碰撞分析建模手冊(中文)

1、碰撞分析FEM建模指南建立一般性的車輛有限元模型原則請參考陳亨毅寫的（1）“產(chǎn)品開發(fā)中品質(zhì)的重要性”（2）“分析性樣車及其效益”（3）“車輛耐疲勞分析 計算機(jī)產(chǎn)生的道路載荷和應(yīng)力分析”（4）“缺乏測試的車輛結(jié)構(gòu)分析”和本文中的藍(lán)顔色字體。一、車身模型建模要求1、 建模工具軟件AltairHyperMesh2、 建?？倓t工欲善其事，必先利其器。有限元模型是仿真的基礎(chǔ)，數(shù)模交接時，數(shù)模的邊必須是連續(xù)的。要保證數(shù)模的完整性，鄰近數(shù)模的面必須要有共同邊。繼則由建模人員依照建模手冊行事；建立有限元模型的時間是佔(zhàn)整個結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析耗時的百分之七十。遺憾的是許多分析人員沒有介入有限元的建模工作，因此儘管分析結(jié)

2、果是和測試的結(jié)果有誤差，分析人員很難能在有偏差的有限元模型上做應(yīng)有的貢獻(xiàn)，更不要說增進(jìn)工作的效率。有限元模型是設(shè)計人員依照分析人員的要求，將CAD的焊點(diǎn)，焊綫，綫和面交給建模人員。若工況會導(dǎo)致焊點(diǎn)破裂，可以將焊點(diǎn)模擬成六毫米見方的固體單元，來顯示金屬鈑失敗。焊點(diǎn)是必需要投影在翻邊的面上以保證單元的一致性。前後擋風(fēng)玻璃和窗框之間是黏膠，設(shè)計人員應(yīng)該將擋風(fēng)玻璃的最下層面交給建模人員。黏膠可以用固體單元模擬，它的厚度就是擋風(fēng)玻璃底面和窗框金屬鈑間的空隙。軟件雖然有自我接觸面的算法，最好是選擇性的應(yīng)用。建模時應(yīng)順便將接觸面，被接觸面一對一對的建立。1）、車輛有限元分析鈑金零件模擬的單元是採用目前公認(rèn)精

3、確度最佳的MITC4殼單元（ADINA，ANSYS，LSDYNA 都有MITC4殼單元）。MITC4單元應(yīng)有的特性是：不用特殊殼原理。不會有單元變形而能量不變的缺陷。在薄鈑分析中沒有抱死現(xiàn)象。沒有可調(diào)節(jié)的參數(shù)。精確度不會因網(wǎng)格形狀而受影響（NEWTON COTES FORMULAS）。是全集分單元（GAUSS FORMULAS）。薄殼分析需用十六節(jié)點(diǎn)單元，單元形成應(yīng)可延伸至低次單元，即三節(jié)點(diǎn)單元有兩高式（GAUSS）積分點(diǎn)，四節(jié)點(diǎn)單元有三高式（GAUSS）積分點(diǎn)。 2）、每個零件的FE模型建立在幾何模型的中面。如果CAD模型為實(shí)體模型應(yīng)抽取中面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如果原CAD數(shù)模是上表面或下表面時，

4、網(wǎng)格劃分完后單元應(yīng)偏移到中面。 3）、不允許有單元貫穿中心對稱面，位于對稱中面的單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)布置在對稱中心。 4）、統(tǒng)一單位制為：毫米（mm）、秒（s）、噸（t）、牛頓（N）。 5）、同一厚度的零件，也要有個別的PID，該零件的PID應(yīng)是唯一的，不同厚度的零件和不同材料的零件應(yīng)分割成相應(yīng)的Part并賦予相應(yīng)的PID。 6）、每個零件及相應(yīng)的屬性特征命名規(guī)則如下：PID_零件名稱、SID_零件名稱、MID_零件名稱。 7）、每個Part對應(yīng)唯一的單元特征屬性（SID）和唯一的材料屬性（MID），且對應(yīng)的ID號碼相同即：PID=SID=MID。8）將主導(dǎo)的整車有限元模型分別應(yīng)用于不同的碰撞分析。左右

5、主導(dǎo)分析的有限元模型可以依據(jù)不同的踫撞分析工況再予以區(qū)域性的細(xì)分。所有的非綫性分析軟件都有自我接觸面，但是不宜濫用；建議花點(diǎn)時間建立傳統(tǒng)的一對對接觸面和被接觸面。接觸面和被接觸面的網(wǎng)格大小應(yīng)相當(dāng)。零件在衝壓後的厚度是不均勻的，在耐疲勞試驗(yàn)和踫撞試驗(yàn)中，往往金屬失敗處鈑金厚度是比同部件較薄；最理想的有限元模型是鈑金衝壓後的成品，3、 網(wǎng)格劃分要求觀察網(wǎng)格粗細(xì)之收斂，是與單元的質(zhì)量，單元的形成方式有關(guān)，是與單元厚度上的積分點(diǎn)數(shù)目有關(guān)，是與接觸面的公式化有關(guān)，加上焊點(diǎn)的模擬方法，和網(wǎng)格的走向都會對收斂構(gòu)成影響。網(wǎng)格太細(xì)則浪費(fèi)計算時間，網(wǎng)格太粗則祇能顯示出低階的曲率屈曲模態(tài)。網(wǎng)格的大小劃分是根據(jù)分析的

6、精確度要求而定，唯有用確定收斂的網(wǎng)格尺寸，分析的結(jié)果在這種狀態(tài)下才不會改變，纔有意義。正確的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小是可經(jīng)過多次預(yù)先分析，比較結(jié)果，或是由判斷變型圖的柔滑度得知。正規(guī)的做法是依照結(jié)構(gòu)分析後的等應(yīng)力綫的延續(xù)性光滑度為凖，要知道這過程是必要的。踫撞時會折疊的縱樑部位或是會折疊的車身部位，其接觸面的網(wǎng)格大小可以細(xì)分為一至三毫米，否則會影響變形位置破壞分析結(jié)果；關(guān)鍵是分析的質(zhì)量是不容折衷，單元的質(zhì)量按比例減低和單元的質(zhì)量按比例增加的做法是不允許的，因爲(wèi)計算時間的步驟是不容人爲(wèi)的折衷。1）、碰撞變形區(qū)域的網(wǎng)格平均長度為10mm，網(wǎng)格最小尺寸不小于5mm（零件結(jié)構(gòu)中有加強(qiáng)筋和槽的位置網(wǎng)格最小尺寸可為4

7、mm），網(wǎng)格最大長度不大于12mm。正面碰撞： A柱與B柱中間位置以前的所有鈑金零件（車門除外），包括縱梁、縱梁前段、防撞梁、翼子板支撐結(jié)構(gòu)等的平均單元長度為8 mm；側(cè)面碰撞：前后從A柱至C柱（包括A柱與C柱），橫向左半部所有零件及其某些零件的左半部（框內(nèi)的零件及其某些零件的框內(nèi)部分）；背面碰撞：C立柱（包括C立柱）以后的所有零件及其某些零件的后部（車門除外）。 2）、非碰撞變形區(qū)域的單元平均尺寸為15mm，最小網(wǎng)格尺寸不小于5mm。 3）、每個零件單元之間不許有穿透發(fā)生，整個FE模型進(jìn)行穿透檢測，不允許有穿透產(chǎn)生。穿透檢查時建議設(shè)置零件厚度系數(shù)為0.65。 4）、網(wǎng)格質(zhì)量要求ELEMENT

8、 GUIDELINESCriterionMust1Element Length - minimum5mm4mm2Aspect ratio2.03.03Warpage10< 154Jacobian0.65Skew ness45606QUAD element minimum internal angle45o40o7QUAD element maximum internal angle135o140o8TRIA element minimum internal angle30o20o9TRIA element maximum internal angle120o135o10Total num

9、ber of triangles5%l 每個零件網(wǎng)格劃分完成后，檢查網(wǎng)格質(zhì)量滿足上面要求；l 每個零件網(wǎng)格內(nèi)部不能有多余的自由邊出現(xiàn)l 每個零件的網(wǎng)格單元法向方向相同l 不允許有重復(fù)節(jié)點(diǎn)l 不允許有重復(fù)單元l 二個或者多個三角形單元不允許共用一個節(jié)點(diǎn)5）圓角處理網(wǎng)格允許小到一至兩毫米。l 圓角半徑小于4mm，圓角弧邊上不用劃分節(jié)點(diǎn)<4mml 圓角半徑大于55 mm，圓角弧邊上劃分二排或多排單元6）、翻邊處理l 焊邊上至少劃分二排單元l 為了保證焊點(diǎn)與單元垂直，應(yīng)該保證焊邊的初始形狀，焊邊單元不應(yīng)有多余的角度產(chǎn)生。7）、包邊和折疊結(jié)構(gòu)的處理l 對于車身結(jié)構(gòu)中四門二蓋以及其它結(jié)構(gòu)中有包邊和折

10、疊結(jié)構(gòu)，用五階層複合材料單元（即金屬鈑，薄膜，金屬鈑，薄膜，金屬鈑），金屬鈑間摩擦力可由摩擦系數(shù)和包邊的壓力算出。處理如下圖 所示。8）、孔的處理a) 螺栓孔對于螺栓連接孔，孔邊至少布置6個節(jié)點(diǎn)且節(jié)點(diǎn)個數(shù)為偶數(shù)，周圍做一圈washer。當(dāng)孔邊單元最小長度小于4mm時可以擴(kuò)大孔的直徑使其達(dá)到網(wǎng)格質(zhì)量要求。螺栓孔直徑小于5mm時，該孔可以直接去掉不模擬，但螺栓孔中心位置應(yīng)布置一節(jié)點(diǎn)為以后模型連接時使用。b) 鉚接孔處理用于鉚接的孔直接去掉不模擬9）、焊點(diǎn)模擬焊點(diǎn)在踫撞區(qū)域用六毫米見方的六面體單元模擬，其它部位的焊點(diǎn)可以鉸點(diǎn)模擬之。焊點(diǎn)單元采用MAT100的*Element_BEAM單元或者h(yuǎn)exa

11、六面體單元模擬，焊點(diǎn)材料屬性選用MAT100號材料模型。Element_BEAM或者h(yuǎn)exa六面體單元l 對于氣體保護(hù)焊結(jié)構(gòu)的連接，采用 TIED_NODES_TO_SURFACE的連接形式10）、膠粘模擬兩片金屬鈑夾膠黏膜可選擇能分層失敗的典型三層殼複合材料單元。擋風(fēng)玻璃模擬法可用三層（即玻璃，PVC，玻璃）及五層（即玻璃，PVC，玻璃，黑色黏膠，金屬鈑）的殼複合材料單元。請參照陳亨毅寫的“車輛耐疲勞分析”。l 對于車身中車門、發(fā)動機(jī)罩、后備箱蓋的內(nèi)外板部分連接采用膠粘結(jié)構(gòu)采用六面體實(shí)體單元模擬膠粘連接，材料賦予相應(yīng)的粘膠材料屬性。模型中實(shí)體單元與內(nèi)外板連接可以采用節(jié)點(diǎn)重合形式，也可以采用T

12、IED_NODES_TO_SURFACE 或者 TIED_SURFACE_TO_SURFACE連接l 前后擋風(fēng)玻璃采用橡膠連接結(jié)構(gòu)，采用六面體實(shí)體單元模擬橡膠連接，材料賦予相應(yīng)的橡膠材料屬性。模型中橡膠實(shí)體單元與車體連接可以采用節(jié)點(diǎn)重合形式，也可以采用TIED_NODES_TO_SURFACE或者 TIED_SURFACE_TO_SURFACE連接。l 膠粘連接同樣可以采用彈簧單元模擬連接，需設(shè)置XYZ三個方向的彈簧剛度。11）、鉸接鉸鏈大小形狀，因車而異；鉸鏈的功能是旋轉(zhuǎn)。在正常的踫撞工況絞鏈可用固體單元，或是鈑單元，加上一組接觸面。如是才可以正確地將部件間的力互相傳遞。對于車門絞鏈、底盤零

13、部件中涉及到的各種絞鏈連接結(jié)構(gòu)，相對應(yīng)的采用絞鏈單元模擬：CONSTRAINED_JOINT_SPHERICALCONSTRAINED_JOINT_REVOLUTECONSTRAINED_JOINT_CYLINDRICALCONSTRAINED_JOINT_PLANARCONSTRAINED_JOINT_UNIVERSALCONSTRAINED_JOINT_TRANSLATIONAL12）、零件幾何結(jié)構(gòu)模型中工藝加強(qiáng)筋和工藝槽的處理加強(qiáng)筋自有其功用，不可刪除。 對于碰撞變形區(qū)域的加強(qiáng)筋和工藝槽結(jié)構(gòu)盡量要保留其原始結(jié)構(gòu)形狀。 13）、斜邊的處理對于一些零部件的結(jié)構(gòu)存在斜邊，網(wǎng)格劃分過程中應(yīng)使網(wǎng)格

14、的走向與邊界垂直。網(wǎng)格的走向應(yīng)依據(jù)踫撞時的應(yīng)力波的方向，或是垂直，或是平行。二、底盤、動力傳動系統(tǒng)模型建模要求請參照陳亨毅寫的“車輛耐疲勞分析”。一般要求掌握好部件的模擬是必要的。因爲(wèi)前面部件的變形影響到後面部件變形的位置和時段，影響到車輛踫撞峰值的時段；對感應(yīng)器是極爲(wèi)關(guān)鍵。發(fā)動機(jī)的安裝墊，螺栓材料，襯套的屬性，泡沫，塑料，複合材料等材料的測試數(shù)據(jù)是不可缺少的。要確定每個部件的重量和重心和實(shí)物一致。要確定每個部件間的連接，部件與車身連接是和實(shí)物一致。要確定力的傳導(dǎo)方向不發(fā)生偏差；橡膠墊，連桿，橡膠襯套應(yīng)該用固體單元模擬。橡膠襯套的金屬面和橡膠連接地方是分不開的，可採用同一節(jié)點(diǎn)。原則上副車架是使

15、用固體單元模擬，在固體單元不可避免的細(xì)小時，可用剛體單元取代。一對對接觸面的建立是必要的。· 底盤和動力傳動系統(tǒng)模擬模型的建立時，每個零部件應(yīng)分割成不同的Part，并且每個Part賦予相應(yīng)的材料屬性。每個Part的屬性ID號碼相同即：PIDSIDMID。· 底盤和動力傳動系統(tǒng)可以分割成如下的幾個部件總成模型：1）、發(fā)動機(jī)：主要包括發(fā)動機(jī)主體、發(fā)動機(jī)進(jìn)油管路、發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、水泵、過濾器、蓄電池、剎車助理器、ABS、齒輪箱、差速器、傳動軸等。2）、排氣系統(tǒng)：提取器、管路、接觸轉(zhuǎn)換器、消聲器、固定支架等。3）、冷卻系統(tǒng)：散熱器、風(fēng)扇、風(fēng)扇支架等4）、發(fā)動機(jī)安裝點(diǎn)5）、轉(zhuǎn)向系

16、統(tǒng)6）、前、后副車架7）、前、后懸掛系統(tǒng)和輪胎剎車系統(tǒng)網(wǎng)格劃分要求1. 發(fā)動機(jī)· 對于發(fā)動機(jī)、變速箱等比較大的結(jié)構(gòu)，抽取發(fā)動機(jī)和變速箱的外表面，并適當(dāng)簡化，網(wǎng)格基本尺寸為1520mm。 發(fā)動機(jī)和變速箱等本體在分析中作為剛體處理，但必須保證單元質(zhì)量，可以作適當(dāng)?shù)膸缀魏喕幚?#183; 對有安裝支架的蓄電池、ABS、過濾器等零部件，安裝支架需抽取幾何中面，保證其實(shí)際的厚度。網(wǎng)格質(zhì)量要保證。劃分網(wǎng)格的基本尺寸10mm，最小單元尺寸需大于5mm。2.排氣系統(tǒng)· 排氣管、接觸轉(zhuǎn)換器、提取器等抽取零件的幾何中面保證其實(shí)際厚度。消聲器抽取外表面模擬。排氣系統(tǒng)零件的連接采用節(jié)點(diǎn)重合方式。

17、劃分網(wǎng)格基本尺寸為10mm 3、冷卻系統(tǒng) 網(wǎng)格劃分基本尺寸為10mm 風(fēng)扇、風(fēng)扇框架、風(fēng)扇固定支架采用殼單元模擬。 冷卻器和散熱器采用六面體solid單元模擬，至少保證3層實(shí)體單元，使用蜂窩材料屬性Honeycomb。4. 發(fā)動機(jī)安裝點(diǎn)網(wǎng)格劃分基本尺寸為10mm· 發(fā)動機(jī)安裝結(jié)構(gòu)抽取幾何中面，保證單元質(zhì)量。橡膠墊和液壓阻尼采用彈簧單元模擬5、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抽取轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件的外表面，采用殼單元模擬。保證單元質(zhì)量，網(wǎng)格劃分基本尺寸為10mm。6）、前、后副車架 主要采用殼單元模擬，抽取零件的中面，網(wǎng)格劃分基本尺寸10mm，最小單元尺寸為5mm。7、前、后懸架和輪胎剎車系統(tǒng)懸架的螺旋彈簧與彈簧

18、座接觸區(qū)域，必須以固體單元加上接觸面和被接觸面的模擬。材料數(shù)據(jù)可向材料供應(yīng)商索取，有限元模型包括輪胎的性能必需要和測試數(shù)據(jù)相符。 前、后懸架主要采用殼單元模擬，抽取零件的外表面，網(wǎng)格劃分基本尺寸10mm。剎車盤采用實(shí)體單元模擬，輪胎采用殼單元模擬抽取外表面。 三、座椅模型建模要求座椅海棉： 座椅海面、靠背海棉和頭枕采用五面體和六面體實(shí)體單元模擬，單元平均尺寸為20mm，最小單元尺寸為4mm，翹曲小于15度。 座椅骨架· 座椅骨架模型的網(wǎng)格尺寸為10mm。· 座椅骨架的所有部件抽取中面建立模型，每個部件采用真實(shí)的厚度。三、內(nèi)、外飾模型建模要求1、 正面碰撞模型的內(nèi)、外飾件包括前保險杠、儀表板。采用10MM