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1汽车碰撞CAE技术与汽车覆盖件冲压成形CAE技术研究概况汽车的碰撞安全性是非常重要的基本属性，在许多国家，所有上市的汽车必须满足严格的碰撞安全性法规要求，它同时也是消费者十分关注的重要指标，已成为汽车公司拓展产品市场的关键。但因汽车碰撞涉及大位移、大转动、大应变及未知接触界面等问题，在1985年以前，出于理论水平的无奈，对它的研究几乎都靠实验室的手段来实现。在1985年以后，Bathe、Hallquist、Simo、Hughes、Belytschko、Flanagan、Benson及钟志华教授等一大批杰出科学家的长期努力与创造性研究成果——汽车碰撞CAE技术的日益成熟，人们才能完全从理论上开展汽车碰撞安全性研究，从而开创了汽车碰撞安全性研究的新纪元。我国也非常重视对它的研究，尽管起步晚，但也具备了基本条件，早在1992年，清华大学就拥有了初步的试验研究能力，随后，中国汽车技术研究中心在青年学者朱西产教授的努力下，后来居上，建立了一套国内最完备的汽车碰撞试验装置。同时，湖南大学等单位也相继建立了颇具特色的汽车碰撞试验系统。然而，由于汽车碰撞CAE技术的发展需要更加深厚的理论基础，我国的汽车碰撞CAE技术直到最近才取得实质性进展，需特别指出的是，湖南大学钟志华教授不仅以其创立的防御节点法、“级一域”法及交叉降阶积分法而享誉世界，为汽车碰撞CAE技术的发展奠定了新基础，而且，是在他的直接推动下，我国才拥有了具有自主知识产权的成套的汽车碰撞CAE技术，其主要成果包括国内唯一的自主开发的汽车碰撞仿真软件及获教育部科技进步1等奖的成果“汽车碰撞安全性设计与改进理论、方法及关键技术”，作者作为该成果的第2号研究人员，从中更学到了不少新知识。同时，作者主持完成的交通部重点科技攻关项目“在用汽车高速碰撞安全性改进技术研究”，通过了交通部科教司主持的鉴定，结论为国际先进水平。该成果应用在上汽通用五菱汽车股份有限公司新产品N1的碰撞安全性设计及老产品X477的碰撞安全性改进中，解决了产品安全结构设计方面的问题，使它们成为完全依靠国内技术而满足碰撞法规的国内微型车产品中最早的两个产品。实际上，汽车覆盖件冲压成形CAE技术与汽车碰撞CAE技术是同宗共源的。也是在1985年以后，人们才能完全从理论上实现对汽车覆盖件冲压成形过程的分析。同样地，我国在汽车覆盖件冲压成形CAE技术方面也取得了大量成果，其中最突出的代表人物仍然当数钟志华教授，在他的直接参与与带领下，课题组成员经过近4年的潜心研究和联合攻关取得了一系列研究成果，其中的“薄板冲压工艺与模具设计理论、计算方法和关键技术及在车身制造中的应用”，还获得了国家科技进步1等奖，作者有幸成为该成果的研究人员之一，从中获益良多。此外，吉林大学的胡平教授也在这一领域取得了可喜的成绩，他们依靠自己的力量，独立开发出了集成化的覆盖件弹塑性变形有限元仿真与模具设计CAE软件系统，并与已有的CAD和CAM软件相互集成，基本实现了从模具设计曲面造型到成形性分析，直至模具NC加工轨迹形成的一体化，目前该系统可以模拟各种冲压件的成形过程以及卸载回弹和切边回弹。而作者主持完成的湖南省中青年基金项目及上汽通用五菱汽车股份有限公司攻关项目“汽车覆盖件冲压成形CAD/CAE/CAM一体化技术及应用研究”，则立足重大工程应用，解决了汽车覆盖件冲压成形CAE技术在重大工程应用中存在的12个技术难题，取得了6项新的突破，已通过湖南省科学技术厅主持的鉴定，得到与会专家的高度评价，一致认定该研究成果处于国内领先水平。该成果应用在上汽通用五菱汽车股份有限公司，解决了该公司新产品N1的覆盖件模具设计与工艺分析问题，改变了企业向国际公开招标的计划。2汽车碰撞及覆盖件冲压成形分析常用的软件显式有限元方法是求解大位移、大转动、大变形问题的最有效方法，已在冲压成形、碰撞、穿甲、爆炸等许多领域得到广泛应用。分析软件也十分丰富，工程上常用的有LS-DYNA、ANSYS/LS-DYNA、DYNAFORM、OPTRIS、DYTRAN、AUTOFORM、CFORM等。其中，应用最早也最为广泛的则非LS-DYNA莫属。LS-DYNA的雏形是由美国LawrenceLivermoreNationalLaboratory的HallquistJ0博士于1976年主持研制完成的DYNA3D。到1988年，HallquistJ0博士创立了LivermoreSoftwareTechnologyCooporation（简称LSTC公司），经过多次扩充和改写的DYNA3D，其功能得到大幅度提升，此时则更名为LS-DYNA3D。到1996年，更是将LS-DYNA3D与LS-NIKE3D进行了完整的融合，分析软件也就不得不再一次更名，即广为人知的LS-DYNA，从而奠定了LS-DYNA在有限元软件中的霸主地位，显式加载隐式卸载、复杂多步成形分析、冲压分析结果的网格粗化与裁剪、形形色色的接触类型、宽松的模具网格形状（可以全部采用三角形单元）等功能，一直是许多软件追逐的目标。一些软件更是全部引进LS-DYNA作为其本体的一个组成部分，以达到迅速提升其技术水平的目的，ANSYS/LS-DYNA就是一个典型的例子。而由EngineeringTechnologyAssociates，Inc．开发的，在冲压成形分析领域最负盛名的冲压分析软件DYNAFORM，从本质上看，只是为LS-DYNA提供了1个专门针对冲压分析的前处理软件及2个通用后处理软件。LS-DYNA本身也带有功能强大的前后处理软件，LS-INGRID及FEMB就是LS-DYNA自身带有的前处理软件，HYPERMESH等专用前处理软件也都有很强的LS-DYNA前处理能力。LS-DYNA仿真分析的结果，可以用LS-DYNA的专用后处理软件LS-POST或LS-TAURUS处理，也可以用其它任何一种能够处理LS-DYNA输出数据文件的后处理软件进行后处理，如eta/PostGL，eta/Graph等专用后处理软件，还可以应用LS-DYNA本身的前处理软件FEMB进行后处理。在LS-DYNA中，单元类型众多（如四边形及三角形壳单元、膜单元、六面体厚壳单元、三维实体单元、梁单元、安全带单元、弹簧阻尼单元、平面应力及平面应变单元、2D轴对称单元等），各类单元又有多种理论算法供选用，这些单元基于Lagrangian表述，有一点积分、全阶积分、选择性降阶积分等积分格式，对一点积分，还发展了粘性阻尼与刚度公式等用于解决零能量变形模式（即砂漏）的技术。此外，还有Eulerian六面体单元、Eulerian边界单元及ALE(ArbitraryLagrangian-Eulerian)六面体单元，可用于流固耦合问题分析。LS-DYNA有100多种材料模型，如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、混凝土、复合材料、炸药及引爆燃烧、刚体等，还留有用户自定义材料接口，并可考虑材料失效、损伤、各向异性、粘性、蠕变、温度效应、应变率效应等性质。LS-DYNA的接触处理类型达20多种，可处理变形体之间的接触、变形体与刚体的接触、单一面接触、粘接、流固接触等接触类型。接触力的计算有罚参数法、软约束法及基于接触片的pinball方法，不论相互接触界面的弹性模量是相近还是相距很大，都能够准确地计算出接触界面上的接触力。还可以考虑接触界面的摩擦特性，可用于汽车碰撞安全性研究、乘员与气囊及安全带的匹配研究、冲压研究、水下爆炸对结构影响的研究等。同时，LS-DYNA采用材料失效和浸蚀接触(erodingcontact)可进行高速弹丸对靶板的穿甲研究。此外，还专门针对冲压问题，开发了不要求接触界面连续，对主接触面网格形状无特殊要求（可以全部为三角形单元）的成形专用接触类型，即FORMINGONE-WAY-SURFACE-TO-SURFACE，该接触类型与向前自适应网格划分方法的联合使用，不仅降低了对坯料初始网格尺寸的要求，而且使接触搜寻采用单向搜寻时的可靠性得到进一步提高，大大降低了计算费用。LS-DYNA的自适应网格技术(Adaptivemeshing)，允许用户划分相对粗糙、大小均匀的网格作为变形体（如冲压中的坯料）的初始网格，在分析中，LS-DYNA能根据需要自动细化网格尺寸。LS-DYNA还可以直接读入CAD表面，目前也支持VDA及IGES格式。LS-DYNA可以在大多数MPP计算机系统中运行，可以将计算任务分配给多个CPU同时进行处理。同时，LS-DYNA在微机上也能够运行，并能解决相当复杂的分析问题。LS-DYNA的最大特色也许就在于将LS-DYNA3D与LS-NIKE3D的完整融合。LS-NIKE3D也是HallquistJ0博士主持开发的，它与LS-DYNA3D的区别就在于它是用于静态或准静态载荷条件的隐式方法，而LS-DYNA3D则是用于瞬态大变形载荷条件下的显式方法。这两个软件的完整融合，使LS-DYNA成为目前世界上功能最强大的软件，不论是单个的瞬态、稳态、流体、固体、气体、温度场、电场、磁场问题，还是它们的耦合问题，LS-DYNA都能给出满意的答案。从宏观上看，动态显式有限元方法已经发展到了一个非常完美的境界；但仔细推敲却会发现，受以往专业划分的制约，应用动态显式有限元方法进行汽车碰撞分析仍然存在一些问题。3汽车碰撞CAE技术中存在的问3.1壳单元公式中存在的问题3.1.1单元的畸变问题在汽车碰撞分析过程中，对那些需要计算应力与应变的单元，单元的形状非常重要，一般而言，除非单元扭曲具有明显的优点，否则采用没有扭曲的等参元通常是最好的。例如，矩形元应该是“真正的矩形”，即单元内角都是直角、单元的每一边都是直边。在这种情况下，自然坐标系和实际坐标系之间的雅可比算子是常元素的对角矩阵，因此不影响应变插值的阶。同时，目前的单元公式虽然能够包容一定的扭曲，但这种包容是十分有限的。一般情况下，单元的尺寸应控制在如下范围内才能获得可靠的计算结果：①单元长宽比≤10；②单元内角≥30°；③单元翘曲角≤20°。扭曲的单元对分析结果精度的影响，在很大程度上与所研究的问题及所选用的单元有关。虽然我们不希望出现扭曲单元，但实际上这是不可避免的。如边界与过渡区域的单元就是这种情况，而对汽车碰撞类大变形问题而言，虽然零件（指可变形零件）的初始网格可能是理想的网格形状，但在碰撞过程中这些网格也会出现大扭曲等畸变现象。如果要求在这些区域中的分析结果也非常精确，则必须提高网格密度，用大量的单元来建立这些区域的模型，以弥补扭曲单元给有限元分析结果带来的损失。虽然从理论上说，一个区域内的扭曲单元对其它区域分析结果的影响，由圣维南原理可知，这种影响在这些扭曲单元“合适”距离以外应该是很小的，这个“合适”的距离，通常与所研究的问题及采用的单元和网格形状有关，但只有与一个更精确的解进行比较以后，才能确定实际的影响。在汽车碰撞问题中，结构的塑性变形吸能是确保汽车安全性能的重要手段，吸能构件在吸能过程中将出现大量的折叠区域，折叠区域存在大量严重扭曲的单元，虽然折叠区域的这些单元扭曲不会明显影响“合适”距离以外区域内的分析结果，但正是这些折叠区域的模拟决定了整个分析结果的可靠性，因为汽车冲击动能的约70%就是由这些折叠区域来吸收细化网格是获得更可靠结果的重要途径，因为网格细化后就能够将单元的尺寸控制在上述壳单元公式要求的范围内。自适应网格技术是细化网格的最有效手段，已经在汽车覆盖件冲压成形分析中得到广泛应用，但该方法却不适合于汽车碰撞分析，因为在冲压分析中，坯料是典型的大变形构件，因此，坯料必须采用精细的网格模型，而且单元形状必须尽量采用“真正的矩形”形状，至少要保证尽量采用四边形单元。相反，模具的变形要小得多，但模具的形状却是非常复杂的，为了简化计算，模具通常作为刚体处理（即采用刚体材料模型）。由于在有限元分析中，刚体不存在应力及应变计算，且刚体网格尺寸的大小也不参与CAE分析过程中临界时间积分步长的确定，即模具网格的细化，不会影响系统的临界时间积分步长，因此，细化模具网格几乎不会影响冲压成