面向車輛滾翻的運動姿態(tài)協(xié)同仿真環(huán)境研究

1、面向車輛滾翻的運動姿態(tài)協(xié)同仿真環(huán)境研究摘 要：為解決車輛滾翻研究過程中有限元仿真面臨的計算效率和精度問題，參照美國FMVSS208平臺車試驗條 件，分別進行了車輛滾翻多剛體動力學(xué)和有限元仿真研究：基于滾翻過程中車輛運動姿態(tài)對兩種仿真方法之間進 行運動學(xué)數(shù)據(jù)交換，形成面向車輛滾翻的運動姿態(tài)協(xié)同仿真方法.結(jié)果表明，該方法可以利用多剛體動力學(xué)仿真 替代有限元仿真中部分運動學(xué)計算過程，在有限元仿真精度基礎(chǔ)上提高有限元仿真效率，為研究車輛滾翻安全性 提供了新的思路和技術(shù)途徑：關(guān)鍵詞：車輛滾翻;多剛體動力學(xué)仿真;顯式有限元仿真;協(xié)同仿真Research on Collaborative Motion Si

2、mulation Environmentfor Vehicle RolloverAbstract: In order to solve the problem of computational efficiency and accuracy of finite element simulation in vehicle ro l l over research，multi?rigidbody dynamics and finrte e l ement simu l ation of vehicle roliing were carried out respectively based on t

3、he test conditions of FMVSS208 platform vehicles i n the Un i ted States. Considering the k i nemat i c data exchange between the two s mulaton methods of vehcle movement atttude -n the rollng process，a cooperatve s mulaton method of the motion attitude of vehicle rolling was presented. The results

4、show that the method can take the advantage of mult rgd body dynamcs s mulaton to replace some knematc calculaton process -n fnte element s mulaton， mprove the effcency of fnte element s mulaton on the bass of fnte element s mulaton accuracy，and provde a new technology way for the study of vehcle ro

5、llover safety.Key words: vehicle rollover; multrigid body dynamcs simulation； explicit finite element simulation； cooperative simulation近年來，汽車滾翻研究備受重視，相關(guān)汽車滾 翻研究結(jié)果也為汽車滾翻安全性的提高提供了巨 大幫助目前，基于整車滾翻的試驗研究雖然較 多，但滾翻過程伴隨大幅度和多自由度運動，試驗 實施過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集困難，車輛破壞 嚴(yán)重，試驗可重復(fù)性低，造成試驗研究的成本過 大，并且試驗偶然因素影響太強，無法通過極少量 的試驗來進行完全的驗

6、證和評價，因此各類試驗 研究都不具有代表性，采用較多的是美國平臺車 試驗.利用仿真技術(shù)進行整車滾翻過程仿真模擬, 可以提高研究效率、縮減研究成本，更能大幅度提 升車輛的安全性能，相對于試驗研究的實施難度， 滾翻仿真研究體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢.在車輛滾翻仿真研究中，目前分為兩種方法即 多體動力學(xué)仿真研究方法和有限元仿真研究方法. 多剛體動力學(xué)乘員損傷研究模型計算效率較高，但 無法得出車體變形情況以及乘員具體損傷機( 關(guān)于有限元方法的研究，針對某些特定影響因素的 研究建模較多，并且研究邊界條件多集中于美國平 臺車滾翻試驗有限元模型需要離散化，可以研 究車輛滾翻中車體變形情況，便于研究車內(nèi)關(guān)鍵部 位防護和乘

7、員損傷機(，但顯式動力學(xué)有限元方 法是一種迭代計算，不適合應(yīng)用于持續(xù)時間長的滾 翻仿真，在滾翻仿真超過1 S后其計算結(jié)果可信度 較低，且計算成本較高，仿真中的計算精度和計算效 率問題是有限元應(yīng)用于滾翻計算的難題.因此，為利用有限元仿真進一步研究整車滾翻 過程中車體結(jié)構(gòu)和乘員損傷機(，結(jié)合上述兩種方 法的優(yōu)點，基于美國FMVSS208法規(guī)提出多體動力 學(xué)仿真和有限元仿真協(xié)同仿真方法研究，驗證了方 法可行性，利用多剛體動力學(xué)仿真效率高的優(yōu)點取 代有限元仿真中部分運動學(xué)計算過程，減少有限元 仿真計算時間，避免有限元仿真因為時長過長而造 成的精度問題，從而提高有限元仿真效率的同時保 證有限元仿真精度.

8、1車輛滾翻動力學(xué)仿真方法1滾翻邊界條件美國在研究汽車滾翻方面相繼頒布了一系列聯(lián) 邦機動車法規(guī)，其中動態(tài)滾翻試驗FMVSS208中規(guī) 定了車輛平臺車滾翻模擬試驗實施過程逍，此法規(guī) 雖然不具有強制性，但相關(guān)車輛碰撞性能認定機構(gòu) 多采用此方法進行抗車輛滾翻性能驗證，相關(guān)的仿 真研究也大部分基于此邊界條件.試驗裝置如圖1 所示.試驗規(guī)定，翻車平臺以48. 28 km/h的恒速垂 直于汽車縱向軸水平運動，并且在足夠長的時間里 讓汽車與平臺達到相對靜止，平臺在距離不足7. 62 cm長度內(nèi)從48. 28 km/h速度減為0,減速度至少 20 g,最短時間為0. 04 s$8%.圖1平臺車試驗Fig. 1

9、Plat/orm vehicle testL2多體動力學(xué)模型多體動力學(xué)是研究多體系統(tǒng)運動規(guī)律的科學(xué), 主要研究在力的作用下，物體的運動與運動中產(chǎn)生 的力的關(guān)系，包括多剛體動力學(xué)和多柔體動力學(xué)，根 據(jù)力學(xué)基本原理推導(dǎo)的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型相同.其動 力學(xué)方程形式為拉格朗日坐標(biāo)陣的二階微分方程 組，即A(,q,t)q =,( 1 )式中q為所有U的拉格朗日坐標(biāo)陣.對于多剛體模型，選質(zhì)心為基點時，剛體的絕對 運動可分解為隨同質(zhì)心的平動和繞質(zhì)心的相對轉(zhuǎn) 動，根據(jù)質(zhì)心運動定(即可得質(zhì)心運動方程；根據(jù)對 質(zhì)心的相對動量矩定(，得質(zhì)心轉(zhuǎn)動動力學(xué)方程組JS= + (Jc , JB)wrwq = 2?- (F,),6

10、=13% JbS $ (J N Jc)SpSr = 2?t (F6 , ( 2 )i=13JcSr + (Jb J/)% = 2?T (Fi).i= 1式中:Jn , Jb, Jc為剛體中心主轉(zhuǎn)動慣量*-,3,4 為剛體固連坐標(biāo)系分量*Sp,Sq,叫是剛體角速度 在固連中心主軸系各軸上分量其中，Sp,Sq,Sr與 歐拉角之間的歐拉運動學(xué)方程為%= = 0 sin * sin( $ * cos 甲,% sq = 0 sin * cos( _ * sin( 3 )Sr = 0 cos * $ (.式中0,*，(為歐拉角.上述方程聯(lián)合在一起即為多 剛體一般運動的微分方程.根據(jù)上述平臺車標(biāo)準(zhǔn)建立多剛體

11、動力學(xué)模型, 如圖2所示，模型主要包括整車模型、翻車平臺和地 面模型，通過運動副建立整車各部分之間的連接關(guān) 系，建立車與翻車平臺、車與地面之間的接觸關(guān)系, 按照邊界條件定義模型各部件之間相對運動關(guān)系.圖2多剛體模型Fig. 2 Multi-body model1.3有限元模型有限元分析核心是解決動力學(xué)方程問題，目前 主要采用時域分析法中的逐步積分法對動力學(xué)方程 進行求解逐步積分法根據(jù)算法的不同又有隱式 和顯式之分，汽車碰撞分析中主要采用顯式算法，本 文主要運用顯式算法的中心差分法進行求解.其動 力學(xué)方程為M8+) +C8+) +K8+) = P+),(4 )式中：K為總體剛度矩陣;M為總體質(zhì)量

12、矩陣(+) 為節(jié)點位移矩陣(+)為節(jié)點速度矩陣(+)為節(jié) 點加速度矩陣P+)為節(jié)點載荷矩陣.對上述方程利用差分法求解t + +t時刻的位 移得：M(= p(t),-,1%m = 土 m+ac !2+ ) m+) P()- (K-*+)( 分別在Adams和Ls _dyna中進行仿真計算.對剛 體車身，以整車滾翻與地面第一次接觸時姿態(tài)為截 止?fàn)顟B(tài)，計算中可以看出有限元仿真單機運行計算 時間約為兩小時，時長比多剛體動力學(xué)仿真時長大 12倍以上.對多剛體動力學(xué)計算結(jié)果與有限元計 (結(jié)果中整車滾翻軌跡進行比較，如圖3所示.軌 跡為平臺車開始減速，整車發(fā)生滾翻至第一次與地 面接觸過程.為使兩種仿真結(jié)果便

13、于比較，結(jié)果以 平臺車開始減速時刻為0時刻.圖3整車滾翻軌跡Fig 3 Rollover track o/ the entire vehicle由仿真軌跡可以看出，在相同的邊界條件下，兩種 仿真過程中整車模型滾翻過程中軌跡幾乎完全相同； 過程中車輛滾翻姿態(tài)相同,車身觸地部位相同；整車模 型都是在平臺車擋板拌翻之后進行多自由度運動，整 車在發(fā)生一定上拋運動的同時繞自身轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，在 距離平臺車速度減為零后一定距離與地面發(fā)生第一次 觸地碰撞;碰撞位置都位于駕駛員左上側(cè)頂蓋位置.M( ：建立與多剛體運動學(xué)模型相對應(yīng)的整車有限元實體模型.為避免剛體發(fā)生完全彈性碰撞，平臺車 和地面有限元模型設(shè)為柔性體.

14、建立相應(yīng)部件之間的連接關(guān)系、接觸關(guān)系和運動關(guān)系.2運動姿態(tài)協(xié)同仿真方法研究# 1協(xié)同仿真方法可行性研究將上述建立的多剛體動力學(xué)模型和有限元模型7有限元仿真X方向0.0 0.10.2 0.3 0.4 0.50.6 0.7s圖4M( ：建立與多剛體運動學(xué)模型相對應(yīng)的整車有限元實體模型.為避免剛體發(fā)生完全彈性碰撞，平臺車 和地面有限元模型設(shè)為柔性體.建立相應(yīng)部件之間的連接關(guān)系、接觸關(guān)系和運動關(guān)系.2運動姿態(tài)協(xié)同仿真方法研究# 1協(xié)同仿真方法可行性研究將上述建立的多剛體動力學(xué)模型和有限元模型7有限元仿真X方向0.0 0.10.2 0.3 0.4 0.50.6 0.7s圖4整車位移變化曲線Fig 4 V

15、ehicle displacement curve有限兀仿真有限兀仿真X方向多剛體仿真X方向 -有限元仿真K方向多剛體仿真K方向 -有限元仿真Z方向多剛體仿真Z方向0.00.10.20.30.40.50.60.7t/s圖5整車速度變化曲線Fig. 5 Vehicle velocity curve圖6整車角速度變化Fig. 6 Vehicle angular velocity curve多剛體動力學(xué)仿真中整車模型從平臺車開始減 速時刻起約0. 726 S后與地面發(fā)生接觸碰撞，有限元 中整車模型從平臺車減速起約0. 7 s后與地面接觸. 以平臺車開始減速位置為參考，兩種仿真中車身質(zhì)心 速度相近，位

16、移變化曲線中Z方向位移在第一次落地 前出現(xiàn)微小差距，車身轉(zhuǎn)動角速度差別很小.根據(jù)運動學(xué)參數(shù)比較，兩種仿真結(jié)果中運動學(xué) 參數(shù)基本一致，多剛體動力學(xué)可以替代有限元運動 學(xué)計算過程.2車輛滾翻姿態(tài)協(xié)同仿真流程通過以上仿真結(jié)果中整車滾翻姿態(tài)、運動參數(shù) 的比較，可以看出，滾翻過程中，在車輛與地面接觸 之前，車輛本身只進行空間運動，不存在受力形態(tài)和 變形情況，而有限元仿真中這部分運動過程計算占 據(jù)巨大計算時間,若是考慮車身變形，在有限元中車 身必定作為柔性體進行計算，所需的時長會更多，無 疑增加了時間成本.在車輛滾翻未與地面接觸的空 翻過程，可以使用多剛體動力學(xué)分析替代有限元分 析，通過多體動力學(xué)仿真結(jié)果

17、中車輛運動參數(shù)作為 有限元仿真后續(xù)計算邊界，從而實現(xiàn)協(xié)同仿真環(huán)境. 提出車輛滾翻姿態(tài)協(xié)同仿真方法，協(xié)同仿真流程如 圖7所示.圖7協(xié)同仿真流程Fig. 7 Co-simulation process在車輛滾翻仿真研究中，在車輛只有純運動不 涉及結(jié)構(gòu)變形階段，通過建立研究對象的多體動力 學(xué)模型先進行多體動力學(xué)仿真，根據(jù)多體動力學(xué)運 動學(xué)計算結(jié)果，獲取車輛在滾翻觸地之前某一時刻 的運動姿態(tài)和相關(guān)運動學(xué)參數(shù).建立與之對應(yīng)的有限元模型，根據(jù)多體動力學(xué) 仿真獲取的運動姿態(tài)調(diào)整有限元模型初始計算姿 態(tài)，輸入多體動力學(xué)仿真獲取的相關(guān)運動學(xué)參數(shù)建 立初始邊界條件，替代有限元仿真中碰撞前的運動 學(xué)計算過程，直接進

18、行碰撞中動力學(xué)計算，從而更好 地進行車輛滾翻運動形式及其結(jié)構(gòu)損害和乘員損傷 機理研究.這種協(xié)同仿真可以很好地提高有限元仿 真計算效率.3姿態(tài)協(xié)同仿真結(jié)果分析1協(xié)同仿真精度和計算效率驗證在整車滾翻過程中車輛接觸地面之前整車屬于 空翻運動過程，車體自身除受重力和運動慣性力之 外，不承受外界力.根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果由，在車輛接 觸地面之前,有限元分析中車體內(nèi)部應(yīng)力場分布顯 示應(yīng)力梯度較小，）處于彈性階段，車體各部件的連 接完好，各部件均未發(fā)生明顯變形和失效破壞現(xiàn)象, 因此對于車身整體運動而言，并未體現(xiàn)明顯柔性體 和剛性體差別，故可在整車與地面接觸之前的空翻 運動過程中將車體作為剛體處理.由于無法直接實現(xiàn)

19、多剛體動力學(xué)軟件和有 限元軟件之間仿真結(jié)果的直接對接，因此協(xié)同仿 真中必須對多剛體動力學(xué)結(jié)果進行處理后，人為 輸入有限元中進行再次計算.根據(jù)初次多剛體動 力學(xué)仿真結(jié)果，提取整車在觸底前某一時刻的初 始參數(shù).由上述多剛體動力學(xué)仿真結(jié)果可以看出車輛約 在平臺車開始減速后約0. 73 s時觸地，在協(xié)同仿真中輸入時刻選取在觸地之前的某一時刻.本次仿真 中選取平臺車開始減速之后0. 7 s時刻的姿態(tài)及參 數(shù)作為輸入，獲取的姿態(tài)參數(shù)中歐拉角參數(shù)如表1 所示，獲取的車身質(zhì)心運動參數(shù)如表2所示.表1車輛姿態(tài)參數(shù)進動角0/0自轉(zhuǎn)角p/c)章動角81.8157.6994 70表2車身質(zhì)進動角0/0自轉(zhuǎn)角p/c)章

20、動角81.8157.6994 70表2車身質(zhì)心運動參數(shù)Tah 2Parameters of body masscenterMx7. 301 35 0.161 134. 921 580. 849. 894 81Tah 1 Parameters of vehicle posture0.00 0.050.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/s有限元仿真X方向 有限元仿真丫方向 -有限元仿真z方向0.00 0.050.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/s有限元仿真X方向 有限元仿真丫方向 -有限元仿真z方向曲向彳方置X方荷 伽同所真滂向 協(xié)同仿真Z方向有限元仿真X方向 一-有

21、限元仿真丫方向 -有限元仿真Z方向協(xié)同仿真 X方向 協(xié)同仿真y方向協(xié)同仿真Z方向圖10碰撞前后整車速度變化Fig 10 Vehicle speed before and after collision圖8協(xié)同仿真姿態(tài)輸入Fig. 8 Ccrsimulation input posture根據(jù)協(xié)同仿真計算結(jié)果，將整車第一次觸地碰 撞前后滾翻軌跡與有限元仿真計算結(jié)果進行比較. 軌跡從協(xié)同仿真初始開始，在整車與地面發(fā)生第一 次碰撞后至與地面發(fā)生第二次接觸前某時刻停止. 為使兩種仿真結(jié)果便于比較，結(jié)果以協(xié)同仿真初始 輸入時刻為 0 時刻.由仿真結(jié)果得知，通過多剛體動力學(xué)提取的結(jié) 果參數(shù)作為協(xié)同仿真初始

22、輸入后，得到的車身軌跡 與單一有限元計算出的車身軌跡能夠很好貼合，車 身在第一次觸地彈起后的運動姿態(tài)雖有較小差異! 但兩種分析結(jié)果中整車都有相同的運動趨勢，車身 第二次碰撞點發(fā)生區(qū)域基本相同.為了驗證聯(lián)合仿真方法能夠保證有限元仿真的 精度基礎(chǔ)，根據(jù)仿真計算結(jié)果，對與地面撞擊前后的 整車進行運動參數(shù)進行對比，對比結(jié)果如圖912 所示.%有限元仿真X有限元仿真X方向 一-有限元仿真丫方向 -有限元仿真Z方向協(xié)同仿真 X方向 協(xié)同仿真y方向協(xié)同仿真Z方向圖10碰撞前后整車速度變化Fig 10 Vehicle speed before and after collision圖8協(xié)同仿真姿態(tài)輸入Fig.

23、 8 Ccrsimulation input posture根據(jù)協(xié)同仿真計算結(jié)果，將整車第一次觸地碰 撞前后滾翻軌跡與有限元仿真計算結(jié)果進行比較. 軌跡從協(xié)同仿真初始開始，在整車與地面發(fā)生第一 次碰撞后至與地面發(fā)生第二次接觸前某時刻停止. 為使兩種仿真結(jié)果便于比較，結(jié)果以協(xié)同仿真初始 輸入時刻為 0 時刻.由仿真結(jié)果得知，通過多剛體動力學(xué)提取的結(jié) 果參數(shù)作為協(xié)同仿真初始輸入后，得到的車身軌跡 與單一有限元計算出的車身軌跡能夠很好貼合，車 身在第一次觸地彈起后的運動姿態(tài)雖有較小差異! 但兩種分析結(jié)果中整車都有相同的運動趨勢，車身 第二次碰撞點發(fā)生區(qū)域基本相同.為了驗證聯(lián)合仿真方法能夠保證有限元仿

24、真的 精度基礎(chǔ)，根據(jù)仿真計算結(jié)果，對與地面撞擊前后的 整車進行運動參數(shù)進行對比，對比結(jié)果如圖912 所示.%有限元仿真X方向”：:土有限兀仿真Y方向.fy：有限元仿真z方向卜-協(xié)同仿真x方荷f Pg!協(xié)同仿真Y方向5 j J!協(xié)同仿真Z方向!0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30t/s圖11碰撞前后整車角速度變化Fig 11 Vehicle angular velocity before and after coliision有限元仿真-協(xié)同仿真0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35t/s圖12整車與地面碰撞撞擊力曲線Fig, 12

25、Curve impact force between vehicle and ground協(xié)同仿真能夠保證有限元仿真的運動學(xué)精度基 礎(chǔ).上述模型協(xié)同仿真中單機運行計算時長約為 1 h,相比單一有限元計算時間節(jié)約60%以上.為了進一步驗證協(xié)同仿真精度和計算效率，建 立某型輕型越野車有限元模型如圖13所示，模型包 含殼單元和實體網(wǎng)格，整車有限元模型網(wǎng)格單元數(shù) 量為1 909 522,節(jié)點數(shù)為2 063 873.網(wǎng)格單元尺寸為 1020 mm, Jacobi值大于0. 65,翹曲度小于15.圖13有限元模型Fig. 13 FEA model在相同邊界條件下進行柔性體車身和剛體車身 滾翻仿真,柔性體車身中不考慮焊接部位（效，整車 與地面之間采用面面接觸，整車各部件之間采用自 接觸,設(shè)置計算時間為3 s,采用單機計算.通過計算過程可以看出，在求解器中設(shè)置相同