CN107169164B - 考虑碰撞工况的适用于汽车早期设计的简化模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑碰撞工况的适用于汽车早期设计的简化模型建模方法，其包括：对建模目标车辆进行整体结构分解；基于ADAMS软件提供的建模方法确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法；在确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法后，进行简化建模参数设定以完成各结构的简化模型构建过程；将构建好的各简化模型各整合为整车模型；对整合后的整车模型进行碰撞仿真测试并引入调整系数K对碰撞仿真结果进行调整。本发明考虑了在汽车早期设计时的碰撞仿真优化设计，使所建模型的仿真结果更加准确合理且方法简洁，效率高，仿真时间短，适用于汽车结构设计初期的耐撞性优化设计。

Description

考虑碰撞工况的适用于汽车早期设计的简化模型建模方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计领域，其涉及一种仿真建模方法，具体的说是涉及一种考虑碰撞工况的适用于汽车早期设计的简化模型建模方法。

背景技术

在汽车安全性评价中，车身结构耐撞性是一个关键指标。由于车身结构复杂，而且要同时满足多学科(刚度、强度、NVH、空气动力学、碰撞安全、轻量化等)性能要求，导致其设计难度大。

由于在车身开发过程中要进行大量的设计方案仿真评估，并受到计算资源和开发周期的限制，因此目前针对车身结构的多目标优化设计主要围绕结构刚度、固有模态等对计算资源要求相对较低的工况进行；至于碰撞工况更多是在上述多目标优化工作基本完成后作为性能验证工况而加以考虑，因而无法保证在早期设计阶段即满足碰撞安全目标。

鉴于碰撞工况在车身设计后期才考虑，从而导致车身耐撞性设计只能针对局部结构进行修改和调整，具有设计自由度小，成本高的缺陷；因此可以说开发针对汽车结构的高精度、高效率、高稳健性的碰撞仿真简化模型建模方法，使得车身全性能优化开发的目标得以实现，对缩短产品设计开发周期，降低开发成本具有重要意义。

发明内容

鉴于现有汽车仿真模型(如有限元模型)过于复杂，而无法适用于将结构耐撞性纳入汽车早期多目标优化设计中这一技术难题，本发明的目的是要提供一种考虑碰撞仿真的且适用于汽车结构早期优化设计的简化模型建模方法，该方法基于ADAMS仿真软件建立了一种整车简化模型的建模方法，其适用于考虑结构耐撞性的汽车早期多目标优化设计，具有模型结构简单，精度高，易于参数化，模型建模效率高等优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种考虑碰撞工况的适用于汽车早期设计的简化模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对建模目标车辆进行整体结构分解，即根据建模目标车辆的基本结构和在碰撞工况中的车辆各部分在碰撞中的响应，将其至少简化为梁结构，板结构，块结构，弹簧结构以及轮胎结构；

步骤2、基于ADAMS软件提供的建模方法确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法，即对梁结构采用离散梁建模方法，对板结构采用FE Part建模方法，对块结构采用刚体建模方法，对弹簧结构利用弹簧建模方法，对轮胎结构采用轮胎力建模方法；

步骤3、在确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法后，进行简化建模参数设定以完成各结构的简化模型构建过程，所述简化建模参数设定包括离散梁结构参数设定，FE part参数设定，刚体参数设定，弹性力参数设定以及轮胎力参数设定；

步骤4、将构建好的各简化模型各整合为整车模型，上述整合过程至少包括确定各结构之间的连接关系；

步骤5、对整合后的整车模型进行碰撞仿真测试并引入调整系数K对碰撞仿真结果进行调整。

进一步的，所述简化建模参数设定包括：

(a)离散梁结构参数设定：所述离散梁结构参数设定过程包括使得离散梁结构统一采用等截面直梁方法进行建模并赋予每一离散梁结构对应的钢制材料属性，同时在建模过程中，选用空心圆形截面和空心矩形截面进行离散梁结构建模，其中若梁结构为驾驶室底板梁，则采用空心矩形截面进行离散梁结构建模，并在建模时直接赋予该离散梁结构对应参数，以确定出相应的截面尺寸及厚度；其它部位的梁结构则均采用空心圆形截面进行离散梁结构建模并在建模时首先根据实车对应位置的梁截面围成的面积S确定空心圆形截面离散梁的半径r，对应的公式为

其次采用实车对应位置梁的单位长度质量m₀确定空心圆形截面离散梁的厚度h，其中ρ₀为钢铁密度取7850kg/m³，则对应的公式为

(b)FE part建模参数设定

所述FE part建模参数设定过程包括：统一赋予FE part部分钢制材料属性，相应的板厚则根据对应的实车参数设置，具体的其采用通过调整材料弹性模量的方法实现，在实现过程中引入调整系数α，一般取α∈(0,1)；

E^*＝αE (3)

其中E为建模对象实车板材料的弹性模量，E^*为FE part方法建模时赋予模型的材料的弹性模量；

(c)刚体建模方法参数设定

所述刚体建模方法参数设定过程包括：建模中建立两个立方块刚体代替某一块结构，设定两个立方块刚体分别为Part1和Part2，对应质量分别为m₁和m₂，已建立车身的模型即含离散梁和FE part的模型的质量为m，建模对象整车的质量为M，空载前后轴荷分配分别为p％和q％，p％、q％分别为建模对象车辆的空载前后轴荷，具体值由实车参数数据获得，则按照下述公式确定两个立方块刚体的质量：

m₁＝M×(p％)-0.5m (4)

m₂＝M×(q％)-0.5m (5)；

(d)弹簧结构参数设定

所述弹簧结构参数设定过程包括：利用弹簧结构对汽车前端吸能盒简化建模，使得弹簧轴线方向与吸能盒轴线方向一致，并通过下述公式(6)确定弹簧长度L_s，L_s＝1.2L(6)，其中L为吸能盒长度；通过下述公式(7)确定弹簧力-变形特性曲线即弹簧恢复力F_s与弹簧变形量x之间的曲线，F_s＝AIn(λx+1)(7)，其中A为力的幅值调整系数，用于调整弹簧的非线性特性，一般取λ∈(2,10)；并根据一般车型正面碰撞过程中碰撞峰值力F_max确定A：

根据工程经验，取阻尼系数C_s∈(1,10)单位N·s/mm。

(e)轮胎参数设定

选定ADAMS软件提供的UA轮胎模型，根据实车的轮胎参数修改所选定的UA轮胎模型对应的相关参数，具体包括胎宽、直径和扁平比。

进一步的，所述步骤4中各结构之间的连接关系包括：各离散梁结构连接处通过刚体耦合方法连接以拼接成整车的基本框架；板结构与离散梁结构之间通过固定铰约束连接；根据实车轴距确定轮胎布置位置，轮胎结构与相邻离散梁结构之间通过旋转铰连接；将Part1和Part2分别固定在所拼接的基本框架对应的汽车前后轴位置以保证刚体块质心分别位于前后轴中心位置。

进一步的，所述步骤5包括：

步骤51、选用C-NCAP测试中的正面碰撞工况进行碰撞仿真测试，以获得相应的模型仿真实验加速度输出结果判断出整个碰撞过程持续时间为T_mb，所述模型仿真实验加速度输出结果即为输出模型B柱加速度曲线，其对应的数据点为(t，a)；

步骤52、参考C-NCAP测试中实车碰撞测试结果，得到实车碰撞过程持续时间为T_ep；

步骤53、依据下述公式调整系数K：

步骤54、根据调整系数K，修改步骤51中的简化模型仿真实验加速度输出结果，以获得新的数据点为(tK，a/K)，并以该数据点作为最终仿真结果进行下一步的用于模型优化设计和评估。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明适用于汽车早期设计中结构耐撞性设计优化，其具有建模时间短，求解效率高，便于参数化屠户通用性好，适用于多种车型，仿真精度较高，稳健性好等优点。

附图说明

图1为本发明所述方法对应的步骤流程图；

图2为本发明所述方法对应的加速度曲线例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有汽车仿真模型(如有限元模型)过于复杂，而无法适用于将结构耐撞性纳入汽车早期多目标优化设计中这一技术难题，本发明开发出了一种考虑碰撞仿真的且适用于汽车结构早期优化设计的简化模型建模方法，其主要是基于ADAMS仿真软件建立了一种车辆简化模型的建模方法，该简化建模方法考虑到汽车碰撞工况仿真与优化设计在汽车早期多目标优化设计时的适用性，并提高了模型建模效率，其通过对汽车各部件进行等效简化建模方法，包括简化建模时参数设置(特别是含公式部分的参数设置)并在结果处理中引入调整参数K及K的获取方法，使得本发明适用于考虑结构耐撞性的汽车早期多目标优化设计，且所建立的模型结构简单，具有通用性，求解效率高，可参数化，创建的汽车简化模型可以纳入汽车早期多目标优化设计。

下面以Dodge Neon车型为建模对象，基于ADAMS软件，应用本方法建立适用于碰撞仿真的简化模型，如图1，主要包括对建模目标车辆的整体结构分解，部件简化方法确定，简化建模参数识别，模型整合，数据结果变换等步骤。

步骤1、对建模目标车辆进行整体结构分解，即根据建模目标车辆的基本结构和在碰撞工况中的车辆各部分在碰撞中的响应，将其简化为五大块结构，分别为梁结构，板结构，块结构，弹簧结构以及轮胎结构；其中梁结构主要对应整车框架部分，包括前纵梁、边纵梁、a柱、b柱、c柱和顶部支撑梁等，板结构包括发动机罩盖、前后翼子板、门板、顶盖和发动机罩盖等，块结构主要包括发动机、变速器和差速器等，弹簧结构主要包括吸能盒，轮胎结构对应车辆轮胎；而其它结构省略处理，本简化建模过程中不考虑。

步骤2、基于ADAMS软件提供的建模方法确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法，根据整车结构分解结果将各类结构采用不同方法简化建模即对梁结构采用离散梁建模方法，对板结构采用FE Part建模方法，对块结构采用刚体建模方法，对弹簧结构利用弹簧建模方法，对轮胎结构采用轮胎力建模方法。

步骤3、在确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法后，进行简化建模参数设定以完成在ADAMS中各结构的简化模型构建过程，所述简化建模参数设定包括离散梁结构参数设定，FE part参数设定，刚体参数设定，弹性力参数设定以及轮胎力参数设定；具体的过程如下：

(a)离散梁结构参数设定

由于实车中梁结构多为曲梁和不规则截面，为简化建模需要，统一采用等截面直梁方法建模，同时赋予离散梁钢制材料属性，所述属性包括密度泊松比和弹性模量；此外，离散梁建模过程中还需要确定离散梁的截面，因此在该方法的建模过程中，选用空心圆形和空心矩形截面进行离散梁建模，其中矩形截面离散梁用于建立驾驶室底板梁，其它部位的梁结构均采用圆形截面；由于实车驾驶室的底板梁原本为矩形截面，则直接赋予离散梁对应参数，以确定矩形截面离散梁的截面尺寸及厚度，例如根据建模车辆，其底板梁截面宽60mm，高80mm；而对于其它部位的离散梁，由于其截面一般不是规则形状，则采用空心圆形截面离散梁建模，如以建模车型b柱为例，其截面围成面积S＝0.005m²,确定空心圆形截面离散梁的半径r:

建模车型b柱1m单位长度质量m₀＝1.85kg，确定空心圆形截面梁的厚度h，其中ρ₀为钢铁密度取7850kg/m³:

其它离散梁结构截面及厚度确定方法与b柱相同。

(b)FE part建模参数设定

使用FE part方法建立车辆板结构时，需要确定板厚、材料和相关属性等，因而本方法在基于ADAMS软件建模过程中，统一赋予FE part部分钢制材料属性，板厚根据对应的实车参数设置。但是由于FE part模型只能模拟弹性变形，不能模拟塑性应变，故采用通过调整材料弹性模量E^*的方法，提高模型的精度并引入调整系数α，一般取α∈(0,1)，取α＝0.8,以前门板为例，其材料为薄钢板，弹性模量为E＝200GPa；

E^*＝αE＝0.8×200＝160GPa (3)

其中E为建模对象实车板材料的弹性模量，E^*为FE part方法建模时赋予模型的材料的弹性模量，其它板结构建模方法与其一致。

(c)刚体建模方法参数设定

由于刚体建模方法主要用于发动机、变速器等部分建模，因此本方法建模中，建立两个立方块刚体代替以上部分，设定两个立方块分别为Part1和Part2，对应质量分别为m₁和m₂，已建立车身部分(含离散梁和FE part)质量为m＝500kg，建模对象整车的质量为M＝1400kg，建模车辆空载前后轴荷分配分别为p％＝54％和q％＝46％，确定两个立方块的质量：

m₁＝M×(p％)-0.5m＝1400×54％-0.5×500＝506kg (4)

m₂＝M×(q％)-0.5m＝1400×46％-0.5×500＝394kg (5)

(d)弹簧结构参数设定

利用弹簧结构对汽车前端吸能盒简化建模，使得弹簧轴线方向与吸能盒轴线方向一致，同时还需要确定弹簧长度L_s，弹簧力—变形特性曲线和阻尼系数C_s，根据吸能盒长度为L＝180mm有：

L_s＝1.2L＝216mm (6)

弹簧的力-变形特性曲线根据以下公式确定，F为弹簧恢复力，x为弹簧变形量

F_s＝AIn(λx+1) (7)

其中A为力的幅值调整系数，为调整弹簧的非线性特性，一般取λ∈(2,10)取λ＝4

根据一般车型正面碰撞过程中碰撞峰值力F_max＝60000N确定A：

即弹簧特性曲线式(7)可以写作：

F_s＝96351In(4x+1)

根据工程经验，一般取阻尼系数C_s∈(1,10)单位N·s/mm，取C_s＝5N·s/mm。

(e)轮胎参数设定

利用ADAMS软件提供的UA轮胎模型，根据实车的轮胎参数修改UA轮胎模型相关参数，包括胎宽、直径和扁平比，使其与实车保持一致。

步骤4、将构建好的各简化模型各整合为整车模型，上述整合过程至少包括确定各结构之间的连接关系；具体的在完成各部分简化建模及参数确定后，需要将各部件组合成为整车模型，包括：(a)各段离散梁连接处通过刚体耦合方法连接，拼接成整车的基本框架；(b)FE part建立的板结构与离散梁之间通过固定铰约束连接到一起；(c)根据实车轴距确定轮胎布置位置，轮胎与相邻离散梁之间通过旋转铰连接，保证车轮可以转动；(d)将Part1和Part2分别固定在汽车前后轴位置，保证刚体块质心分别位于前后轴中心位置。

步骤5、对整合后的整车模型进行碰撞仿真测试，对数据结果引入调整系数K以便于对碰撞仿真结果进行调整，从而完成整车简化模型建模。

具体方法如下所示：整合好的简化模型相对实车已经做了很大简化，但是仿真精度较低，为提高简化模型精度，进一步引入调整系数K，对简化模型碰撞仿真结果调整：

(a)选用C-NCAP测试中的正面碰撞工况对简化模型仿真测试，输出模型B柱加速度曲线,数据点为(t，a_mb)。加速度曲线如图2所示，由曲线可以得到车辆开始发生撞击到与刚性墙分离时间，即整个碰撞过程持续时间为T_mb＝45ms

(b)参考C-NCAP测试中实车碰撞测试结果，得到Dodge Neon实车碰撞过程持续时间为T_ep＝80ms

(c)调整系数K表示为：

(d)根据调整系数K，修改简化模型仿真实验加速度输出结果，新的数据点为(tK，a_mb/K),即(1.78t,a_mb/1.78),以新的数据点结果作为最终仿真结果用于模型优化设计和评估。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑碰撞工况的适用于汽车早期设计的简化模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对建模目标车辆进行整体结构分解，即根据建模目标车辆的基本结构和在碰撞工况中的车辆各部分在碰撞中的响应，将其至少简化为梁结构，板结构，块结构，弹簧结构以及轮胎结构；

步骤2、基于ADAMS软件提供的建模方法确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法，即对梁结构采用离散梁建模方法，对板结构采用FE Part建模方法，对块结构采用刚体建模方法，对弹簧结构利用弹簧建模方法，对轮胎结构采用轮胎力建模方法；

步骤3、在确定所分解的每一结构所对应的简化建模方法后，进行简化建模参数设定以完成各结构的简化模型构建过程，所述简化建模参数设定包括离散梁结构参数设定，FEpart参数设定，刚体参数设定，弹性力参数设定以及轮胎力参数设定；所述简化建模参数设定包括：

(a)离散梁结构参数设定：所述离散梁结构参数设定过程包括使得离散梁结构统一采用等截面直梁方法进行建模并赋予每一离散梁结构对应的钢制材料属性，同时在建模过程中，选用空心圆形截面和空心矩形截面进行离散梁结构建模，其中若梁结构为驾驶室底板梁，则采用空心矩形截面进行离散梁结构建模，并在建模时直接赋予该离散梁结构对应参数，以确定出相应的截面尺寸及厚度；车辆其它部位的梁结构则均采用空心圆形截面进行离散梁结构建模并在建模时首先根据实车对应位置的梁截面围成的面积S确定空心圆形截面离散梁的半径r，对应的公式为

其次采用实车对应位置梁的单位长度质量m₀确定空心圆形截面离散梁的厚度h，其中ρ₀为钢铁密度取7850kg/m³，则对应的公式为

(b)FE part建模参数设定

所述FE part建模参数设定过程包括：统一赋予FE part模型的钢制材料属性，相应的板厚则根据对应的实车参数设置，具体的其采用通过调整材料弹性模量的方法实现，在实现过程中引入调整系数α，一般取α∈(0,1)；

E^*＝αE (3)

其中E为建模对象实车板材料的弹性模量，E^*为FE part方法建模时赋予模型的材料的弹性模量；

(c)刚体建模方法参数设定

所述刚体建模方法参数设定过程包括：建模中建立两个立方块刚体代替某一块结构，设定两个立方块刚体分别为Part1和Part2，对应质量分别为m₁和m₂，已建立车身的模型即含离散梁和FE part的模型的质量为m，建模对象整车的质量为M，空载前后轴荷分配分别为p％和q％，p％、q％分别为建模对象车辆的空载前后轴荷，具体值由实车参数数据获得，则按照下述公式确定两个立方块刚体的质量：

m₁＝M×(p％)-0.5m (4)

m₂＝M×(q％)-0.5m (5)；

(d)弹簧结构参数设定

所述弹簧结构参数设定过程包括：利用弹簧结构对汽车前端吸能盒简化建模，使得弹簧轴线方向与吸能盒轴线方向一致，并通过下述公式(6)确定弹簧长度L_s，L_s＝1.2L(6)，其中L为吸能盒长度；通过下述公式(7)确定弹簧力-变形特性曲线即弹簧恢复力F_s与弹簧变形量x之间的曲线，F_s＝AIn(λx+1)(7)，其中A为弹簧恢复力的幅值调整系数，取λ∈(2,10)；并根据一般车型正面碰撞过程中碰撞峰值力F_max确定A：

根据工程经验，取阻尼系数C_s∈(1,10)单位N·s/mm；

(e)轮胎参数设定

选定ADAMS软件提供的UA轮胎模型，根据实车的轮胎参数修改所选定的UA轮胎模型对应的相关参数，具体包括胎宽、直径和扁平比；

步骤4、将构建好的各简化模型各整合为整车模型，上述整合过程至少包括确定各结构之间的连接关系；各结构之间的连接关系包括：各离散梁结构连接处通过刚体耦合方法连接以拼接成整车的基本框架；板结构与离散梁结构之间通过固定铰约束连接；根据实车轴距确定轮胎布置位置，轮胎结构与相邻离散梁结构之间通过旋转铰连接；将Part1和Part2分别固定在所拼接的基本框架对应的汽车前后轴位置以保证刚体块质心分别位于前后轴中心位置；

步骤5、对整合后的整车模型进行碰撞仿真测试并引入调整系数K对碰撞仿真结果进行调整；

步骤51、选用C-NCAP测试中的正面碰撞工况进行碰撞仿真测试，以获得相应的模型仿真实验加速度输出结果以判断出整个碰撞过程持续时间为T_mb，所述模型仿真实验加速度输出结果即为输出模型B柱加速度曲线，其对应的数据点为(t，a)；

步骤52、参考C-NCAP测试中实车碰撞测试结果，得到实车碰撞过程持续时间为T_ep；

步骤53、依据下述公式调整系数K：

步骤54、根据调整系数K，修改步骤51中的简化模型仿真实验加速度输出结果，以获得新的数据点为(tK，a/K)，并以该数据点作为最终仿真结果进行下一步的用于模型优化设计和评估。