CN102117360A - 快速匹配车辆正碰有限元模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种汽车计算机辅助设计领域的方法，尤其是一种快速匹配车辆正碰有限元模型的方法。该方法在传统方法的基础上，增加了创建逆向有限元模型过程，并将正向和逆向的仿真过程中的相关参数进行比对，进而能够快速确定模型中决定匹配准确度的关键区域，然后再回到常规建模方法上，利用从逆向与正向相关参数对比中获得的关键区域的参数取值，调整正向模型，使得正向模型可以快速匹配好，其有效地减少了车辆正碰有限元模型设计周期，且设计精度较高。

Description

快速匹配车辆正碰有限元模型的方法

技术领域

本发明设计一种汽车计算机辅助设计领域的方法，尤其是一种快速匹配车辆正碰有限元模型的方法。

背景技术

近年来，我国汽车保有量大幅增长，使得道路上车辆密度随之大幅增加；另一方面随着各种基础设施的不断完善，如大范围的修建高速公路等，让车辆的行驶速度也比往年高许多,这就造成了汽车事故的多发，为此国家制定了相关法规对汽车安全性做出要求，如GB 11551-2003，还有一些半官方的组织如C-NCAP也不定期抽查车辆，进行碰撞测试，而后将其安全性能向消费者公布。车辆的安全性能如今已同燃油经济性、外观一样被消费者作为购买与否的重要参考之一,这些因素促使汽车厂商必须提供安全性能更高的车辆，才可能在市场上获得成功。

过去车辆安全性能开发以及测试主要通过试验来完成，这种方法成本高，因为必须等到样车出来之后才能进行碰撞试验,其周期长（3到5年），但由于行业竞争不断加剧，厂商都尽力将开发周期压缩到两年以内。因此，有限元方法应运而生了，因为它可以在车辆开发初期仅依靠数模，利用有限元方法，就可以进行汽车的安全性能分析，而不必等到样车出来再进行试验，从而大幅缩短了汽车开发周期。

目前有限元法在车辆正碰开发中的主要使用流程为：，首先建立标杆车的有限元碰撞模型，将该模型与标杆车的实验匹配好然后设计车的模型，仅需要在该匹配好的标杆车的模型上进行相应更改（比如机舱盖造型改变，纵梁材料改变等等），而后用更改后的模型进行虚拟碰撞仿真，就可以评判设计车的安全性能，而不必等到样车出来后才通过试验来评定设计车的安全性能。这样一方面节省时间，缩短开发周期，另一方面节约了一些不必要的试制样车，降低了成本。为了提供准确的仿真结果，明确的给予设计以指导，首先必须要有一个匹配的非常准确的标杆车的有限元模型。目前车辆有限元碰撞仿真的最主要一个环节就是匹配模型，只有匹配好了，用有限元仿真车辆碰撞才有意义，才能真正的指导设计，而匹配车辆碰撞模型的重心是要匹配好车辆的正碰模型，然后再是其它比如偏置碰撞和侧面碰撞模型。

目前匹配车辆正碰有限元模型的方法主要是：首先由CAD数模，画网格，然后是赋材料，建好模型之后进行碰撞仿真，将仿真结果与试验进行对比（主要是对比车体加速度），如果仿真与试验一致，则该模型匹配完成，可以进行下一步的设计了；如果仿真与试验不同，则需要更改模型里面的相关参数，而后再次进行仿真，将仿真结果再次与试验对比，看是否与试验一致，如果一致则输出模型，否则继续更改模型相关参数然后再次仿真，如此不断循环直到仿真与试验一致为止。然而影响车辆正碰的主要因素一般会有纵梁材料的种类，纵梁的厚度，发动机螺栓的性能（碰撞中是否断裂，断裂时间），副车架的安装螺栓的性能（碰撞中一般会断，它的断裂时间），材料种类，厚度一般有2-4个变化范围，如用普通高强钢，双相钢，或TRIP钢材，而螺栓断裂时间的变化范围会很广，可能断，也可能不断，时间可能从0毫米直到碰撞后期，如果将这些参数的每种变化都进行一次仿真，再考率这些参数之间的组合关系，将会是非常大的数据，（仅螺栓的断裂时间从0到120毫秒，如果精确到毫秒就要120种可能），车辆碰撞仿真对计算机硬件的需求较高，仿真运算时间长，一般100万个单元的正碰模型，用4CPU，4G内存的计算机，仿真一次就要16小时以上。使用这种技术方案，没有重点，经常由于考虑的参数变化范围广，需要循环次数多，匹配过程持续时间太长，且得不到与试验匹配较好的模型，工程师不得不降低匹配精度要求，而进入下一设计环节，从而又导致后续的仿真设计精度都不高。 因此，现行技术方案试验周期长，且精度不高。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能够缩短车辆正碰有限元模型设计周期的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，其精度较高。

为实现上述目的，本发明的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，包括如下步骤：

步骤一、获取碰撞数据、CAD数模及相关参数：对标杆车进行正面碰撞，获取标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线及正碰试验数据、车辆CAD数模，同时获取标杆车的各种参数；

步骤二、创建正向有限元模型：对撞壁的车辆模型各部件进行网格划分，并对各部件赋予部件相应材料特性，创建车辆有限元模型；

步骤三、初步仿真运算：将生成的车辆有限元模型提交到运算器中，进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；

步骤四、创建逆向有限元模型：使壁障撞向步骤二中的车辆有限元模型，方向为与试验中车辆运动方向相反，将标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线赋予壁障，使壁障的位移与时间关系按该曲线进行；

步骤五、仿真运算：将生成的逆向有限元模型提交到运算器中进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；

步骤六、数据比对分析：将步骤三与步骤五输出的相同含义的数据进行对比分析，确定需调整部件的取值范围；

步骤七、根据步骤六对比结果，对步骤二中正向有限元模型的需调整部件进行重新参数赋值；

步骤八、仿真运算：将步骤七所得正向有限元模型提交到运算器中，进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；

步骤九、将步骤八所得数据与标杆车正面碰撞试验数据举行比对，当二者结果不一致时，返回步骤七；当二者结果一致时，输出该有限元模型。

上述步骤四包括：

a、将车辆正向有限元模型进行固定；

b、对壁障添加强制位移。

具体来讲，上述步骤a中包括：

a1、将步骤二中创建的正向有限元模型初速度设置为零；

a2、在a1中车辆的正向有限元模型B柱及其所在的车辆横截面内的部件添加固定约束，约束6自由度。

具体来讲，上述步骤b中包括：

b1、建立横坐标为时间、纵坐标为位移的与标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线相同的曲线；

b2、使壁障以步骤b1中定义的曲线进行强制位移，并设置壁障沿车辆正面运动，即与车辆正对方向运动。

此外，步骤六中对部件的受力情况进行比对。

进一步讲，上述的部件包括纵梁、副车架与车身连接处螺栓。

此外，步骤六中对壁障的受力与吸能进行比对。

采用上述技术方案，由于在原有方案的基础上，增加了创建逆向有限元模型过程，并将正向和逆向的仿真过程中的相关参数进行比对，进而能够快速确定模型中决定匹配准确度的关键区域，然后再回到常规建模方法上，利用从逆向与正向相关参数对比中获得的关键区域的参数取值，调整正向模型，使得正向模型可以快速匹配好，其有效地减少了车辆正碰有限元模型设计周期，且设计精度较高。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作更进一步详细说明：

图1为本发明的方法步骤流程图；

图2为标杆车在碰撞过程中的位移（溃缩距离）与时间曲线；

图3为正向与逆向模型仿真运算中纵梁受力曲线图；

图4为正向与逆向模型仿真运算中副车架管梁受力对比曲线图；

图5为正向与逆向模型仿真运算中副车架后安装点螺栓受力对比曲线图；

图6为正向与逆向模型仿真运算中壁障受力对比曲线图；

图7为正向与逆向模型仿真运算中壁障吸能对比曲线图。

具体实施方式

按图1所示，以某车型56公里正碰模型建立以及匹配为例，本发明的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，包括如下步骤：

步骤一、获取碰撞数据、CAD数模及相关参数：对标杆车进行正面碰撞，获取标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线及正碰试验数据、车辆CAD数模，同时获取标杆车的各种参数；

按GB 11551-2003或者FMVSS 208等标准对标杆车进行正面碰撞，以获取标杆车的正碰试验数据，主要是驾驶员侧车体加速度曲线，该曲线通过试验时固定在B柱下端、或者后排座椅横梁附近的加速度计采集获得。按SAE J211标准规定的滤波方法，以CFC60 对所获得车体加速度曲线进行滤波处理得到滤波后车体加速度曲线，根据微积分与运动学基本原理：“速度=加速度求积分，位移=速度求积分”，对所得到曲线结合初速度从零时刻开始进行二次积分得到标杆车在碰撞过程中的位移（溃缩距离）与时间曲线 （如图2所示）。

同时获取：车辆的三维CAD数模，该车满载、半载、空载、时的地面数模，该车的质量明细表，包括各个部件的重量；测试该车的重量参数，包括，满载、半载、空载质量及与之对应的前后轴质量分配，测试前后悬架上的弹簧刚度，减震器阻尼系数，各个轮胎的气压。

步骤二、创建正向有限元模型：对撞壁的车辆模型各部件进行网格划分，并对各部件赋予部件属性值，创建车辆有限元模型；

按碰撞模型网格划分要求（最小尺寸大于5mm、钣金件中面划分网格、单元的翘曲小于12^o，雅克比系数大于0.6 等），对部件（主要是白车身和底盘零部件）进行网格划分。此时不考虑内外饰等塑料部件，也不考虑车内的座椅等部件，这些部件在整车碰撞仿真中影响因素小，后期将他们的重量加到车辆模型上即可。

获取材料特性，主要是各种板材的真实应力应变曲线。给所画好的网格添加属性，包括厚度、材料、单元公式等。

按实际结构连接模型中的各部件，其具体包括：焊点以SpotWeld单元模拟；各种运动副链接，比如轮胎绕转向节的转动，传动轴之间的万向节，转向拉杆与转向器之间的球销联接，摆臂与减震器之间的链接等使用相应的joint单元模拟；副车架前后安装螺栓，发动机悬置与车身之间的安装螺栓、用转动joint单元模拟，该螺栓外围的衬套用实体橡胶单元模拟；

添加各种边界条件：选择RIGIDWALL_PLANAR类型的刚性面作为地面，该地面与轮胎最下点距离2mm以内；壁障用RIGIDWALL_GEOMETRIC类型的刚性墙壁，该壁障置于车辆前部2mm以内；接触在模型中叫做CONTACT，作用是在仿真过程中单元相撞之后使其跟实际一样产生相互作用力，此处需要建立整车自接触，以及车辆与壁障之间的接触；垂直向下加速度，模拟现实中车辆所受的重力加速度；初速度，给整车赋予与试验中车辆碰撞时相同的运行速度。

输出控制设置：一般碰撞仿真要设置输出动画（d3plot文件），系统能量文件（glstat文件），单个部件在碰撞中的能量变化（matsum文件）等常用输出数据，还要设置以下输出：车体加速度曲线：在B柱下端，建一个边长25mm的立方体给其赋予刚性材料特性（mat_rigid），用该立方体模拟试验中加速度计的固定座，在其任意顶点上建立加速度计单元ELEMENT_SEATBELT_ACCELEROMETER,该加速度计的坐标系与整车坐标系相同，（z 垂直向上，y指向驾驶员右侧，x 指向车辆后），在DATABASE_NODEOUT 中设置DT为1.E-4 （每0.1毫秒记录一次该点的加速度）；传力通道上的截面力，输出界面力的主要目的是对比该部件在碰撞中受力特性，进而为设计更改提供参考依据，用DATABASE_CROSS_SECTION定义，主要定义以下部件：主纵梁截面、上前纵梁截面、扭矩盒截面、副车架管梁截面；使运算器输出螺栓碰撞中的受力情况,将DATABASE_JNTFORC DT设置为 1.E-4(每0.1毫秒记录一次该螺栓受力情况)；输出壁障在碰撞仿真过程中的受力情况，将DATABASE_RWFORC设置为1.E-4(每0.1毫秒记录一次壁障受力情况)。

调整模型重量：将画网格时未画的内外饰，以及座椅的质量，以质量点的形式均布在车上与其相连的部件网格上。

整体模型仿真控制设置：仿真总时长（正碰一般选择120毫秒），整体沙漏能控制，整体壳单元特性控制，等常规整体模型仿真控制。

模型检查与调整：网格穿透检查：在画网格的过程中会根据需要对部件的几何进行一些简化处理，在处理之后有可能造成两个部件之间的干涉，在此处要将各种干涉调整开；质量检查：确保有限元模型的总质量与试验时状态相同，包括总质量，质心位置；初始以及边界条件检查：检查车辆初速度，车辆与墙壁之间接触的定义，刚性墙的正方向；检查部件之间的焊接：看是否有漏焊的部件。

输出模型：模型检查调整完毕后，可以输出模型，用于运算。

步骤三、初步仿真运算：将生成的车辆有限元模型提交到运算器中，进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；

将步骤二中生成的车辆碰撞有限元模型，提交到运算器当中，进行运算（即碰撞仿真）。该运算过程，主要是运算器根据各种有限元基础理论将模型转换为相应的数学模型而后进行运算，该过程所需时间与计算机硬件相关，也与模型的大小（单元数，节点数）有关，一般4cpu、4G内存的机器算一个100万单元的车辆正碰模型要15-24小时。运算结束后会持续输出前期所定义的各种输出数据,包括：d3plot（动画）,secforc（截面力）,glstat（系统能量统计）,nodout（加速度计相关输出）,jntforc（铰接单元受力，包括模拟螺栓的受力）,rwforc（壁障受力）等。

上述步骤一至步骤三中的叙述均属于现有技术的描述。

步骤四、创建逆向有限元模型：使壁障以撞向步骤二中的车辆有限元模型方式，将标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线赋予壁障；

a、将车辆正向有限元模型进行固定；

a1、将步骤二中创建的正向有限元模型初速度设置为零；

a2、在a1中车辆的正向有限元模型B柱及其所在的车辆横截面内的部件添加固定约束，约束车体6个自由度。

b、对壁障添加强制位移。

b1、建立横坐标为时间、纵坐标为位移的与标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线（图2）相同的曲线；

b2、将步骤b1中定义的曲线赋予壁障，并设置壁障沿车辆正面运动。即给原来的正面壁障添加移动选项， _MOTION，b1所定义曲线赋予该运动，并且设置其运动方向为 （1，0，0）即沿车辆正面运动。

输出该模型。

步骤五、仿真运算：将生成的逆向有限元模型提交到运算器中进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；此方法与步骤三相同。

步骤六、数据比对分析：将步骤三与步骤五输出的相同含义的数据进行对比分析，确定需调整部件的取值范围；

在数据对比分析中，要查看正向和逆向仿真过程中能量变化是否合理，即总能量是否保持恒定，总的动能和内能有无突变，沙漏能是否小于总能量的10%；从动画中看是否还是存在漏焊的部件，碰撞是否合理（比如部件没有撞击壁障，而是穿透壁障），以及部件的变形情况。此外，对部件的受力情况进行比对，主要目的是，找出两个模型中相同变量（如纵梁受力、副车架后安装点螺栓受力）的差值。有以下几方面的受力分析：

纵梁受力对比分析，对比正向与逆向模型中纵梁受力（图3），正向模型的纵梁受力大小与逆向相同，但是提前了一段时间，说明正向模型纵梁之前的零件（防撞梁与系能盒软，需要加强）；

副车架管梁受力分析（图4），从对比中可发现正向模型的管梁受力比逆向大了，需要降低它的受力，可以通过减弱其材料让其与逆向时峰值相同；

副车架后安装点螺栓受力对比分析（图5），通过对比发现正向模型螺栓受力明显超出逆向，螺栓，要使其在力达到逆向的峰值力时断裂；

壁障受力与吸能对比分析（图6，图7），通过壁障受力分析，可以发现正向模型的壁障受力明显大于逆向模型，而且正向模型壁障的吸能多过逆向模型，尤其是在35毫秒处，此处需要在车身上设置相关失效才能使壁障受力下降。

步骤七、根据步骤六对比结果，对步骤二中正向有限元模型的需调整部件进行重新参数赋值；

具体包括：

根据纵梁受力对比分析结果，加强防撞梁强度，材料更换为屈服强度更高的材料；

根据副车架管梁受力分析，可将副车架管梁的材料降低；

根据壁障受力与吸能对比分析，可知在35毫秒左右可以让副车架安装螺栓螺栓断裂；

根据壁障受力与吸能对比分析，由于需要在35毫秒断裂，正好与上述叙述对应，可知该螺栓是在35毫秒断裂。

步骤八、仿真运算：将步骤七所得正向有限元模型提交到运算器中，进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；此方法与步骤三相同，在此不再赘述。

步骤九、将步骤八所得数据与标杆车正面碰撞试验数据举行比对，当二者结果不一致时，返回步骤七；当二者结果一致时，输出该有限元模型。

上述对本发明实施例的叙述，是对本发明方法的一种设计思想，其不限于上述实施方式中的具体描述，只要是在创建车辆正碰有限元过程中增设创建逆向有限元模型，并对正向和逆向两种仿真运算结果进行比对以调整正碰有限元模型的相关参数，进而达到缩短创建模型所需周期、提高精度为目的之思想（或方法、流程等），均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，包括如下步骤：

步骤一、获取碰撞数据、CAD数模及相关参数：对标杆车进行正面碰撞，获取标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线及正碰试验数据、车辆CAD数模，同时获取标杆车的各种参数；

步骤二、创建正向有限元模型：对撞壁的车辆模型各部件进行网格划分，并对各部件赋予部件属性值，创建车辆有限元模型；

步骤三、初步仿真运算：将生成的车辆有限元模型提交到运算器中，进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；

其特征在于：

步骤四、创建逆向有限元模型：使壁障撞向步骤二中的车辆有限元模型，方向为与试验中车辆运动方向相反，将标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线赋予壁障，使壁障的位移与时间关系按该曲线进行； 

步骤五、仿真运算：将生成的逆向有限元模型提交到运算器中进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；

步骤六、数据比对分析：将步骤三与步骤五输出的相同含义的数据进行对比分析，确定需调整部件的参数取值范围；

步骤七、根据步骤六对比结果，对步骤二中正向有限元模型的需调整部件重新进行参数赋值；

步骤八、仿真运算：将步骤七所得正向有限元模型提交到运算器中，进行碰撞仿真，并将碰撞仿真过程数据输出；

步骤九、将步骤八所得数据与标杆车正面碰撞试验数据举行比对，当二者结果不一致时，返回步骤七；当二者结果一致时，输出该有限元模型。

2.根据权利要求1所述的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，其特征在于步骤四包括：

a、将车辆正向有限元模型进行固定；

b、对壁障添加强制位移。

3.根据权利要求2所述的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，其特征在于步骤a中包括：

a1、将步骤二中创建的正向有限元模型初速度设置为零；

a2、在a1中车辆的正向有限元模型B柱及其所在的车辆横截面内的部件添加固定约束，约束6自由度。

4.根据权利要求2所述的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，其特征在于步骤b中包括：

b1、建立横坐标为时间、纵坐标为位移的与标杆车在碰撞过程中的溃缩距离与时间曲线相同的曲线；

b2、将步骤b1中定义的曲线赋予壁障，并设置壁障沿车辆正面运动。

5.根据权利要求1所述的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，其特征在于：步骤六中对部件的受力情况进行比对。

6.根据权利要求5所述的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，其特征在于：所述的部件包括纵梁、副车架螺栓。

7.根据权利要求5所述的快速匹配车辆正碰有限元模型的方法，其特征在于：步骤六中对壁障的受力与吸能进行比对。

Images