基于LSDYNA的整车正面碰撞仿真分析及优化
基于LS-dyna的某轻卡驾驶室正面碰撞安全性能研究
(2020年6月上)机械装备研发《Research&Development of Machinery and Equipment97基于LS-dyna的某轻卡驾驶室正面碰撞安全性能研究黄勤，刘风华，何帆影，吴静，廖奇峰，刘世海(江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心，江西南昌330001)摘要：为验证某轻卡驾驶室正面碰撞安全性能是否满足设计要求，本文基于有限元方法对其进行碰撞分析，仿真分析结果显示，驾驶员和乘员生存空间充裕。
同时结合实车碰撞试验，试验结果显示驾驶员和乘员生存空间充裕。
因此该轻卡驾驶室正面碰撞安全性能满足法规和设计要求。
关键词：轻卡驾驶室；正面碰撞；安全性能中图分类号:U463.81文献标志码:A文章编号：1672-3872(2020)11-0097-02Study on the Frontal Crash Safety Performance of Cab of Light Truck with LS-dyna Huang Qin,Liu Fenghua,He Fanying,Wu Jing,Liao Qifeng,Liu Shihai(Product Development&Technical Center^Jiangxi-Isuzu Motors Co,Lt%,Jiangxi Nanchang330001)Abstract：In order to verify whether the frontal crash safety performance of a light truck cab meets the design requirements,In this paper, based on the finite element method,the crash analysis is carried out,the simulation results show that the driver and crew have plenty of living space.At the same time,combined with the real vehicle crash test,the test results show that there is plenty of living space for drivers and passengers,so the front impact safety performance of the light truck cab meets the requirements of laws and regulations and design. Keywords：light truck cab;frontal crash;safety performance0引言目前，轻卡行业驾驶室主要形式为平头驾驶室，发生正面碰撞事故时，车身飯金件会岀现较大塑性变形,进而会挤压前排乘员的生存空间，造成人员伤害事故，故平头驾驶室结构强度对乘员的生存空间有着直接决定性影响因此，开展轻卡驾驶室正面碰撞安全性能研究具有重要意义。
纯电动汽车正面碰撞性能仿真分析与优化
Internal Combustion Engine&Parts0引言与传统汽油车相比，纯电动汽车总质量及前后轴荷分配、结构总布置及储能形式方面存在明显差异，碰撞安全性是纯电动汽车设计中关键点，也是整车性能的关键指标[1]。
近年来，为与欧美技术先进汽车接轨和实现汽车电动化战略，国家车辆碰撞安全法规对碰撞性能要求不断提高，纯电动汽车在设计研发过程中汽车被动安全性能被重点关注。
与实车碰撞试验相比，采用计算机仿真技术对整车的碰撞性能进行仿真分析，可在样车试制前完成设计优化，缩短项目开发周期和降低研发费用。
本文采用LS-DYNA和Hyper mesh软件对某纯电动汽车正面碰撞性能进行了仿真分析，从B柱峰值加速度、前门压缩量、方向盘X、Y、Z方向位移量、前围板侵入量和碰撞过程中乘员舱的完整性方面对正面碰撞性能进行评价，并对车辆进行优化分析，为纯电动汽车的车身设计提供一定的依据。
1材料与方法采用Hyper mesh软件对纯电动汽车整车的CATIA模型进行网格划分，整车模型单元数量为1146371个，节点数量为772460个，焊点连接部位采用Rigid单元模拟[2-3]，整车重量为1068kg，包含前排主、副驾座椅上各75kg假人。
正面碰撞壁设置完全固定的刚性墙，碰撞速度为50km/h[4-5]。
图1为整车正面碰撞模型，图2为碰撞能量变化曲线。
图1正面碰撞模型图2能量变化曲线车辆在正面碰撞过程中，乘客受到主要伤害为承受的碰撞力过大、乘客留下的生存空间过小、承受的加速度①后处理器的阻尼很小，而且在做模态分析时，对模态频率和振型的贡献很小，所以通常将阻尼忽略，采取无阻尼假设。
不过在计算频率响应函数时，需要考虑阻尼的影响。
②原则上，当外界激振频率与结构频率相差3Hz以上时，才可以达到较好的避频效果。
本文后处理器一阶模态频率为31.4Hz，高于路面频率和点火频率，因此风险较低。
③后处理器的结构优化通常采用改进支架安装位置或者提高支架刚度的方式，增加壳体的厚度或更换材料这种方式较少采用。
客车正面碰撞仿真分析及性能优化
客 车 技 术 与 研 究第4期 BUS &COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.4 2019作者简介:彭 旺(1982 ),男,工程师;主要从事车辆结构设计方向的研究和客车研发管理工作㊂客车正面碰撞仿真分析及性能优化彭 旺,张雅鑫(比亚迪汽车工业有限公司,广东深圳 518118)摘 要:以某客车为研究对象,基于HyperMesh /Ls-Dyna 模块对其进行不同方案的正面碰撞安全仿真分析,验证碰撞能量管理及碰撞力传递路径优化对提升客车正面碰撞性能的效果㊂关键词:客车;正面碰撞;仿真分析;HyperMesh /Ls-Dyna 中图分类号:U467.1+4;U469.1 文献标志码:A 文章编号:1006-3331(2019)04-0009-03Simulation Analysis and Performance Optimization of Coach Frontal CollisionPENG Wang,ZHANG Yaxin(BYD Automobile Industry Co.,Ltd.,Shenzhen 518118,China)Abstract :Taking a coach as the research object,this paper does the simulation analysis of frontal collision safety based on the HyperMesh /Ls_Dyna module,and verifies the effect of collision energy management and collision force transmission path optimization method improving the coach frontal collision performance.Key words :coach;frontal collision;simulation analysis;HyperMesh /Ls-Dyna 据统计,客车正面碰撞事故约占客车事故的40%~60%,同时死亡人数占比达到60%左右[1-3]㊂客车在碰撞过程中,车辆前部结构会发生极大变形与溃缩,立柱㊁座椅和隔板等附件发生严重变形侵入驾驶员与乘客生存空间,造成大量人员伤亡事故[4-5]㊂因此,开展客车前部结构强度研究具有重要意义㊂本文基于HyperMesh /Ls-Dyna 模块对某客车进行正面碰撞安全分析研究,并根据实车正面碰撞试验结果,对客车正面碰撞仿真分析进行可行性验证㊂1 客车有限元模型建立2016年,重庆车辆检测研究院进行多种类型客车的100%正面刚性壁障碰撞试验,碰撞速度为30~32km /h,故本分析采用相同初始条件:客车整备质量状态下以30km /h 进行100%正面刚性壁障碰撞模拟㊂在建立客车有限元模型时需对其进行简化㊂本模型保留车架㊁车身骨架等主要承载结构,简化蒙皮㊁玻璃和内外饰件等非主要承载结构[6-8]㊂刚性壁障及地面采用刚性墙Rigidwalls 进行模拟;在Z 方向施加9.81m /s 2的重力加速度;在-X 向施加30km /h 速度;客车模型自接触采用自动单面接触算法[9]㊂整车骨架及轮胎等部件采用壳单元构建[5],其余电器件等通过Mass 点进行配重,焊接与铆接采用Rbe2单元进行连接处理㊂本模型采用10mm×10mm 单元尺寸进行划分网格,其中网格质量各项指标需满足建模要求:Warpage≤15°;Aspect Ratio≤5;Angle Quad =40°~135°;Angle Tria =25°~120°;Jacobian ≥0.6;三角形壳单元百分比不超过5%㊂图1为某客车正面碰撞有限元模型㊂图1 某客车正面碰撞有限元模型2 客车正碰分析方案研究2.1 客车前部结构优化思路客车正面碰撞过程中,客车前端吸能区未吸收的能量会通过车架车身结构传递至驾驶员所在的坚固区和前排乘客所在的后端吸能区,传递至后方的能量越大,坚固区变形越大,同时驾驶员和前排乘客产生的加速度越大,驾驶员侧结构变形量过大会导致驾驶9区结构侵入驾驶员生存空间;加速度过大会对人员造成强烈冲击伤害;乘客门侧A 柱位置变形量过大会导致乘客门无法打开影响救援㊂故为了保证驾驶员和乘客的安全,吸能区前部结构需要尽可能多地吸收碰撞能量,所以前部结构设计非常重要[10-13]㊂前部结构分区及碰撞力传递路径如图2所示㊂图2 前部结构分区及碰撞力传递路径2.2 客车正碰分析方案为进一步研究客车前部吸能区结构对提升客车正面碰撞性能的影响,对下列3种方案进行对比分析:1)原方案,未安装吸能防撞装置㊂2)改进方案1,安装吸能防撞装置,如图3所示㊂吸能防撞装置包括防撞梁主梁㊁防撞梁连接件和吸能盒等结构,主要材料为Q345B㊂图3 吸能防撞装置方案13)改进方案2,优化吸能防撞梁结构及吸能盒布置形式㊁数量,如图4所示㊂吸能盒表面变为褶皱结构,溃缩能力增强,单个吸能盒的吸能能力提升;主梁两端变为斜面结构,通过吸能盒满足吸能装置与车架的固定,同时吸能盒数量翻倍,吸能能力也显著增长㊂图4 吸能防撞装置方案23 客车正碰仿真结果分析及验证3.1 客车正碰仿真数据读取碰撞仿真结束后对结果进行分析,读取左右两侧立柱a-c 上5点的X 向相对变形量,位置如图5所示㊂同时读取转向管柱后部位置㊁驾驶员座椅椅脚位置㊁第一排乘客处座椅椅脚位置加速度仿真值,分别定义为ACC1㊁ACC2㊁ACC3,统计X 向加速度大小并进行数据分析[12-13]㊂图5 前部结构变形量测量位置图6为客车正面碰撞仿真结果中立柱a -c 上5点间的X 向相对变形量读取数据,其中Rab_11代表立柱a 和立柱b 上1号点之间的X 向相对变形量,以此类推;表1为各方案ACC1㊁ACC2㊁ACC33点的加速度峰值仿真值读取数据㊂图6 各方案前部结构变形量对比表1 各改进方案加速度峰值与原方案对比g方案序号ACC1ACC2ACC3原方案Max 109.1109.726.8Min-122.8-134.1-16.9改进方案1Max 85.978.518.7Min -71.3-66.4-6.1改进方案2Max 65.859.630.2Min -51.2-46.4-11.93.2 客车正碰仿真数据分析原方案正碰仿真结果中,乘客门侧ab 柱间最大变形量为375mm,可能导致乘客门无法打开㊂驾驶员侧ab 柱间最大变形量为213mm,变形量会侵入驾驶员生存空间㊂驾驶员处-X 向加速度峰值为134.1g ,驾驶员受到的冲击伤害会很大㊂改进方案1正碰仿真结果中,增加吸能防撞装置后,分析结果中乘客门侧ab 柱间最大变形量减小至01客 车 技 术 与 研 究 2019年8月281mm,对比原方案下降25%,乘客门侧ab柱间最大变形量为149mm,下降30%;ACC1㊁ACC2㊁ACC33处X向加速度最大峰值分别下降41.94%㊁50.48%㊁30.22%;变形量及加速度均有改善㊂改进方案2正碰仿真结果中,优化吸能防撞装置后,分析结果中乘客门侧ab柱间最大变形量降为202 mm,对比原方案下降46%,驾驶员侧ab柱间最大变形量降为71mm,下降66%;ACC1㊁ACC2㊁ACC33处X向加速度最大峰值分别下降58.31%㊁65.40%㊁30.22%;变形量及加速度改善程度较改进方案1更加明显㊂从各方案变形量及加速度峰值对比可知,改进方案1相对原方案变形量及加速度均有改善,改进方案2较改进方案1改善量更大,说明整车前部结构的优化可以很大程度地降低驾驶员区和乘客区结构受到的影响,降低乘员伤害,提高客车正面碰撞安全性㊂3.3 仿真可行性验证图7为改进方案1试验车碰撞转向管柱后部位置㊁驾驶员座椅椅脚位置㊁第一排乘客处座椅椅脚位置加速度曲线㊂试验车吸能防撞结构与改进方案1一致㊂试验车3处加速度曲线与改进方案1仿真分析曲线趋势基本一致,试验车3处加速度峰值分别为79g㊁81g㊁16g;改进方案1仿真分析3处加速度峰值分别为85.9g㊁78.5g㊁18.7g㊂通过加速度数据对比可以看出,改进方案1的加速度峰值与试验车偏差分别为13.3%㊁3%㊁16.9%,具有较高一致性;同时分析改进方案1能量曲线可知,滑移能㊁沙漏能均满足标准,初始总能与结束总能能量变化小于2%,故认为该正面碰撞仿真分析方法合理可行㊂图7 试验车各位置加速度曲线4 结 论通过正面碰撞仿真分析对比客车3种前部结构方案,表明优化前部吸能防撞装置能显著提升客车正面碰撞安全性,实车正面碰撞的试验结果对客车正面碰撞仿真分析的方法进行可行性验证㊂参考文献:[1]吴胜国.中日道路交通安全法规的比较研究[D].成都:四川大学,2006.[2]刘晓君.实车正面碰撞法规试验的发展趋势[J].世界汽车,1999(3):3-5.[3]王欣,颜长征.客车正面碰撞标准研究[J].交通标准化, 2011(8):6-10.[4]颜长征,王欣,赵东旭,等.客车正面碰撞乘员保护分析[J].机械研究与应用,2017,30(3):78-80.[5]孙治华.营运客车正面碰撞车身结构安全性仿真和评价[D].西安:长安大学,2011.[6]王钰栋,金磊,洪清泉,等.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京:机械工程出版社,2012:341-375.[7]谭继锦,张代胜.汽车结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2009:196-200.[8]钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程,1994 (1):1-6.[9]张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007:125-146. [10]胡玉梅.汽车正面碰撞设计分析技术及应用研究[D].重庆:重庆大学,2002.[11]张建,范体强,何汉桥.客车正面碰撞安全性仿真分析[J].客车技术与研究,2009,31(3):7-9. [12]胡远志,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社, 2011:127-147.[13]王可,尹明德.客车正面碰撞仿真建模与分析[J].机械工程与自动化,2011(2):28-30.收稿日期:2019-01-2411 第4期 彭 旺,张雅鑫:客车正面碰撞仿真分析及性能优化。
汽车碰撞仿真LS-DYNA关键字
控制卡片参数说明
MS1ST：限制第一步的质量缩放，根据时间步确定质量向量一次。默认为0。
DT2MSF：决定最小时间步长的初始时间步长缩减系数，如果使用，DT2MS=-DT2MSF*△t。
DT2MSLC：在显示分析中把DT2MS指定为时间的函数，使用load-curve定义。 *CONTROL_SHELL $ WRPANG ESORT IRNXX ISTUPD THEORY 20 1 -1 0 2 全局控制壳单元参数卡片 WRPANG：最大翘曲角度，默认20度； ESORT：程序自动把退化的四边形单元处理为C0三角形单元公式； IRNXX：单元法向更新开关，该选项只对Hughe_Liu，Belytschko-Wong-Chiang,Belytschko-Tsay等公式起作用 。 （默认为-1，每次循环都重新计算单元方向）。 ISTUPD：单元厚度改变选项。该选项对所有壳单元变形有影响。 BWC MITER 2 1 PROJ
12. DATABASE_BINARY_D3DUMP 设置如下：
13. DATABASE_BINARY_D3PLOT 设置如下：
控制卡片参数设置
14. DATABASE_BINARY_D3THDT 设置如下：
15. DATABASE_BINARY_RUNRSF 设置如下：
16. DATABASE_EXTENT_BINARY 设置如下：
控制卡片参数设置
8. CONTROL_PARALLEL 并行计算控制，最大可以使用4个CPU。
9. CONTROL_SHELL
壳单元控制
10. CONTROL_TERMINATION 计算终止控制卡片，控制计算终止时间，设置如下：
控制卡片参数设置
11. CONTROL_TIMESTEP 计算时间步长相关参数
基于LSDYNA的汽车正碰分析
中图分类号：Ｕ４６７．１＋４
０前言
在汽车被动安全性研究中，汽车碰撞是一个 十分复杂的力学问题，它是一个动态的大位移和 大变形的瞬态接触过程。接触和高速冲击载荷影 响碰撞的全过程，碰撞系统具有大位移、大转动 和大应变的非线性特征，以材料弹塑性变形为典 型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的接 触非线性的多重非线性特点。这些非线性物理陛 能的综合，使得利用传统的手段对汽车碰撞过程 的精确描述和求解变得非常复杂和困难。文中进 行的是汽车１００％ＯＤＢ正面碰撞的仿真分析。采 用动态显式非线性有限元技术，利用ＮＸ、ＡＮＳＡ、 ＬＳ．ＤＹＮＡ等有限元软件对某汽车进行几何建 模、网格建模和计算求解，依据计算结果分析了 汽车正面主要结构在碰撞中的耐撞性，并将计算 结果与试验结果进行对比，以验证仿真模型的准 确性。
１碰撞模型的建立
１．１汽车几何模型 建立汽车整车几何模型是进行有限元分析
的第一步，模型质量的好环对后续的有限元分析
·３４·
文献标识码：Ａ
起着至关重要的作用，直接决定有限元模型网格 的质量和分析时间的长短以及分析进展是否顺 利，尤其在碰撞分析中尤为突出。另外，在保证模 型正确及几何元素相关联的基础上，可以进行简 化，以达到事半功倍的效果。文中利用ＮＸ软件建 立某汽车整车的几何模型，该汽车三维几何模型 如图１所示。
［２］陈海树，赖征海，邸建卫．Ｌｓ—ＤＹＮＡ在汽车碰撞模拟过程 中的应用［Ｊ］．沈阳大学学报，２００６．
［３］何涛，杨竞．ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ非线性有限元分析实例指 导教程［Ｍ］．机械工业出版社．
［４］张金换，杜汇良，马春生．汽车碰撞安全性设计［Ｍ］．清华 大学出版社．
［５］Ｏａｒｙｌ Ｌ．Ｌｏｇａｎ．有限元方法基础教程［Ｍ］．北京电子工业 出版社．
基于LS—DYNA的车辆碰撞仿真分析研究
基于LS—DYNA的车辆碰撞仿真分析研究作者：孙志星来源：《科学与财富》2012年第12期摘要：本文运用大型显式动力分析软件LS-DYNA实现车辆的整车碰撞仿真模拟分析，实验结果对于车辆的设计和生产具有一定的参考价值。
关键词：LS-DYNA碰撞仿真引言随着社会的进步、交通行业的蓬勃发展，车汽行业在这些年也得到了迅猛的发展，但是，随之而来的交通的问题也日显突出，交通事故发生的次数逐年增多，事故的严重性也是与日俱增，给家庭和社会带来了极大的危害和损失。
所以，对车辆的安全性能及其综合性能的研究就显得十分迫切和必要[1]。
传统的车辆综合性能研究特别是安全性能方面的研究往往是采用真车进行碰撞实验，采用真车进行碰撞实验，虽然实验结果较为明显直观，但是真车的碰撞实验需要投入大量的人力、物力和财力，而且需要反复的实验才能得出实验结果，反复的实验无疑加大了实验成本与时间上的投入。
车辆研究者们急需寻找一种新的实验研究分析方法来取代真车碰撞实验，而且要保证实验效果。
这些年计算机辅助设计、分析软件被越来越多的学者运用于各类问题的研究分析当中，从简单的图纸设计、建模设计到大型有限元分析都广泛应用与各类工程问题的研究分析当中。
在建模方面，目前常用的软件有：Pro/E、UG、solidworks等等，在众多大型建模软件中，Pro/E 因其可以进行良好的参数化设计，所以被广泛应用于各种工程问题的建模分析当中。
在有限元分析方面，LS-DYNA凭借其良好的动态力学分析能力，成为有限元动态分析的主流大型软件。
大型软件LS-DYNA由美国国家实验室研发并发行，最初的LS-DYNA软件主要是应用于简单的自由体下落时所受到的冲击应力，随着LS-DYNA软件的不断完善和升级，LS-DYNA 的功能越来越强大，其材料库也越来越完善，模拟仿真实验的结果也逐渐可以代替真实实验的计算分析结果[2]。
而且随着LS-DYNA软件的不断完善和升级，LS-DYNA软件在各行各业应用的越来越广泛和深入。
LS-Dyna碰撞分析资料要点
LS-DYNA 碰撞分析调试LS-DYNA碰撞计算模型的主要检查、调试项目有：a、质量增加百分比小于5%；b、总沙漏能小于5%；c、滑移界面能；d、检查各部件之间的连接、接触关系是否定义正确，检查模型的完整性；e、检查数值输出的稳定性。
一、质量缩放Mass scale的检查：质量缩放——对于时间步长小于控制卡片中设置的最小时间步长的单元，我们通常采取增加单元材料密度的方法来增大其时间步长，以减短模型的计算时间。
关于LS-DYNA中单元时间步长的计算方法请参见附录一。
1、初步检查。
让模型在dyna中运行2个时间步，在Hyper view中调出glstat 文件并检查mass scaling项（质量增加应该小于5%）；调出matsum文件并检查各部件的质量增加情况，对于质量增加过大以及有快速增长趋势的部件应检查此部件的网格质量和材料参数设置（质量增加一般是由于单元的特征长度太小或者是材料参数E、ρ设置错误，导致该单元的时间步长低于控制卡片中设置的最小时间步长，从而引起质量缩放）。
2、全过程检查。
调整模型使其符合初步检查的标准，计算模型至其正常结束。
再按[初步检查]的要求检查调试整个模型直至达到要求。
一个计算收敛的模型在其整个计算过程中，最大质量缩放应小于总质量的5% 。
二、沙漏能Hourglass energy的检查：沙漏能的出现是因为模型中采用了缩减积分引起的，我们常用的B-T单元采用的是面内单点积分，这种算法会引起沙漏效应（零能模式）。
具体介绍参见附录二。
检查：在dyna中计算模型至其正常结束。
在Hyper view中调出glstat文件并检查energy的total energy 、Hourglass energy两项，整个计算过程中沙漏能应小三、滑移界面能sliding interface energy的检查：滑移界面能是由摩擦和阻尼所引起的。
剧烈的滑动摩擦会引起大的正值的滑移界面能；未能检测到的穿透（undetected penetrations）常常会引起大的负值的滑移截面能。
应用LS_DYNA进行汽车正面碰撞模拟分析
１７３ 科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ学 术 论 坛２００８ ＮＯ．０７Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ应用ＬＳ－ＤＹＮＡ进行汽车正面碰撞模拟分析包宇波１ 胡斌２（１．同济大学汽车学院 上海 ２０００９２； ２．中国矿业大学（北京）机电学院材料系 北京 １０００８３）摘 要：应用ＬＳ－ＤＹＮＡ实现不带约束系统的整车的正面碰撞模拟，佐证了计算机模拟技术在现代汽车产品开发中的应用及其发挥的巨大作用。
关键词：ＬＳ－ＤＹＮＡ 汽车碰撞 车身耐撞性分析 计算机模拟中图分类号：ＴＰ３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）０３（ａ）－０１７３－０２ＬＳ－ＤＹＮＡ 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，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，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。
在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。
与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。
由Ｊ．Ｏ．Ｈａｌｌｑｕｉｓｔ主持开发完成的ＤＹＮＡ程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成型程序）的基础代码。
１９８８年 Ｊ．Ｏ．Ｈａｌｌｑｕｉｓｔ创建ＬＳＴＣ公司，推出ＬＳ－ＤＹＮＡ程序系列，并于１９９７年将ＬＳ－ＤＹＮＡ２Ｄ、ＬＳ－ＤＹＮＡ３Ｄ、ＬＳ－ＴＯＰＡＺ２Ｄ、ＬＳ－ＴＯＰＡＺ３Ｄ等程序合成一个软件包，称为ＬＳ－ＤＹＮＡ。
ＬＳ－ＤＹＮＡ的最新版本２００４年８月推出的９７０版。
ＬＳ－ＤＹＮＡ的发展与汽车碰撞仿真密不可分，在汽车行业中，ＣＡＥ仿真分析快速增长的需求和机遇主要是受碰撞法规的驱动，如在１９８５－２００２年之间，法规实验的要求增加了差不多２０倍。
其次是从１９８５年以来计算机硬件、软件的迅速发展和汽车厂商对计算机资源的广泛应用。
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第３９卷㊀第１期安徽理工大学学报(自然科学版)Ｖｏｌ.３９㊀Ｎｏ.１２０１９年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ)Ｊａｎ.２０１９基于ＬＳ－ＤＹＮＡ的整车正面碰撞仿真分析及优化王开松１ꎬ彭新宇１ꎬ谢有浩１ꎬ２(１.安徽理工大学机械工程学院ꎬ安徽㊀淮南㊀２３２００１ꎻ２.安徽猎豹汽车有限公司ꎬ安徽㊀滁州㊀２３９０００)摘㊀要:在汽车碰撞事故中ꎬ正面碰撞发生的几率是最大的ꎮ论文利用ＣＡＴＩＡ对某款车型进行三维建模ꎬ应用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ和ＬＳ－ＤＹＮＡ对汽车正面碰撞中整车的速度㊁加速度㊁门框变形量和前围入侵量进行仿真分析ꎮ针对前围入侵量过大ꎬ开展前纵梁的结构优化与材料的改进ꎬ优化后的前围入侵量改善明显ꎬ提高了车辆耐撞性ꎬ为后续设计提供了依据ꎮ关键词:ＬＳ－ＤＹＮＡꎻ正面碰撞ꎻ前纵梁ꎻ优化中图分类号:Ｕ４６１.９１㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀文章编号:１６７２－１０９８(２０１９)０１－００５４－０５收稿日期:２０１８－０４－１４基金项目:安徽省科技重大专项基金资助项目(１７０３０９０１０６０)作者简介:王开松(１９６９－)ꎬ男ꎬ安徽肥东人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ硕士研究生导师ꎬ研究方向:机械装备数字化设计ꎮＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＶｅｈｉｃｌｅＦｒｏｎｔａｌＣｒａｓｈＢａｓｅｄｏｎＬＳ－ＤＹＮＡＷＡＮＧＫａｉｓｏｎｇ１ꎬＰＥＮＧＸｉｎｙｕ１ꎬＸＩＥＹｏｕｈａｏ１ꎬ２(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨｕａｉｎａｎＡｎｈｕｉ２３２００１ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＬＥＯＰＡＡＲＤＡｎｈｕｉＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＣＯ.ꎬＬＴＤ.ＣｈｕｚｈｏｕＡｎｈｕｉ２３９０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｃａｒｃｒａｓｈｅｓꎬｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｒｏｎｔａｌｃｒａｓｈｅｓｉｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ.Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙꎬ３ＤｍｏｄｅｌｏｆａｖｅｈｉｃｌｅｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔｂａｓｅｄｏｎＣＡＴＩＡꎬａｎｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ ｓｓｐｅｅｄꎬａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎꎬｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｏｏｒｆｒａｍｅꎬｔｈｅｉｎ￣ｖａｓｉｏｎｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔｗａｌｌｈａｖｅｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎＨｙｐｅｒｍｅｓｈａｎｄＬＳ－ＤＹＮＡｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔａｌｖｅｈｉｃｌｅｃｒａｓｈ.Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｅｘｃｅｓｓｉｖｅｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔｗａｌｌꎬｔｈｅｆｒｏｎｔｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｂｅａｍｈａｓｂｅｅｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｎｄｉｔｓｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓꎬｔｈｅｉｎｖａｓｉｏｎｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｆｒｏｎｔｗａｌｌｈａｓｂｅｅｎｏｂｖｉ￣ｏｕｓｌｙｒｅｄｕｃｅｄꎬａｎｄｔｈｅｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｈａｓｂｅｅｎｅｎｈａｎｃｅｄꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＬＳ－ＤＹＮＡꎻＦｒｏｎｔａｌｃｒａｓｈꎻｆｒｏｎｔｒａｉｌꎻｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ㊀㊀国家制定了安全法规ꎬＣ－ＮＣＡＰ(中国新车评价规程)ꎬ其碰撞试验项目主要包括正面１００％重叠刚性壁障碰撞㊁正面４０％重叠可变形壁障碰撞㊁可变形移动壁障侧面碰撞和低速后碰撞颈部保护试验ꎮ而在汽车碰撞事故中ꎬ正面碰撞发生的几率是最大的ꎮ所以ꎬ对正面碰撞的研究显得格外重要[１]ꎮ本文以某款车型为研究对象ꎬ利用基于动态显式非线性有限元理论的ＬＳ－ＤＹＮＡ进行正面碰撞ꎬ仿真ꎬ分析结构的不足之处并进行改进优化ꎬ提升车辆结构安全性ꎮ１㊀碰撞仿真模型的建立１ １㊀有限元模型的建立首先ꎬ在ＣＡＴＩＡ中建立整车模型ꎬ在建模过程中ꎬ对有些零部件作适当简化处理ꎮ随后将数模转换成ｓｔｐ格式导入到ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中进行几何清理以及网格划分ꎮ车身大部分零件是钣金件ꎬ采取壳单元划分ꎻ汽车底盘等是实体ꎬ采用实体单元划分ꎮ在赋予单元材料属性时ꎬ白车身等钣金件一般定义为弹塑性材料ꎬ采用ＭＡＴ２４模拟ꎻ发动机㊁变速箱等在碰撞过程中不易发生变形的部件ꎬ则定义为刚性材料ꎬ采用ＭＡＴ２０模拟ꎻ轮胎等线弹性材料可选ＭＡＴ１模拟ꎻＭＡＴ１００则用于模拟焊点材料ꎮ１ ２㊀边界条件的设立１)约束刚性墙六个自由度ꎮ２)车辆以５０ｋｍ/ｈ的初速度垂直撞击刚性墙ꎬ方向为Ｘ轴负方向ꎬ碰撞时间设定为１００ｍｓꎬ同时对整车模型施加沿Ｚ轴负方向的重力加速度ꎮ３)本文采用基于粘度的沙漏模式ꎬ因此设置沙漏粘性类型为１ꎬ沙漏能系数设置为０ １ꎮ４)整车自身的接触算法采用常见的自动单面接触ꎻ整车与刚性墙㊁轮胎与地面之间均采用刚性墙接触ꎮ将有限元模型导出为Ｋ文件并提交ＬＳ－ＤＹ￣ＮＡ求解器计算ꎮ２㊀正面碰撞仿真结果分析２ １㊀碰撞总能量曲线碰撞过程中ꎬ能量是以不同的形式组成的ꎬ不同时间各不相同ꎮ主要由以下五种能量构成:动能㊁内能㊁沙漏能㊁滑移界面能和总能量ꎬ如图１所示ꎮ图１㊀碰撞总能量曲线从图１中可以得到如下结论:１)汽车总能量曲线接近水平状态ꎮ２)由动能曲线可知在５ｍｓ之后ꎬ动能开始迅速下降ꎬ碰撞开始ꎻ在７５ｍｓ之后ꎬ动能维持在一定数值不再变化ꎬ以较小的速度回弹ꎮ３)内能随着时间的推移逐渐增大ꎬ而后保持相对稳定ꎮ４)滑移界面能约占２ ７％ꎬ沙漏能约占１ １％ꎮ图中五条曲线比较光滑ꎬ没有异常的波动ꎬ表明符合碰撞过程中动能转变为内能的实际规律ꎻ滑移界面能和沙漏能所占比例均小于５％[２]ꎬ满足工程经验ꎬ计算结果不会失真ꎮ２ ２㊀汽车速度曲线整车的初始速度为５０ｋｍ/ｈꎬ即１３ ８８９ｍ/ｓꎬ仿真结果如图２所示ꎮ图２㊀碰撞速度曲线Ｂ柱下端速度的变化ꎬ代表了整车吸能变化ꎬ速度过零的时刻反应了整车变形吸能时间的长短[３]ꎮ左侧Ｂ柱下端速度过零时刻早于右侧Ｂ柱ꎬ说明左侧纵梁相对右侧结构较硬ꎮ２ ３㊀汽车加速度曲线Ｂ柱加速度对假人头部的损伤值(ＨＰＣ)具有重要的参考意义ꎬ是碰撞试验的重要指标之一ꎮ加速度的测量位置一般选择在Ｂ柱底端和门槛梁的交界处[４]ꎮ在正面碰撞中ꎬ加速度的值不宜超过４０ｇ[５]ꎮ从图３中可以看出ꎬ左㊁右Ｂ柱的加速度峰值为３４ｇ和３２ｇꎬ出现在３６ｍｓ左右ꎬ加速度数值正常ꎮ图３㊀碰撞加速度曲线５５第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王开松ꎬ等:基于ＬＳ－ＤＹＮＡ的整车正面碰撞仿真分析及优化２ ４㊀车门变形量碰撞试验后车门不能正常开启是导致车辆不能通过碰撞法规的因素之一ꎮ确定碰撞结束后能否在规定作用力下正常开启车门难度较大ꎬ但可以通过对门框变形量的分析对其进行间接评价ꎮ碰撞过程中ꎬ在纵向冲击力的作用下门框主要表现为纵向压缩ꎮ当门框变形量足够大ꎬ使车门发生变形ꎬ导致卡死现象ꎬ是导致车门不能开启的主要原因[６]ꎮ如图４所示ꎬ观察门框上有代表性的测量点Ａ－Ｊ的最大变形量见表１ꎮ根据经验ꎬ车门门框变形小于５０ｍｍ以下ꎬ车门可以正常开启ꎮ图４㊀车门变形测量点表１㊀车门变形量测量点最大变形量/ｍｍ左前门右前门目标值小于５０/ｍｍＡ１０９合格Ｂ２２１６合格Ｃ３７３１合格Ｄ４６３８合格Ｅ４３３４合格Ｆ３５３０合格Ｇ２５２５合格Ｈ１７２６合格Ｉ１４２６合格Ｊ１６２９合格２ ５㊀前围板入侵量汽车正面碰撞时ꎬ前围板受到挤压变形ꎬ前围板用于保护制动踏板系统和转向管柱系统ꎬ当踏板和方向盘的向后位移量过大会对乘员的胸部和腿部造成伤害ꎮ一般工程试验经验认为ꎬ前围入侵量小于１５０ｍｍ能够满足法规«ＧＢ１１５５１－２０１４汽车正面碰撞的成员保护»对腿部的伤害值要求[７]ꎮ图５为前围板结构优化前的碰撞入侵量ꎮ图５㊀前围板位移图由图５知ꎬ前围板入侵量最大值为２８４ ７ｍｍꎬ不满足相应要求ꎬ需要对其进行优化改进ꎮ３㊀结构分析与改进针对前围板侵入过大ꎬ主要是因为纵梁前部吸能太少ꎬ能量集中于纵梁根部导致变形过大ꎬ增大了转向系统及踏板的侵入ꎮ故需对纵梁进行结构改进ꎬ尽可能的将变形集中于纵梁前部ꎬ避免车体发生较大变形ꎮ某公司曾提出两种优化方案ꎬ如缩短纵梁加强板和提升纵梁根部加强板的厚度ꎬ减少纵梁前部内外板的厚度ꎬ但优化效果并不明显ꎮ所以在原有的基础上ꎬ继续弱化纵梁前部变形ꎮ提出改进方案一:(１)修改纵梁加强筋ꎬ改为向外突起ꎬ并缩短１００ｍｍꎮ增加外突起导引槽来增加其压缩变形ꎬ如图６所示ꎮ图６㊀纵梁加强筋改进图(２)纵梁内板开导引槽ꎬ引导变形ꎬ如图７所示ꎻ折弯部分需要增加外凸槽ꎬ增加抗弯能力ꎬ如图８所示ꎮ６５㊀㊀㊀㊀㊀㊀安徽理工大学学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３９卷图７㊀纵梁内板改进图图８㊀纵梁折弯改进图经分析得纵梁前部变形增大ꎬ纵梁后部变形减小ꎬ有一定优化效果ꎬ改进方案一前围板入侵量如图９所示ꎮ图９㊀方案一前围入侵量位移图从图９中知最大入侵量为２２３ ５ｍｍꎬ较之前减小ꎬ但仍不满足要求ꎬ在方案一基础上进一步提出改进ꎬ方案二如图１０所示ꎮ图１０㊀改进方案二取消吸能盒ꎬ并延长纵梁至防撞梁位置ꎬ可以增大变形空间以及更好的控制变形ꎮ改进方案二前围入侵量如图１１所示ꎬ前围板最大入侵量为２１６ ８ｍｍꎮ图１１㊀方案二前围入侵量位移图基于结构优化无法明显改善前围侵入ꎬ所以对纵梁材料进行替换ꎬ方案三在前述基础上ꎬ进行如下修改ꎬ将材料换成高强度钢板ꎬ高强度钢能够增加纵梁各板件的抗变形㊁抗扭曲能力ꎬ提高能量吸收能力和扩大弹性应变性ꎬ如图１２所示ꎮ图１２㊀改进方案三图１３㊀方案三前围入侵量位移图改进方案三的前围入侵量如图１３所示ꎬ可以得出最大入侵量降至１４５ ９ｍｍꎬ优化效果明显ꎬ且入侵量满足碰撞法规对腿部的伤害值要求ꎮ７５第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王开松ꎬ等:基于ＬＳ－ＤＹＮＡ的整车正面碰撞仿真分析及优化４㊀结论论文利用有限元的方法ꎬ应用计算机在ＬＳ－ＤＹＮＡ中对整车被动安全性进行仿真分析ꎬ对结果进行优化ꎬ通过对前纵梁结构的改进和材料的替换ꎬ改善了前围入侵量ꎬ提高了汽车耐撞性ꎬ为今后的设计工作提供了理论指导ꎮ参考文献:[１]㊀李灿.车身结构的耐撞性优化研究[Ｄ].重庆:重庆理工大学ꎬ２０１４:９.[２]㊀杨成国.某车型的正面碰撞模拟仿真分析[Ｄ].沈阳:沈阳工业大学ꎬ２０１７.[３]㊀胡远志.基于ＬＳ－ＤＹＮＡ和ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ的汽车安全仿真与分析[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２０１１:２－２００. [４]㊀刘春科.汽车正面碰撞被动安全性分析及其优化研究[Ｄ].上海:上海工程技术大学ꎬ２０１４. [５]㊀陶泽.某微型电动轿车正面碰撞安全仿真分析研究[Ｄ].长沙:湖南大学ꎬ２０１６.[６]㊀冯兰芳ꎬ夏兆义ꎬ何强ꎬ等.基于ＬＳ－ＤＹＮＡ的微型客车正面碰撞分析[Ｊ].郑州大学学报(工学版)ꎬ２０１３ꎬ３４(１):９９－１０２.[７]㊀张乐平.某ＳＵＶ正面碰撞仿真分析及其优化[Ｄ].长沙:湖南大学ꎬ２０１６.(责任编辑:李㊀丽)(上接第４２页)[７]㊀ＡＮＤＥＲＳＳＯＮＭＧꎬＨＹＮＹＮＥＮＪꎬＡＮＤＥＲＳＳＯＮＭＲꎬｅｔａｌ.Ａｄｄｉｔｉｖｅ－ｌｉｋｅａｍｏｕｎｔｓｏｆＨＤＰＥｐｒｅｖｅｎｔｃｒｅｅｐｏｆｍｏｌｔｅｎＬＤＰＥ:Ｐｈａｓｅ－ｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉ￣ｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｍｅｌｔ－ｍｉｓｃｉｂｌｅｂｌｅｎｄ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅＰａｒｔＢ:ＰｏｌｙｍｅｒＰｈｙｓｉｃｓꎬ２０１８ꎬ５５(２):１４６－１５６.[８]㊀ＦＥＲＲＥＩＲＡＲꎬＳＡＮＴＡＮＡＲ.Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｌｏｗ－ｕｐｒａｔｉｏｉｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨＤＰＥａｎｄＬＤＰＥｅｘｔｒｕｄｅｄｂｌｏｗｆｉｌｍｓ[Ｊ].ＰＯＬＩＭＥＲＯＳ－ＣＩＥＮＣＩＡＥＴＥＣＮＯＬＯＧＩＡꎬ２０１５ꎬ２５(１):８３－９３. [９]㊀ＺＨＯＵＦＳꎬＬＩＪＹꎬＹＡＮＺＭꎬｅｔａｌ.ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｈａｒｇｅｔｒａｐｐｉｎｇａｎｄｄｅｔｒａｐｐｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓｉｎＬＤＰＥꎬＨＤＰＥａｎｄＸＬＰＥ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉ￣ｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎꎬ２０１６ꎬ２３(６):３７４２－３７５１.[１０]㊀ＳＨＡＲＭＥＥＮＩＭꎬＹＡＭＵＮＡＭꎬＭＡＴＨＩＡＬＡＧＡＮＭꎬｅｔａｌ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＨＤＰＥ‐ｍｏｄｉｆｉｅｄｅｇｇｓｈｅｌｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅ[Ｊ].ＰｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬ２０１８ꎬ３９(５):１６３０－１６３７. [１１]㊀ＴＥＳＡＲＩＯＶＡＫＡꎬＭＥＲＩＮＳＫＡＤ.ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒ￣ｔｉｅｓｏｆＰＥꎬＰＰꎬＳｕｒｌｙｎａｎｄＥＶＡ/ＣｌａｙＮａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆｏｒｐａｃｋａｇｉｎｇｆｉｌｍｓ[Ｊ].ＡＩＰＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓꎬ２０１７ꎬ１５９９(１):１７９－１８１.[１２]㊀吴唯ꎬ吴仁ꎬ陈玉洁ꎬ等.离聚物Ｓｕｒｌｙｎ对聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚萘二甲酸乙二醇酯共混物结晶性能和力学性能的影响[Ｊ].高分子材料科学与工程ꎬ２０１４ꎬ３０(１):４８－５２.[１３]㊀王瑞元ꎬ陈晓东ꎬ徐群杰.离聚物Ｓｕｒｌｙｎ８９２０对ＰＥＴ/ＰＢＴ合金结晶性能的影响[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１４(１):３４－３８.[１４]㊀陶国良ꎬ王海琴ꎬ廖小军ꎬ等.Ｓｕｒｌｙｎ/ＰＭＭＡ/ＰＶＤＦ共混物微观结构及性能的研究[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１３ꎬ４１(３):１０１－１０３.[１５]㊀中华人民共和国国防科学技术工业委员会.塑料导爆管:ＷＪ/Ｔ２０１９－２００４[Ｓ].北京:中国兵器标准化研究所出版ꎬ２００４:３.(责任编辑:李㊀丽ꎬ范㊀君)８５㊀㊀㊀㊀㊀㊀安徽理工大学学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３９卷。