RADIOSS整车碰撞模型转换方法的研究与应用

RADIOSS整车碰撞模型转换方法的研究与应用周会锋杜汉斌王大志汤晓东上海汽车股份有限公司乘用车公司上海201804摘要：整车被动安全性研究是汽车研发领域中的重点，工程实际中经常遇到不同软件有限元模型之间的转化问题。本文根据实际工程的应用情况，详细的介绍了上海汽车某轿车整车碰撞模型从LS-DYNA格式转化为RADIOSS格式的具体应用方法，并最终将使用RADIOSS显式求解器对整车碰撞各工况的仿真分析计算结果与整车试验测试数据进行比较分析。从对比结果可以看出，采用RADIOSS显式求解器得到的整车碰撞仿真结果与试验结果吻合较好，计算精度较高，从而验证了新转化的RADIOSS模型的有效性，并进一步验证了模型的转化方法的可行性和合理性。同时，本文所介绍的模型转换方法和流程，可为各领域类似的模型转换工作提供一定的指导作用，具有重要的工程应用价值。关键词：整车碰撞，模型转换方法，RADIOSS，工程应用0前言仿真分析是汽车碰撞安全性研究的重要手段。在汽车被动安全性整车仿真分析中，常用的有限元仿真分析求解器软件有LS-DYNA、RADIOSS、PAM-CRASH、ABAQUS等。由于多方面的原因，不同的企业以及各类研究机构使用的仿真计算软件不尽相同，所以在实际工作中，不同软件模型之间的转换问题不可避免。曾有诸多人员对PAM-CRASH模型和LS-DYNA模型之间的相互转化做过研究分析，发现用不同求解器建立的模型的计算结果均非常接近，证明了使用PAM-CRASH和LS-DYNA不同求解器计算结果的相近性[1]。在本文的分析中，针对上海汽车某项目，首先探讨了某轿车从LS-DYNA向RADIOSS的转换方法，然后针对RADIOSS格式的模型仿真分析结果与工程上的应用，利用整车64KPH偏置碰、50KPH全宽正碰、以及50KPH的可移动变形壁障等试验测试数据进行了比较。验证了RADIOSS求解器计算结果的在工程上的可行性，以及与试验结果的一致性。1整车FE模型的转换方法在某轿车碰撞安全性研究过程中，我公司已经使用LS-DYNA软件在整车开发各阶段建立了整车碰撞有限元模型，并应用于整车开发过程中，且在整车开发各个阶段起到良好的设计指导作用。本文以此轿车完善的整车碰撞有限元模型为基础，进行从LS-DYNA格式到RADIOSS格式的转换。模型转换的主要步骤和内容如图1所示，完整并系统的介绍了整车模型从开始转换到最终与试验验证的一系列过程，在此根据不同阶段的特殊情况，对其中重要的步骤做以详细的解释。1.1通过软件的自动转换首先，打开HyperWorks的HyperCrash模块，选择RADIOSS格式，如图1中虚线框图部分内容所示，导入LS-DYNA格式的整车子模型文件。在导入的过程中，系统会提示LS-DYNA格式的材料将被转换为对应的RADIOSS格式的材料，常用材料的转换对照表详见表格1。导入成功后，有必要对模型进行图1整车CAE模型从LS-DYNA向RADIOSS转换流程图初步的检查，采用ModelChecker功能，查看转化成RADIOSS格式的模型是否有错误，并注意检查Warning信息主要内容，然后再将此模型用指定的RADIOSS格式导出，形成*.RAD文件，从而实现模型文件格式上的自动转换。表1整车碰撞仿真分析中最常用的材料类型关系对照表序号材料类型LS-DYNARADIOSS1弹性材料MAT_001*MAT_ELASTICLAW1/MAT/ELAST2弹塑性材料MAT_003*MAT_PLASTIC_KINEMATICLAW44/MAT/COWPER3空壳材料MAT_009*MAT_NULLLAW0/MAT/VOID4刚体材料MAT_020*MAT_RIGIDLAW1+RBODY/MAT/ELAST+RBODY5弹塑性材料MAT_024*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITYLAW36/MAT/PLAS_TAB6蜂窝材料MAT_026*MAT_HONEYCOMBLAW28/MAT/HONEYCOMB7粘弹性材料MAT_027*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBERLAW42/MAT/OGDENLS-DYNA代码格式默认为每行80个有效字符，RADIOSS代码格式则默认是每行100字符，且控制卡片的组合形式均不一样。自动转换过程可以将模型的PART、NODE、ELEMENT等信息的格式，以及常用的零部件材料特性、厚度特性的基本格式转换为相应的模式，表格1为自动转换时常用材料的关系对照表。虽然通过软件自动转换过来的基本参数格式一致，但是二者之间的转换仍存在不能完全自动实现的情况，也就是说自动转换过来的不一定是RADIOSS计算使用时的最佳参数[2]。经常会出现两种软件存在不一致的信息，这些情况仍需要通过手动方式进行一一调整。1.2材料模型和单元的属性虽然通过自动转换，可以将单元属性的格式转化为RADIOSS所对应的格式，但是由于LS-DYNA和RADIOSS对零部件的材料和单元属性的定义方式不同，计算时对应的各项最佳参数也不同，所以目前还无法通过软件将其自动转换为所需要的参数定义内容。需要手工调整的内容主要有材料的各项参数、单元属性各项参数。对于具体的材料参数的设定，以LS-DYNA中最常用的24号材料为例[3]，RADIOSS中材料基本参数的设定和LS-DYNA相同。他们都包括①单一应力应变曲线+应变率效应参数；②针对不同的应变速率下定义应力应变曲线；③给出不同应变率下的参数，通过公式定义材料的应变率效应。在本文的模型转换中，选用了在不同应变速率下定义多个应力应变曲线的方法。材料的失效方式，RADIOSS格式模型不是体现在材料属性卡片当中，而是采用/FAIL/…的格式根据不同要求对材料单独设置不同的失效方式，如最大的塑性应变失效、最大拉伸应变失效等。由于不同求解器均有其各自的理论和算法，所以从LS-DYNA到RADIOSS一对一的转换，不一定能够得出最佳的结果。我们应该根据不同软件的特点，尽量选用其最佳参数。整车模型中常的转动副、阻尼、弹簧、球铰，以及焊点、包边、粘胶等特征，在LS-DYNA和RADIOSS中均用一维单元来模拟，其区别在于LS-DYNA格式的模型将分别对一维单元赋予单元属性卡片和材料属性卡片，而RADIOSS格式的模型中，一维单元的所有属性均通过一张卡片来实现，其中还包含所有可能的失效方式，不需要再单独赋予其材料特性。1.3焊点和刚体连接在LS-DYNA中，焊点的定义是通过beam一维单元及其两个节点与相关零部件之间的tie接触来实现的。在RADIOSS中，焊点的定义是通过springbeam一维单元，同时对于每组springbeam单元的上下节点分别与对应的零部件生成一个type2接触来实现的。表2刚体连接示意图（LS-DYNA与RADIOSS比较）LS-DYNARADIOSS示意图连接代码*CONSTRAINED_RIGID_BODIES/RBODY/…材料*MAT_RIGID/MAT/ELAST/…说明直接通过连接代码将A和B组合在一起。/GRNOD/PART/…将A和B组合成一组刚体的表示方法，本模型中，刚体的属性体现在RBODY中，如发动机、变速器刚体的属性，如质心、转动惯量等，其材料选用普通的弹性体材料，目的在于体现带网格的刚体与周围零部件发生接触时的有效接触刚度。对于螺栓形式的刚性体连接，LS-DYNA和RADIOSS均可以对相应零部件采用rigidbody来实现。对于刚性体与刚性体之间的连接，如子模型之间的连接，在LS-DYNA中，各子总成之间的连接均通过刚性片以及*CONSTRAINED_RIGID_BODIES控制卡片将两个刚体连接在一起。而在RADIOSS中，则采用一个RBODY，所选择的节点通过groupbypart的形式将两个片体的所有node组合在一起，从而实现将两个刚性片连接在一起，而这两个片体均设置为弹性体材料，如表2所示。以上特点可以总结为，DYNA中所有的刚体属性单元，可以不参加计算。RADIOSS中刚体特征均采用RBODY和一般弹性材料组合来模拟，所有信息均参与模型计算，所以对模型质量要求比较高。1.4边界条件的加载整车模型边界条件的加载包含了初整车基本模型之外的所有内容，有壁障的加载及相关设置，有整车自接触以及与壁障/地面之间的接触设置，有整车模型需要重点研究的截面力、加速度、应力、应变以及零部件能量变化等信息要求的设置和输出。这些信息不同的软件其理论都是一致的，但每种软件均有其独自的设置方式，且相关的控制参数均具有其软件包含的独自的特性。关于接触的设置，LS-DYNA和RADIOSS常用的接触类型及其对应关系如表格3所示。表3LS-DYNA和RADIOSS常用的接触对照表求解器接触类型适用范围RADIOSS/INTER/TYPE7自接触、主从点面接触/INTER/TYPE2粘胶、焊点接触/INTER/TYPE10无分离的主从接触LS-DYNA*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE相对接触*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE粘胶、焊点接触*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE垂直面接触*CONTACT_SINGLE_SURFACE自接触1.5模型计算的控制卡片模型转换时，HyperCrash会自动生成一个求解计算的engine控制文件，根据不同的要求对求解计算控制参数进行详细设定，主要包括计算时间、计算步长控制、输出信息的类别设定等。LS-DYNA与RADIOSS的不同之处在于，前者可以单独给予各项时间历程数据信息不同的输出方式和输出时间间隔，而后者对所有的时间历程数据信息信息只能采用相同的输出方式和输出时间间隔。还有，RADIOSS可以通过不同的engine文件，对模型进行各个时间段的独立求解。2整车RADIOSS模型设置在此以常用工况50FFB、64ODB、50MDB为例，结合相应的试验数据，经过校核有限元模型中零部件的几何形状、材料和厚度，调整台车与整车的相对位置，利用RADIOSS有限元软件进行计算，得到了对标分析结果。2.1整车模型信息整车碰撞模型，主要包括白车身、座椅、底盘、转向、动力总成等结构。针对不同的碰撞规则，又带有可移动壁障、固定壁障以及刚形体台车等。整车有限元模型，节点总数为1289275，单元总数为1332879，其中壳单元总数为1280025，实体单元总数为40606，一维单元总数为12248，二维单元的平均尺寸为8mm，如图2所示。图2整车有限元模型2.2壁障台车信息RADIOSS格式的偏置碰固定壁障为solid壁障，总质量为26.1kg，节点总数为49180，单元总数为48311，其中壳单元总数为9310，实体单元总数为39000，并包括一个刚体单元[4]，如图3所示。RADIOSS格式的侧碰可移动变形壁障总质量为950kg，其中分为前面碰撞块24kg，台车926kg。模型的基本信息中，节点总数为8629，壳单元总数为348，实体单元总数为6300[5]，如图4所示。图340%偏置碰壁障CAE模型图4可移动侧面碰撞台车CAE模型2.3能量信息在整车仿真计算过程中，主要包括的物理能量有动能、内能、沙漏能、接触能等能量信息，如图5所示。从图中可以看出，整车50FFB正面碰撞使用RADIOSS计算仿真过程中，整个模型的物理能量保持平稳下降趋势。动能和内能的变化也处于合理状态之中，沙漏能占总能量的3.7%，接触能量占总能量的14%。图5整车全正碰能量曲线3计算结果与试验结果的比较在整车正碰中通过考察前围板侵入量、前纵梁变形模式以及B柱的加速度等特性来分析车体结构特征。整车侧碰工况中通常考察B柱内板侵入量、门内板关键部位侵入量、门外板变形模式以及B柱的速度特性等来分析车体结构特征。本文通过采用RADIOSS显式求解器，对整车模型上述各工况进行了计算和分析，并与相应的物理试验进行了比较，从比较结果可以看出，本文所述的转换方法在实际应用中是非常有