CN112131658B - 一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法 - Google Patents

一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，通过建立模型，利用等效于预紧力的压力载荷替换有限元模型中保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓；并且在运算的过程中，考虑到车体与保险杆由于所加载荷具有多样性，可能出现复杂运动，因此在未接触时对汽车与保险杠模型采用刚体算法增加运算效率，在保险杠与栏杆接触时采用变形体算法保证计算精度。本发明旨在提高在多种运动形式下汽车保险杠与护栏碰撞问题的计算效率与计算精度。在进行有限元分析时，只需要改变K文件相关语句，就可以改变车体的运动形式和算法的转换，避免了重复性的工作，节省了研究人员的时间，高效解决问题。

Description

一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法
技术领域
本发明属于汽车领域，具体涉及一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法。
背景技术
随着我国人民生活水平的不断提高以及汽车产业的高速发展，汽车作为一种重要的交通工具，越来越受人们的喜爱。随着我国汽车保有量的迅速增长，交通事故也在呈爆炸式的增长。各种各样的交通事故给人们的生命安全和财产带来了巨大的损失。如何提高汽车的安全性能，对于汽车正面碰撞防护技术的研究也成了人们日益关注的焦点。
在汽车交通安全事故中,出现几率最高的是汽车碰撞,其中正面碰撞最为普遍。据资料显示，汽车发生正面碰撞的概率在40%左右。因此,对汽车正面碰撞防护技术的研究、装置的设计或者改进和降低乘员的伤害是非常重要的。而汽车结构中的保险杠是正面碰撞时主要的承载和吸能构件,提高保险杠的吸收能量的能力可以降低整车碰撞中的加速度，对乘员起保护作用。汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法通过实体建模，并用ANSYS软件进行有限元分析，解决了计算效率低和计算精度低的问题。
夏磊,陈昆山在《基于LS-DYNA的保险杠耐撞性虚拟试验研究》一文中给出了一种研究汽车保险杠碰撞问题的方法，其技术方案可以对汽车保险杠的碰撞进行有效的数值仿真研究，但并未指出保险杠主梁与吸能盒的连接方式，且运算效率有进一步提高的空间，本专利提出以螺栓预紧力代替保险杠主梁与吸能盒之间的连接螺栓，使得模型更加符合实际情况的同时省去了连接螺栓部分使模型复杂度降低，同时提出通过在运算过程中转换算法的方法，使得在保险杠与栏杆未接触时采用刚体算法，接触过程中采用变形体算法，提高了计算效率的同时不影响计算精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车保险杠与栏杆接触碰撞高效有限元分析方法，旨在解决在多种运动形式下汽车保险杠与护栏碰撞问题计算效率低和计算精度低的问题，有效提高了现有汽车保险杠与栏杆接触碰撞问题有限元分析计算效率和计算精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，利用在螺母处施加等效预紧力的压力载荷模拟保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，方法步骤如下：
步骤1、建立汽车保险杠三维模型，所述三维模型中的车体部分简化为刚体；
步骤2、删除保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，并把剩余部分进行网格的划分，获得划分网格后的汽车保险杠模型；
步骤3、对划分网格后的汽车保险杠三维模型，在其删除的连接螺栓位置处施加等效于螺栓预紧力的压力载荷；
步骤4、定义车体部分、保险杠主梁部分和吸能盒的材料参数和单元属性，并将定义的参数赋予它们，其中栏杆与车体采用Solid实体单元，主梁与吸能盒采用Shell壳单元，保险杠主梁与吸能盒之间的接触面采用弹簧阻尼单元；
步骤5、生成能够用非线性有限元求解器求解的K文件；
步骤6、根据碰撞方案，即根据不同的初始速度和栏杆的角度，计算确定接触开始时间和分离的时间；
步骤7、对已生成的K文件添加车体施加载荷及约束的语句以及刚体算法与变形体算法转换的语句，生成新的K文件；
步骤8、利用非线性有限元求解器求解新的K文件，从而获得汽车保险杠与栏杆接触碰撞过程中的位移曲线和应力曲线。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：利用等效于螺栓预紧力的压力载荷代替有限元模型中的保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，在接触区域进行局部更加细致的处理，使得模型更符合实际情况的同时没有增加模型复杂程度，计算结果会更加的与实际情况相符合。在计算过程中，保险杠与栏杆分离的情况下采用刚体算法，接触情况下采用变形体算法进行有限元分析，缩短了计算机运算的时间。在进行有限元分析时，只需要改变K文件相关语句，就可以改变车体的运动形式和算法的转换，避免了重复性的工作，节省了研究人员的时间。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的汽车保险杠与栏杆接触碰撞高效有限元分析方法的流程图。
图2是本发明优选实施例提供的汽车保险杠与栏杆有限元模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，其特征在于，利用在螺栓连接处（螺母覆盖区域）处施加等效预紧力的压力载荷模拟保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，方法步骤如下：
步骤1、在AutoCAD软件中建立汽车保险杠三维模型，所述三维模型中的车体部分简化为刚体。
在检查模型尺寸无误后可将汽车保险杠模型导入到Hypermesh前处理环境中。
步骤2、删除保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，并把剩余部分进行网格的划分，获得划分网格后的汽车保险杠模型。
步骤3、对划分网格后的汽车保险杠三维模型，在其删除的连接螺栓位置处施加等效于螺栓预紧力的压力载荷，使得模型更加符合实际情况的同时省略了螺栓连接件，降低了模型复杂程度提高计算效率。
步骤4、定义车体部分、保险杠主梁部分和吸能盒的材料参数和单元属性，并将定义的参数赋予它们，其中栏杆与车体采用Solid实体单元，主梁与吸能盒采用Shell壳单元，保险杠主梁与吸能盒之间的接触面采用弹簧阻尼单元，使得计算的精确度增加。
步骤5、生成能够用非线性有限元求解器求解的K文件。
步骤6、根据碰撞方案（不同的碰撞方案指的是设置不同的初始速度和栏杆的角度），计算确定接触开始时间和分离的时间。
步骤7、对已生成的K文件添加车体施加载荷及约束的语句以及刚体算法与变形体算法转换的语句，生成新的K文件。
对K文件添加刚体算法与变形体算法转换的语句以及对车体施加载荷及约束的语句，具体如下：
*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC 。
*LOAD_RIGID_BODY 。
所述刚体算法的材料属性设置为刚体，变形体算法的材料设置为变形体或弹塑体。
在保险杠与栏杆分离的情况下，采用有限元刚体算法即材料属性为刚体；在保险杠与栏杆接触的情况下，采用有限元变形体算法即材料属性为变形体及弹塑体。
不论材料的属性为刚体、变形体还是弹塑体，其材料参数不变。
步骤8、利用非线性有限元求解器（例如LS-DYNA Solver）求解新的K文件，生成一系列可供LS-PrePost查看的结果文件（如rcforc等文件），从而获得汽车保险杠与栏杆接触碰撞过程中的位移曲线和应力曲线。
实施例1
如图2所示，所述汽车与保险杆的模块包括车体1、吸能盒2、主梁3、连接螺栓4（实施中以等效其预紧力的压力载荷代替）。车体1放置在水平面上，吸能盒2一端与车体1固连，另一端通过连接螺栓与主梁3连接。在运动中，主梁3与栏杆模型5接触。
本实施例中，所述等效连接螺栓预紧力的压力载荷施加与螺母覆盖面积处，以模拟螺栓的作用，并定义接触面为弹簧阻尼单元提高精确度。在接触区域进行局部更加细致的处理；在计算过程中，保险杠与栏杆分离情况下采用有限元刚体算法，接触情况下采用有限元变形体算法进行有限元分析。
保险杠与栏杆分离情况，所指的是开始接触前和接触结束后的两个阶段。
本发明所述的一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，利用在连接螺栓处（螺母覆盖区域）施加等效预紧力的压力载荷模拟保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，具体步骤如下：
步骤1，利用AutoCAD工具建立汽车保险杠三维模型（模型中，车体部分简化为刚体），在检查模型尺寸无误后将汽车保险杠模型导入到Hypermesh前处理环境中；
步骤2，删除保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，并把剩余部分进行网格的划分，获得划分网格后的汽车保险杠模型；
步骤3，对划分网格后的汽车保险杠三维模型，在其删除的连接螺栓位置处施加等效于螺栓预紧力的压力载荷，使得模型更加符合实际情况的同时省略了螺栓连接件，降低了模型复杂程度提高计算效率；
步骤4，定义车体部分、保险杠主梁部分和吸能盒的材料参数和单元属性，并将定义的参数赋予它们，其中栏杆与车体采用Solid实体单元，主梁与吸能盒采用Shell壳单元，保险杠主梁与吸能盒之间的接触面采用弹簧阻尼单元（增加计算的精确度）；
步骤5，生成可以用非线性有限元求解器求解的K文件。
在计算过程中，保险杠与栏杆分离情况下采用有限元刚体算法进行有限元分析；接触情况下采用有限元变形体算法进行有限元分析，具体步骤如下：
步骤6，根据碰撞方案（不同的碰撞方案指的是设置不同的初始速度和栏杆的角度），计算确定接触开始时间和分离的时间；
步骤7，对已生成的K文件添加给车体施加载荷和约束的语句以及刚体算法与变形体算法转换的语句，生成新的K文件；其描述的刚体和变形体算法转换、于车体施加载荷的K文件中的关键语句如下：
*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC 。
*LOAD_RIGID_BODY 。
步骤8，将新的K文件导入到非线性有限元求解器，例如LS-DYNA Solver，对其进行求解，生成一系列可供LS-PrePost查看的结果文件（如rcforc等文件），从而获得汽车保险杠与栏杆接触碰撞过程中的位移曲线和应力曲线。
为了分析汽车保险杠与栏杆接触碰撞，考虑到保险杠与栏杆处于接触状态的时间极短，而未接触状态的时间相比较长以及计算效率问题，同时根据所施加的载荷，车体可能出现比较复杂的运动，在保险杠与栏杆处于分离状态下时采用刚体算法计算（在接触分离后碰撞引起的弹性振动由于材料阻尼将逐渐消失，刚体算法并不影响计算精度）；在接触的过程中，必须要考虑保险杠与吸能盒的变形问题，同时接触过程中接触力频率很高幅值很大，此时必须采用变形体算法进行有限元分析。算法的转换和载荷以及约束的施加均可在K文件中添加相关语句来实现。

Claims (4)

1.一种汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，其特征在于，利用在螺母处施加等效预紧力的压力载荷模拟保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，方法步骤如下：
步骤1、建立汽车保险杠三维模型，所述三维模型中的车体部分简化为刚体；
步骤2、删除保险杠主梁与吸能盒的连接螺栓，并把剩余部分进行网格的划分，获得划分网格后的汽车保险杠模型；
步骤3、对划分网格后的汽车保险杠三维模型，在其删除的连接螺栓位置处施加等效于螺栓预紧力的压力载荷；
步骤4、定义车体部分、保险杠主梁部分和吸能盒的材料参数和单元属性，并将定义的参数赋予它们，其中栏杆与车体采用Solid实体单元，主梁与吸能盒采用Shell壳单元，保险杠主梁与吸能盒之间的接触面采用弹簧阻尼单元；
步骤5、生成能够用非线性有限元求解器求解的K文件；
步骤6、根据碰撞方案，即根据不同的初始速度和栏杆的角度，计算确定接触开始时间和分离的时间；
步骤7、对已生成的K文件添加车体施加载荷及约束的语句以及刚体算法与变形体算法转换的语句，生成新的K文件；
步骤8、利用非线性有限元求解器求解新的K文件，从而获得汽车保险杠与栏杆接触碰撞过程中的位移曲线和应力曲线。
2.根据权利要求1所述的汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，其特征在于，步骤7中，对K文件添加刚体算法与变形体算法转换的语句以及对车体施加载荷及约束的语句，具体如下：
*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC ，
*LOAD_RIGID_BODY 。
3.根据权利要求1或2所述的汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，其特征在于，所述刚体算法的材料属性设置为刚体，变形体算法的材料设置为变形体或弹塑体；
在保险杠与栏杆分离的情况下，采用有限元刚体算法即材料属性为刚体；在保险杠与栏杆接触的情况下，采用有限元变形体算法即材料属性为变形体及弹塑体。
4.根据权利要求3所述的汽车保险杠与栏杆碰撞有限元分析方法，其特征在于：不论材料的属性为刚体、变形体还是弹塑体，其材料参数不变。
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