汽车碰撞模拟分析流程

ANSYS汽车碰撞分析流程FlowChartofAutoImpactAnalysisPreparedBy史志远Date:Nov.1,2004ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351汽车碰撞模拟分析流程一、碰撞安全性试验介绍：在汽车模拟分析的过程中，提高汽车碰撞安全性的目的是在汽车发生碰撞时确保乘员生存空间、缓和冲击、防止发生火灾等等。但是从碰撞事故分析中可知，汽车碰撞事故的形态也千差万别，所以对汽车碰撞安全性能的评价也必须针对不同的碰撞形态来进行。按事故统计结果，汽车碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车等几种类型。但随着公路条件的改善，正面碰撞和侧面碰撞形态成了交通事故中最常见的碰撞形式。按照碰撞试验的目的区分，现在碰撞试验大体可以分为三类：1)由政府法规要求的强制性试验：例如FMVSS208、ECER94法规规定的正面碰撞试验，FMVSS214、ECER95法规规定的侧面碰撞试验等等；2)由汽车制造厂自己制定的碰撞试验方法：例如用于提出改善汽车碰撞安全性的新措施等等；3)为消费者提供信息的试验：例如美国、欧洲等国家实施的新车评价程序（NCAP）,汽车安全法规中规定了达到政府规定的最低安全性能要求，NCAP以更高的车速进行正面碰撞试验，以展示汽车产品的碰撞安全性能。由于法规试验是政府强制实施的，所以，汽车碰撞试验法规是人们关注的热点。下表列出了一些美国FMVSS,欧洲ECE的汽车被动安全性法规的试验项目。表一FMVSS与ECE的一些汽车安全性法规项目法规号美国欧洲安全带固定点FMVSS210ECER14侧门强度FMVSS214—车顶强度FMVSS216ECER66转向系统FMVSS204ECER12内部凸出物FMVSS201ECER21汽车乘员碰撞保护FMVSS208ECER94ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351二、人体伤害评价指标：在碰撞试验或碰撞模拟分析的过程中，都使用了标准的碰撞试验假人，通过测量假人的响应计算出伤害的指标，用于定量的评价整车及安全部件的保护效能。1)HybridIII假人家族的伤害评价基准值：下表列出了正面碰撞试验用的HybridIII假人家族的伤害评价基准值。HybridIII第50百分位男性假人是目前生物保真性最好的正面碰撞试验假人，另外，为了评价汽车对不同身材乘员的安全保护性能，按比例方法开发了第95百分位男性的大身材假人和第5百分位女性的小身材假人。表二HybridIII假人家族的伤害评价基准值身体区域伤害评价指标小身材（5％）中等身材（50％）大身材（95％）头部HIC（t2-t1=15ms）11131000957头/颈接合面向前弯曲力矩（Nm）104190258向后弯曲力矩（Nm）315778轴向拉伸（N）见相关文献轴向压缩（N）剪切（N）见相关文献胸部胸脊椎上的加速度（g）736054粘性指标（m/s）111大腿骨轴向压缩（N）见相关文献膝部小腿骨至大腿骨间的位移（mm）121517压缩载荷（N）255240004920小腿骨轴向压缩（N）510480009840Fc－轴向力极限（KN）22.935.944.22)侧面碰撞假人的伤害评价基准值：下表所示为目前使用的用于侧面碰撞用的假人SID,EuroSID-1的伤害评价基准值：ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351(t2-t1=15ms)－－HIC(t2-t1=36ms)－1000胸部肋骨至胸骨积压量(mm)－42二门车（g）9090四车门（g）8585粘性指标（m/s）－1腹部横向载荷（KN）－4.5骨盆横向加速度（g）130130耻骨结合部载荷（KN）－103)伤害评价指标的计算a．头部伤害指标HIC(HeadInjuryCriterion)定量地评价头部碰撞忍受能力地基础是WanyneState耐力曲线WSTC,Versace对WSTC进行了进一步地研究，提出了新地头部伤害指标HIC：)()1(max125.21221ttadtttHICtt(1)式中：a－头部质心点地合成加速度，g；t1,t2－碰撞过程中地任意两个时刻，s；通常把最大地积分区间取为36ms,即要求t2-t1=36ms。当HIC仅限于做头部接触碰撞伤害评价时，将积分区间取为15ms即可。b．粘性指标VC(ViscousCriterion)胸骨的挤压量指标不能很好地反应较高速度碰撞造成地伤害地可能性，对于更高地速度冲击，挤压变形速度对伤害显得更重要。ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351(t)和相对挤压变形量C(t)的乘积。VC的单位与速度单位相同，为m/s，试验表明，造成严重伤害的概率为25％时的忍受水平VCmax＝1m/s。c．胸部伤害指数TTI(ThoracicTraumaIndex)TTI是用于胸部侧面碰撞时伤害评价的指标，计算TTI所用的加速度值是从第12根肋骨上得到的，对胸部伤害相关系数较大的是侧面加速度峰值，当然，还要考虑人体的质量和年龄。TTI=1.4*AGE+0.5*(RIBY+T12Y)*MASS/Mstd(2)式中：TTI－胸部伤害指数，g；AGE－人体的年龄，岁；RIBY－第4、8根肋骨的侧面加速度峰值，g；T12Y－第12肋骨处的侧面加速度峰值，g；MASS－人体的质量，kg；Mstd－标准人体的质量，Mstd＝75kg。对于50％的假人，TTI可简化为：TTI=0.5*(RIBY+T12Y)(3)三、汽车碰撞分析的软件介绍：前后处理软件：eta/VPG3.0简介：VPG软件是ETA在对各大汽车厂商（如FORD、GM、DAIMLER-CHRYSLER、KIA等）近20年合作的工程咨询和技术服务过程中，积累了丰富的汽车业CAE技术服务经验而开发出的整车仿真软件。eta/VPG3.0分为三个模块：VPG/PrePost:前后处理器模块：前处理包括：支持多种CAD数据格式，强大的网格自动划分功能，焊点的生成，100％支持LS-DYNA的关键字，支持多种CAE数据格式等等；ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351前处理界面后处理包括：云纹图的动画显示(显示应力，应变，变形等)，强大的GRAPH功能等等；(X-Y曲线表示能量，力，位移，加速度，速度的变化历程等)VPG/Structure:结构模块：它是耐久性分析的环境，它包括：悬挂模块(Suspension),轮胎模型(Tire)和路面库(Road)；1)VPG/Structure中Road库的类型有：ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351)VPG/Structure中的悬挂模型有：图4.前后悬挂的类型图5.MACPHERSONA-ARM悬挂示意图ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351)VPG/Structure的轮胎模型：图6.VPG轮胎示意图VPG/Safety:安全模块：它能帮助我们方便进行碰撞与安全性分析。它包括：美国和欧洲的各种碰撞法规，各种碰撞工具如运动壁障小车、头部模型以及摆锤模型等，还有家人模型，安全带模型等等。1)VPG/Safety包括的碰撞法规有：ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351的碰撞法规2)VPG3.0的假人模型有：ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351的假人模型图9.VPG/Safety的假人模型示意图ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351)VPG3.0的运动壁障小车：图10.VPG/Safety的运动壁障模型示意图计算软件：LS-DYNA(version970-PC)简介：LS-DYNA是一个通用非线性瞬态动力分析有限元软件，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，其分布存储显式并行求解器提供了最快的计算速度，可运行在Ｕnix,Linux和WindowsClusters环境下。LS-DYNA还拥有更多的分析功能，包括：热耦合分析，流体动力学，流体-结构交互作用、光顺质点流体动力(SPH)、无网格分析(EFG)等。LS-DYNA可以解决高速碰撞、复杂的金属成型等问题，可以无缝地解决多物理场、多相位、多工况等方面的问题；它作为通用的多物理仿真软件，用户可以通过各种功能的组合将其运用到许多领域的分析。LS-DYNA可以运用在：汽车碰撞及乘员安全性分析；爆炸、穿甲分析；发动机的包容性分析；板材冲压成型模拟。ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351四、汽车碰撞模拟分析的一般流程：由于用实际的车来做碰撞分析（特别在设计开发阶段）一方面价格周期比较长，另外一个方面价格比较昂贵，所以，大量的碰撞模拟试验都在计算机上完成。而且，随着计算机技术的飞速发展，使这种分析模拟工作不但成为可能，而且越来越方便，越来越在设计开发过程中占有主导地位。下面就以侧面碰撞分析（正面碰撞也相类似）为例，来阐述如何在计算机上模拟整车的前碰撞分析的过程和方法并能够验证eta/VPG软件(含求解器Ls-dyna)在使用过程中的性能。1)将车模型的CAD数据导入VPG3.0：(Import)在VPG前处理中，有多种CAD数据类型的接口，包括：UG，CATIA，IGES，PRO-E，STEP等等，如图所示。VPG3.0可以直接将这些类型的数据读进来。图11.VPG3.0与CAD数据的接口2)用网格的自动划分功能划分网格：(Auto-Mesh)在VPG3.0中有一个强大的网格自动划分功能：即TOPOLOGYMESH功能。利用次功能可以将读入的CAD模型数据划分成网格，在划分的过程中，可以同时选取整个模型的面来划分，也可以对单个面逐一划分，这样划分出来的网格质量比较好，看起来也很光滑。设置的参数如下：ANSYS上海市长宁路1027号兆丰广场1803室电话:86-2152410707传真:86-21-52415351参数设置在表中你可以设置这样一些参数：单元网格的大小(ELEMENTSIZE),，忽略孔的大小(IGNOREHOLESIZE)，面与面的间隙(SURFACEBD