的前處理軟件,HYPERMESH等專用前處理軟件也都有很強的LS-DYNA前處理能力。LS-DYNA仿真分析的結果,可以用LS-DYNA的專用后處理軟件LS-POST或LS-TAURUS處理,也
可以用其它任何一種能夠處理LS-DYNA輸出數(shù)據(jù)文件的后處理軟件進行后處理,如eta/Post GL,eta/Graph等專用后處理軟件,還可以應用LS-DYNA本身的前處理軟件FEMB進行后處理。

在LS-DYNA中,單元類型眾多(如四邊形及三角形殼單元、膜單元、六面體厚殼單元、三維實體單元、梁單元、安全帶單元、彈簧阻尼單元、平面應力及平面應變單元、2D軸對稱單元等),各類單元又有多種理論算法供選用,這些單元基于Lagrangian表述,有一點積分、全階積分、選擇性降階積分等積分格式,對一點積分,還發(fā)展了粘性阻尼與剛度公式等用于解決零能量變形模式(即砂漏)的技術。此外,還有Eulerian六面體單元、Eulerian邊界單元及ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)六面體單元,可用于流固耦合問題分析。

LS-DYNA有100多種材料模型,如彈性、彈塑性、超彈性、泡沫、玻璃、地質、混凝土、復合材料、炸藥及引爆燃燒、剛體等,還留有用戶自定義材料接口,并可考慮材料失效、損傷、各向異性、粘性、蠕變、溫度效應、應變率效應等性質。

LS-DYNA的接觸處理類型達20多種,可處理變形體之間的接觸、變形體與剛體的接觸、單一面接觸、粘接、流固接觸等接觸類型。接觸力的計算有罰參數(shù)法、軟約束法及基于接觸片的pinball方法,不論相互接觸界面的彈性模量是相近還是相距很大,都能夠準確地計算出接觸界面上的接觸力。還可以考慮接觸界面的摩擦特性,可用于汽車碰撞安全性研究、乘員與氣囊及安全帶的匹配研究、沖壓研究、水下爆炸對結構影響的研究等。同時,LS-DYNA采用材料失效和浸蝕接觸(eroding contact)可進行高速彈丸對靶板的穿甲研究。此外,還專門針對沖壓問題,開發(fā)了不要求接觸界面連續(xù),對主接觸面網(wǎng)格形狀無特殊要求(可以全部為三角形單元)的成形專用接觸類型,即FORMIN GONE-WAY-SURFACE-TO-SURFACE,該接觸類型與向前自適應網(wǎng)格劃分方法的聯(lián)合使用,不僅降低了對坯料初始網(wǎng)格尺寸的要求,而且使接觸搜尋采用單向搜尋時的可靠性得到進一步提高,大大降低了計算費用。

LS-DYNA的自適應網(wǎng)格技術(Adaptive meshing),允許用戶劃分相對粗糙、大小均勻的網(wǎng)格作為變形體(如沖壓中的坯料)的初始網(wǎng)格,在分析中,LS-DYNA能根據(jù)需要自動細化網(wǎng)格尺寸。

LS-DYNA還可以直接讀入CAD表面,目前也支持VDA及IGES格式。

LS-DYNA可以在大多數(shù)MPP計算機系統(tǒng)中運行,可以將計算任務分配給多個CPU同時進行處理。同時,LS-DYNA在微機上也能夠運行,并能解決相當復雜的分析問題。

LS-DYNA的最大特色也許就在于將LS-DYNA3D與LS-NIKE3D的完整融合。LS-NIKE3D也是Hallquist J 0博士主持開發(fā)的,它與LS-DYNA3D的區(qū)別就在于它是用于靜態(tài)或準靜態(tài)載荷條件的隱式方法,而LS-DYNA3D則是用于瞬態(tài)大變形載荷條件下的顯式方法。這兩個軟件的完整融合,使LS-DYNA成為目前世界上功能最強大的軟件,不論是單個的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)、流體、固體、氣體、溫度場、電場、磁場問題,還是它們的耦合問題,LS-DYNA都能給出滿意的答案。

從宏觀上看,動態(tài)顯式有限元方法已經(jīng)發(fā)展到了一個非常完美的境界;但仔細推敲卻會發(fā)現(xiàn),受以往專業(yè)劃分的制約,應用動態(tài)顯式有限元方法進行汽車碰撞分析仍然存在一些問題。

3 汽車碰撞CAE技術中存在的問題

3.1殼單元公式中存在的問題

3.1.1單元的畸變問題

在汽車碰撞分析過程中,對那些需要計算應力與應變的單元,單元的形狀非常重要,一般而言,除非單元扭曲具有明顯的優(yōu)點,否則采用沒有扭曲的等參元通常是最好的。例如,矩形元應該是“真正的矩形”,即單元內角都是直角、單元的每一邊都是直邊。在這種情況下,自然坐標系和實際坐標系之間的雅可比算子是常元素的對角矩陣,因此不影響應變插值的階。同時,目前的單元公式雖然能夠包容一定的扭曲,但這種包容是十分有限的。一般情況下,單元的尺寸應控制在如下范圍內才能獲得可靠的計算結果:①單元長寬比≤10;②單元內角≥30°;③單元翹曲角≤20°。

扭曲的單元對分析結果精度的影響,在很大程度上與所研究的問題及所選用的單元有關。雖然我們不希望出現(xiàn)扭曲單元,但實際上這是不可避免的。如邊界與過渡區(qū)域的單元就是這種情況,而對汽車碰撞類大變形問題而言,雖然零件(指可變形零件)的初始網(wǎng)格可能是理想的網(wǎng)格形狀,但在碰撞過程中這些網(wǎng)格也會出現(xiàn)大扭曲等畸變現(xiàn)象。如果要求在這些區(qū)域中的分析結果也非常精確,則必須提高網(wǎng)格密度,用大量的單元來建立這些區(qū)域的模型,以彌補扭曲單元給有限元分析結果帶來的損失。

雖然從理論上說,一個區(qū)域內的扭曲單元對其它區(qū)域分析結果的影響,由圣維南原理可知,這種影響在這些扭曲單元“合適”距離以外應該是很小的,這個“合適”的距離,通常與所研究的問題及采用的單元和網(wǎng)格形狀有關,但只有與一個更精確的解進行比較以后,才能確定實際的影響。在汽車碰撞問題中,結構的塑性變形吸能是確保汽車安全性能的重要手段,吸能構件在吸能過程中將出現(xiàn)大量的折疊區(qū)域,折疊區(qū)域存在大量嚴重扭曲的單元,雖然折疊區(qū)域的這些單元扭曲不會明顯影響“合適”距離以外區(qū)域內的分析結果,但正是這些折疊區(qū)域的模擬決定了整個分析結果的可靠性,因為汽車沖擊動能的約70%就是由這些折疊區(qū)域來吸收的

細化網(wǎng)格是獲得更可靠結果的重要途徑,因為網(wǎng)格細化后就能夠將單元的尺寸控制在上述殼單元公式要求的范圍內。

自適應網(wǎng)格技術是細化網(wǎng)格的最有效手段,已經(jīng)在汽車覆蓋件沖壓成形分析中得到廣泛應用,但該方法卻不適合于汽車碰撞分析,因為在沖壓分析中,坯料是典型的大變形構件,因此,坯料必須采用精細的網(wǎng)格模型,而且單元形狀必須盡量采用“真正的矩形”形狀,至少要保證盡量采用四邊形單元。相反,模具的變形要小得多,但模具的形狀卻是非常復雜的,為了簡化計算,模具通常作為剛體處理(即采用剛體材料模型)。由于在有限元分析中,剛體不存在應力及應變計算,且剛體網(wǎng)格尺寸的大小也不參與CAE分析過程中臨界時間積分步長的確定,即模具網(wǎng)格的細化,不會影響系統(tǒng)的臨界時間積分步長,因此,細化模具網(wǎng)格幾乎不會影響沖壓成形分析過程對CPU的要求。因此,模具網(wǎng)格的中心內容是如何精確模擬模具的幾何形狀。總之,模具采用細密的網(wǎng)格,不會因影響系統(tǒng)臨界時間積分步長而增加計算費用,卻可以大大提高模型的精度。即:既可以獲得更接近模具真實幾何形狀的模具有限元模型,又可以使模具的網(wǎng)格尺寸接近坯料網(wǎng)格的尺寸(因為坯料是大變形零件,其單元尺寸細化能夠提高計算結果的精度,故坯料網(wǎng)格尺寸通常都是非常小的),使接觸力的分布更加精確。因此,模具網(wǎng)格可以在計算初期即劃分得非常細密,在計算過程中,只需對坯料使用自適應網(wǎng)格技術,而不必理睬模具單元的情況。

這樣,計算過程中雖然沖壓系統(tǒng)中單元的數(shù)目在不斷增加,但實際上只有坯料上的單元在增加,增加的單元數(shù)目不會十分龐大。

在汽車碰撞分析中卻不同,此時參與變形的零件數(shù)量很多,如果應用自適應網(wǎng)格技術,就會顯著增加碰撞系統(tǒng)中的單元數(shù)目,使本來就需要大量CPU時間的分析過程變得更加難以接受。

可見,如何處理碰撞中單元發(fā)生畸變的問題,將是一個不容忽視的研究內容。

3.1.2復雜模型中單元積分的階

在汽車碰撞分析中,使用高階積分不僅增加分析成本,而且雖然計算結果能夠滿足收斂性準則,但由有限元分析的位移公式只能給出所研究問題的“精確”應變能的一個下界,即從物理概念上說,位移公式將導致偏高的系統(tǒng)剛度。因此,實際上只要數(shù)值積分中的誤差能夠適當補償由于有限元離散化所導致對結構剛度的過高估計,則用數(shù)值積分不太精確地計算單元剛度矩陣就能夠得到較好的結果。換言之,采用比精確計算單元剛度矩陣所要求的階更低的數(shù)值積分的階,在許多情況下會使計算結果得到改善。當然,除了采用降階積分的辦法外,采用選擇性降階積分,即用不同的積分階來積分不同的應變項也是很有利的。

而使用過低的積分階,則可能使積分結果很不精確,實際上不可能得到問題的解。例如,在隱式有限元分析中,計算單元剛度矩陣時,如果積分的階太低,則矩陣零特征值的個數(shù)會多于實際剛體位移的個數(shù),即出現(xiàn)所謂的零能量變形模式,也稱砂漏。因此,為了得到一個單元集合平衡微分方程組的成功解,就必須適當約束有限元集合中對應于所有零特征值的變形模式,即必須應用所謂的砂漏控制技術,不然的話,結構剛度矩陣將會是奇異的?？傊?如果計算單元剛度矩陣的積分階降低到不能包括全部位移模式的話,則單元矩陣的秩就會小于精確計算時的秩。而如果在單元集合中沒有給單元以足夠的剛度約束,就會引起求解困難,即單元集合的總剛度矩陣常常是病態(tài)的,并且可能是奇異的。雖然已經(jīng)發(fā)展了一些砂漏控制技術,能夠在一定程度和范圍內保證解的不穩(wěn)定性不會進一步發(fā)展,但對復雜的邊界條件和用不同類型單元建立的有限元模型的實際分析中,這些砂漏控制技術的功效仍然是很有限的。

一般而言,收斂性所要求數(shù)值積分的最低階就是無誤差地計算該單元體積所用的階,但必須謹慎地運用這一規(guī)則。例如,在3節(jié)點桁架單元的公式中,用一點高斯積分就可以精確地求出體積,但在剛度矩陣的計算中,如果采用一點高斯積分,則對應于單元中央節(jié)點的自由度的行和列均為零向量,從而可能使結構剛度矩陣成為奇異的。

綜上所述,運用降階積分和選擇性降階積分時,對任一種具體的積分格式主要應滿足兩個條件:①單元不含有任何偽零能模式(即單元剛度矩陣的秩不能小于精確計算的秩);②單元含有要求的常應變狀態(tài)。條件①保證了有限元方程的求解過程得以完成,且在解中不產(chǎn)生假機構;如果也滿足條件②,則滿足了完備性條件,此時,收斂是意料中的事。因此,要獲得可靠的有限元分析結果,通常應該滿足上述兩個條件。對具有豐富計算經(jīng)驗或擁有大量實驗結果做依托的研究人員,使用不滿足上述條件的降階積分或選擇性降階積分格式有時也可獲取可靠的有限元分析結果,但必須特別謹慎。可以這么說,在實際分析中,如果采用選定的積分階卻不能得到合適的剛度矩陣,則意味著所選的積分階太低了。

對于單元力向量,采用與計算剛度矩陣相同的積分格式和積分階通常是一個很好的辦法。但在計算單元質量矩陣時應注意,對集中質量矩陣,只需正確算出單元的體積,而對一致質量矩陣,則通常需要一個比計算剛度矩陣更高階的積分。

可見,單元積分的階,特別是一個模型中包括不同類型的單元時,單元積分階的選擇仍然十分重要,因為對復雜的邊界條件和用不同類型單元建立的有限元模型進行分析時,一旦出現(xiàn)砂漏現(xiàn)象,那么目前的砂漏控制技術就有可能起不了什么作用。

3.2材料模型中存在的問題

3.2.1材料的開裂準則問題

在汽車碰撞中,目前關于材料開裂的問題,只有CDM(Continium Damage Mechanics)模型中進行了考慮,是從積累損傷塑性應變(damage accumulated plastic strain)的角度提出的,它利用等效塑性應變并獲得用于判斷材料是否開裂的損傷值,然后比較該損傷值是否達到預先設定的臨界損傷值(Criticaldamage value)。該方法不僅相當麻煩,而且從沖壓成形的實際情況來看,采用此方法判斷材料的開裂與否并不合適。因為長期的生產(chǎn)實踐表明,在沖壓過程中,材料的開裂與否只與平面內的兩個應變在材料成形極限圖(FLD)中的位置有關,而與這兩個應變的等效塑性應變的大小無關,只要這兩個應變對應的位置位于FLD的開裂曲線之下方,則不論其等效塑性應變有多大,材料也不會開裂;相反,只要這兩個應變對應的位置位于FLD的開裂曲線之上方,則不論其等效塑性應變有多小,材料照樣開裂。

在目前的材料模型中,雖然有一些帶FLD的材料模型,但這些材料模型并不適用于實體及梁。而材料一旦開裂,就會影響碰撞過程中的接觸狀況,從而影響碰撞的結果。顯然,在材料模型中如何正確考慮材料的開裂準則是一個非常重要的研究課題,尤其是提出一種既適用于薄板也適用于實體及梁開裂的準則,不僅十分重要,而且迫在眉睫。

3.2.2沖壓成形過程對材料性能的影響問題

材料經(jīng)沖壓成形后,不僅使厚度變得不均勻,而且使同一零件上不同部位的材料經(jīng)歷了不同程度的塑性變形(即不同部位的材料經(jīng)歷了不同程度的塑性硬化),雖然由此而產(chǎn)生的殘余應力會隨著時間的推移而逐步消失,但零件上不同部位的塑性硬化使不同部位的材料具備了不同的力學性能,且不同部位所允許的繼續(xù)變形能力也受到不同程度的限制。

顯然,材料沖壓前的力學性能及可變形能力與沖壓后是不同的,即汽車碰撞過程中材料具有的性能可能與沖壓過程中的性能不同,于是就存在兩個問題,其一是那些用于沖壓前的材料模型是否仍然適用于沖壓后的材料;其二是如果那些適用于沖壓前的材料模型不再適用于沖壓后的材料,應如何在材料模型中正確考慮沖壓后材料的力學性能、可繼續(xù)變形能力對屈服準則及硬化模型的影響。這些問題實際上對汽車碰撞分析中材料模型的可靠性提出了挑戰(zhàn)。

4 結語

汽車碰撞CAE技術與汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術,具有相同的理論基礎,但又是兩個完全不同的專業(yè)領域。受專業(yè)劃分的制約,對碰撞與沖壓的研究往往不能協(xié)調發(fā)展,即使是同一個分析軟件,受軟件研制人員本身專業(yè)知識的限制,也難以將兩者有機地整合起來。作者在鐘志華教授的指導下,幸運地涉足了這兩個領域,發(fā)現(xiàn)了其中的一些問題,并借此文予以披露,希望這些問題能夠早日為人們所克服,以利進一步提高汽車碰撞CAE技術的水平。

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