CN108595898B - 基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法和系统，在汽车碰撞仿真中预测热成型冲压件是否由于点焊热影响而存在撕裂的风险，通过模拟仿真就能规避该风险，提高了汽车碰撞仿真的精度，快速有效，同时也便于相关技术人员掌握。其技术方案为：基于汽车碰撞仿真预测热冲压成型件沿点焊热影响区撕裂的有限元建模方法和系统在点焊区域建立“回字型”结构来模拟热影响区，通过有限元模拟来预测热冲压成型件在点焊热影响区撕裂的风险，通过仿真模拟大大节省了汽车开发周期和开发费用。

Description

基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法和系统

技术领域

本发明涉及一种汽车计算机辅助设计技术领域的方法，特别是一种基于汽车碰撞仿真预测热冲压成型件沿点焊热影响区撕裂的有限元建模方法和系统。

背景技术

随着汽车行业的不断发展，节能减排和提高汽车碰撞安全性能已经成为汽车技术发展的重要方向。通过在车身上广泛应用具有高强度的热冲压成型零件不仅可以有效地减轻车身重量，降低油耗，而且能够大大地提高汽车的碰撞安全性能。目前各个车企的上市车型中，具有高强度的热冲压成型零件广泛地应用在与汽车碰撞密切相关的重要区域，如前保险杠横梁、车身A柱、B柱、中通道以及车身地板等。由于热冲压成型零件的强度和硬度较高，当与其他板材电阻点焊时，在电阻热的作用下通过重新熔合得到由焊核区(FZ)、热影响区(HAZ)组成的点焊接头。通过对点焊接头进行金相分析可知，由于热冲压成型零件点焊周边存在热影响区，其热影响区域内的硬度和强度相对于母材有明显地降低，从而导致了在碰撞过程中热冲压成型零件由于受到较大冲击载荷而沿点焊热影区出现撕裂的现象，热冲压成型零件的撕裂使得车身结构的完整性不满足，严重撕裂时甚至会影响到乘员的损伤程度。

目前只有通过汽车碰撞试验才能验证热冲压成型零件是否因为点焊热影响区的影响而存在撕裂的风险，这种方式大大地增加企业的开发费用成本和时间成本。虽然目前已经广泛运用汽车计算机辅助工程(CAE)来进行汽车耐撞性的仿真分析，但却没有科研人员或技术人员对于汽车碰撞仿真中热冲压成型零件沿点焊热影响区撕裂的有限元模拟方法进行研究。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法和系统，确切的说是基于汽车碰撞仿真预测热冲压成型件沿点焊热影响区撕裂的有限元建模方法和系统，能够在汽车碰撞仿真中预测热成型冲压件是否由于点焊热影响而存在撕裂的风险，这样通过模拟仿真就能规避该风险，提高了汽车碰撞仿真的精度，快速有效，同时也便于相关技术人员掌握。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法，包括：

步骤1：对热冲压成型件及其连接件进行网格划分；

步骤2：对划分好的网格进行热冲压成型件及其连接件材料及厚度属性赋值；

步骤3：点焊模型建模；

步骤4：点焊热影响区建模；

步骤5：点焊热影区有限元模型材料及厚度属性赋值；

步骤6：将所建立的有限元模型导入到整车碰撞的有限元模型中，通过有限元仿真计算，最终能够在仿真中预测出热冲压成型件是否在点焊热影响区存在撕裂的风险。

根据本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法的一实施例，在步骤1中，先通过几何数据抽取中面，然后再对中面进行网格划分。

根据本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法的一实施例，在步骤2中，中面网格的厚度可根据其真实物理厚度赋值，热冲压成型件及其连接件材料通过其真实应力-应变曲线来定义。

根据本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法的一实施例，在步骤3中，点焊按照实际几何位置用一维梁单元来模拟，在仿真模拟中定义点焊的失效，使焊点的特性与实际情况相一致。

根据本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法的一实施例，在步骤4中，以点焊中心为基准，首先确定焊核的范围大小，然后根据热影响区范围大小围绕焊核做一圈单元，形成一个“回字型”结构，“回字型”结构的区域代表实际情况中热影响区的范围大小。

根据本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法的一实施例，在步骤5中，热影响区的厚度与热冲压成型件母材厚度保持一致，热影响区的材料基于母材材料的真实应力-应变曲线通过缩放因子进行缩放得到，热影响区的失效定义通过减薄失效系数来定义，使得仿真中的热影区材料性能和实际情况相一致。

根据本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法的一实施例，步骤6还包括辅助汽车结构设计人员根据仿真结果进行结构优化，并通过仿真模型验证优化方案。

本发明还揭示了一种基于汽车碰撞仿真的有限元建模系统，包括：

网格划分模块，对热冲压成型件及其连接件进行网格划分；

第一赋值模块，对划分好的网格进行热冲压成型件及其连接件材料及厚度属性赋值；

第一建模模块，点焊模型建模；

第二建模模块，点焊热影响区建模；

第二赋值模块，点焊热影区有限元模型材料及厚度属性赋值；

仿真计算模块，将所建立的有限元模型导入到整车碰撞的有限元模型中，通过有限元仿真计算，最终能够在仿真中预测出热冲压成型件是否在点焊热影响区存在撕裂的风险。

本发明还揭示了一种计算机可读存储介质，计算机程序存储于存储介质上，其特征在于，被处理器读取后运行计算机程序以执行上述的方法。

本发明还揭示了一种计算机系统，包括存储介质、处理器和计算机程序，计算机程序存储于存储介质上，其特征在于，处理器从存储介质读取计算机程序后运行该计算机程序以执行上述的方法。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的基于汽车碰撞仿真预测热冲压成型件沿点焊热影响区撕裂的有限元建模方法和系统能够在汽车碰撞仿真中既考虑点焊热影响区的范围大小，又考虑点焊热影响区的材料属性。相较于现有的方法，本发明的建模过程快速高效，在点焊区域建立“回字型”结构来模拟热影响区，通过有限元模拟来预测热冲压成型件在点焊热影响区撕裂的风险，通过仿真模拟大大节省了汽车开发周期和开发费用。规避了汽车碰撞中由于点焊热影响而存在撕裂的风险，提高了汽车碰撞仿真的精度，快速有效，同时也便于相关技术人员掌握。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了汽车侧面碰撞示例的示意图。

图2示出了本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法的实施例的流程图。

图3示出了真实应力-应变曲线示意图。

图4示出了本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模系统的实施例的原理图。

图5示出了实现本发明方法的计算机系统的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图2所示的实施例是基于图1所示的整车侧面碰撞模型，如图1所示，碰撞台车以50km/h的速度从侧面垂直撞向试验车，在热冲压成型件B柱上建立用来预测热冲压成型件B柱沿焊点热影响区撕裂风险的有限元模型，将该模型导入到整车侧面碰撞模型中，通过仿真计算，最终可以在计算结果中查看热冲压成型件B柱在焊点热影响区是否有撕裂风险，其流程示意图如图2所示，具体如下。在每个步骤的说明中，再结合一个具体的案例来说明。

步骤S1：对热冲压成型件及其连接件进行网格划分。

比如，先通过几何数据抽取中面，然后再对中面进行网格划分。

网格划分具体可采用前处理软件等现有技术实现，比如市售的ANSA或HYPERMESH。

本案例中热冲压成型零件B柱厚度为1.85mm，与其连接的B柱内板厚度为1.0mm。使用专业前处理软件ANSA的网格划分模块对热冲压成型件B柱以及B柱内板进行网格划分，先根据几何数据抽取中面，然后再对中面进行网格划分。

步骤S2：对划分好的网格进行热冲压成型件及其连接件材料及厚度属性赋值。

中面网格的厚度可根据其真实物理厚度赋值。热冲压成型件及其连接件材料通过其真实应力-应变曲线来定义。

在本案例中的热冲压成型件B柱中面网格厚度定义为1.85mm，B柱内板中面网格厚度定义为1.0mm。B柱和B柱内板的材料通过有限元求解器软件Pamcrash中的103号材料Stress-Strain Law Curves根据其真实应力-应变曲线进行赋值。

步骤S3：点焊模型建模。

点焊按照实际几何位置用一维梁单元来模拟。在仿真模拟中定义点焊的失效，使焊点的特性与实际情况相一致。

在本案例中，点焊按照其实际几何位置在有限元软件Pamcrash中通过一维单元Plink来模拟，点焊的失效是在有限元求解软件Pamcrash中通过Rupture Modell卡片来定义，其失效公式为：

AFAIN和AFAILS分别是焊点所能承受的最大拉力值和最大剪力值，可以通过焊点拉伸试验获得，本例中AFAIN和AFAILS分别是8.2kN和17.2kN。A1和A2为指数因子，根据经验分别取值1.8和1.5，Normalforce和Shearforce是焊点实际所受的拉力值和剪力值。

步骤S4：点焊热影响区建模。

以点焊中心为基准，首先确定焊核的范围大小，然后根据热影响区范围大小围绕焊核做一圈单元，形成一个“回字型”结构，“回字型”结构的区域就代表实际情况中热影响区的范围大小。

在本案例中，根据热冲压成型件上点焊的金相组织分析，可以确认点焊的焊核、热影响区的实际范围大小，根据其实际范围大小在仿真模型中定义出焊核和点焊热影响区的范围。以点焊的中心为基准，首先确定焊核的范围大小，然后围绕焊核按照热影响区的实际范围做一圈单元，在焊核周围形成一个“回字型结构”，“回字型结构”的区域就代表热影响区的范围大小，

步骤S5：点焊热影区有限元模型材料及厚度属性赋值。

对步骤S4中建好的点焊热影响区模型进行材料及厚度属性赋值。热影响区的厚度与热冲压成型件母材厚度保持一致。热影响区的材料可以基于母材材料的真实应力-应变曲线通过缩放因子进行缩放得到，热影响区的失效定义可以通过减薄失效系数来定义，使得仿真中的热影区材料性能和实际情况相一致。

在本案例中，对建立的点焊热影区模型进行材料及厚度属性的赋值。热影响区的厚度与热冲压成型件母材厚度保持一致，即热影响区“回字型”区域厚度也为1.85mm。基于母材材料特性通过缩放因子得到热影响区不同硬度下对应的真实应力-应变曲线，热影响区材料的真实应力-应变曲线可以通过如下公式得到：

σ＝k·ε

式中，k为缩放因子，缩放因子可以通过试验与仿真校核得到，本例中缩放因子K为0.75，σ为材料的真实应力值，ε为材料的真实应变值，通过不同缩放因子得到的热影响区材料的真实应力-应变曲线如图3所示。通过Pamcrash中103号材料卡片中的REL_THIN参数定义热影响区的减薄失效系数，减薄失效系数可以根据经验公式得到，

本案例中的减薄失效系数REL_THIN值为0.94，ε_pl为材料的最大塑性应变值。

步骤S6：将所建立的有限元模型导入到整车碰撞的有限元模型中，通过有限元仿真计算，最终能够在仿真中预测出热冲压成型件是否在点焊热影响区存在撕裂的风险，进而可以辅助汽车结构设计人员根据仿真结果进行结构优化，并在后续可以通过仿真模型验证优化方案。

在本案例中，将所建立的用来预测热冲压成型件B柱沿点焊热影响区撕裂的有限元模型导入到整车侧面碰撞模型中，通过商业有限元软件Pamcrash进行有限元求解计算，最终可以在计算结果中查看热冲压成型件在焊点热影响区是否有撕裂风险。本案例中热冲压成型件B柱在翻边处沿焊点区域开裂，通过金相组织分析确认开裂区域就在焊点热影响区。通过与碰撞试验结果进行对比，发现仿真计算结果和碰撞试验结果在B柱开裂的区域和开裂的程度上都十分吻合，从而验证了该有限元模型的准确性。基于该有限元模型，在仿真模型中优化了热冲压成型件B柱翻边上焊点的布置，通过有限元求解计算，发现通过优化B柱上焊点的布置，热冲压成型件B柱在翻边处没有出现撕裂现象了。通过进行相应的碰撞试验，发现试验中B柱在翻边处也没有出现撕裂，仿真结果和试验结果十分吻合，从而再次证明该有限元模型的有效性。

图4示出了本发明的基于汽车碰撞仿真的有限元建模系统的实施例的原理。请参见图4，本实施例的系统包括网格划分模块、第一赋值模块、第一建模模块、第二建模模块、第二赋值模块、仿真计算模块。

网格划分模块对热冲压成型件及其连接件进行网格划分。具体是先通过几何数据抽取中面，然后再对中面进行网格划分。

第一赋值模块对划分好的网格进行热冲压成型件及其连接件材料及厚度属性赋值。例如，中面网格的厚度可根据其真实物理厚度赋值，热冲压成型件及其连接件材料通过其真实应力-应变曲线来定义。

第一建模模块用于点焊模型建模。其中，点焊按照实际几何位置用一维梁单元来模拟，在仿真模拟中定义点焊的失效，使焊点的特性与实际情况相一致。

第二建模模块用于点焊热影响区建模。具体是以点焊中心为基准，首先确定焊核的范围大小，然后根据热影响区范围大小围绕焊核做一圈单元，形成一个“回字型”结构，“回字型”结构的区域代表实际情况中热影响区的范围大小。

第二赋值模块用于点焊热影区有限元模型材料及厚度属性赋值。例如，热影响区的厚度与热冲压成型件母材厚度保持一致，热影响区的材料基于母材材料的真实应力-应变曲线通过缩放因子进行缩放得到，热影响区的失效定义通过减薄失效系数来定义，使得仿真中的热影区材料性能和实际情况相一致。

仿真计算模块将所建立的有限元模型导入到整车碰撞的有限元模型中，通过有限元仿真计算，最终能够在仿真中预测出热冲压成型件是否在点焊热影响区存在撕裂的风险。

此外，仿真计算模块还辅助汽车结构设计人员根据仿真结果进行结构优化，并通过仿真模型验证优化方案。

另外，本发明揭示了计算机可读存储介质，计算机程序存储于存储介质上，被处理器读取后运行计算机程序以执行如前述实施例所述的方法。

另外，如图5所示，本发明揭示了一种计算机系统，包括存储介质、处理器和计算机程序，计算机程序存储于存储介质上，处理器从存储介质读取计算机程序后运行该计算机程序以执行前述实施例所述的方法。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (9)

1.一种基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法，其特征在于，包括：

步骤1：对热冲压成型件及其连接件进行网格划分；

步骤2：对划分好的网格进行热冲压成型件及其连接件材料及厚度属性赋值；

步骤3：点焊模型建模；

步骤4：点焊热影响区建模；

步骤5：点焊热影区有限元模型材料及厚度属性赋值；

步骤6：将所建立的有限元模型导入到整车碰撞的有限元模型中，通过有限元仿真计算，最终能够在仿真中预测出热冲压成型件是否在点焊热影响区存在撕裂的风险；

其中在步骤4中，以点焊中心为基准，首先确定焊核的范围大小，然后根据热影响区范围大小围绕焊核做一圈单元，形成一个“回字型”结构，“回字型”结构的区域代表实际情况中热影响区的范围大小。

2.根据权利要求1所述的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法，其特征在于，在步骤1中，先通过几何数据抽取中面，然后再对中面进行网格划分。

3.根据权利要求1所述的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法，其特征在于，在步骤2中，中面网格的厚度可根据其真实物理厚度赋值，热冲压成型件及其连接件材料通过其真实应力-应变曲线来定义。

4.根据权利要求1所述的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法，其特征在于，在步骤3中，点焊按照实际几何位置用一维梁单元来模拟，在仿真模拟中定义点焊的失效，使焊点的特性与实际情况相一致。

5.根据权利要求1所述的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法，其特征在于，在步骤5中，热影响区的厚度与热冲压成型件母材厚度保持一致，热影响区的材料基于母材材料的真实应力-应变曲线通过缩放因子进行缩放得到，热影响区的失效定义通过减薄失效系数来定义，使得仿真中的热影区材料性能和实际情况相一致。

6.根据权利要求1所述的基于汽车碰撞仿真的有限元建模方法，其特征在于，步骤6还包括辅助汽车结构设计人员根据仿真结果进行结构优化，并通过仿真模型验证优化方案。

7.一种基于汽车碰撞仿真的有限元建模系统，其特征在于，包括：

网格划分模块，对热冲压成型件及其连接件进行网格划分；

第一赋值模块，对划分好的网格进行热冲压成型件及其连接件材料及厚度属性赋值；

第一建模模块，点焊模型建模；

第二建模模块，点焊热影响区建模，其中以点焊中心为基准，首先确定焊核的范围大小，然后根据热影响区范围大小围绕焊核做一圈单元，形成一个“回字型”结构，“回字型”结构的区域代表实际情况中热影响区的范围大小；

第二赋值模块，点焊热影区有限元模型材料及厚度属性赋值；

仿真计算模块，将所建立的有限元模型导入到整车碰撞的有限元模型中，通过有限元仿真计算，最终能够在仿真中预测出热冲压成型件是否在点焊热影响区存在撕裂的风险。

8.一种计算机可读存储介质，计算机程序存储于存储介质上，其特征在于，被处理器读取后运行计算机程序以执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。

9.一种计算机系统，包括存储介质、处理器和计算机程序，计算机程序存储于存储介质上，其特征在于，处理器从存储介质读取计算机程序后运行该计算机程序以执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。

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