林圣存，沈光烈

（廣西科技大學(xué)汽車工程研究所，廣西柳州545006）

駕駛室模型質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)CAE分析結(jié)果的影響

林圣存，沈光烈

（廣西科技大學(xué)汽車工程研究所，廣西柳州545006）

以由板殼式結(jié)構(gòu)組成的某平頭卡車駕駛室模型為例，探討模型質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生的重大影響.依據(jù)ECE-R29-03版法規(guī)里的分析項(xiàng)目，運(yùn)用Hyperworks和Ls-dyna這2款主流有限元分析軟件，針對(duì)駕駛室模型質(zhì)量好與壞的2種情況，對(duì)駕駛室進(jìn)行CAE建模和分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)含有大量網(wǎng)格交叉和滲透的駕駛室模型，計(jì)算結(jié)果不符合物理邏輯，嚴(yán)重偏離正確方向.證明了高質(zhì)量模型能夠?qū)︸{駛室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供更加可信的理論依據(jù)，引導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)沿著正確的方向進(jìn)行.

駕駛室；交叉；滲透；CAE分析；曲線

0　引言

由于市場(chǎng)對(duì)卡車的駕駛室設(shè)計(jì)提出更高的要求，歐洲隨即出版了《商用車駕駛室防護(hù)》ECE-R29-03版.目前，國(guó)內(nèi)外大部分廠家以ECE-R29-03版法規(guī)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行駕駛室的設(shè)計(jì)，因此，駕駛室的CAE分析必須在新法規(guī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行.CAE建模時(shí)，駕駛室模型質(zhì)量太差，對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生重大影響，有時(shí)會(huì)造成重大錯(cuò)誤，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向嚴(yán)重偏離.采用hyperworks做前處理，Ls-dyna做求解器，這種大變形、大位移的駕駛室CAE分析［1］，必然要求駕駛室模型不允許出現(xiàn)干涉、交叉和滲透.計(jì)算證明，出現(xiàn)干涉、滲透的駕駛室模型，計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重錯(cuò)誤.修改駕駛室模型后，提高駕駛室模型質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果的能量曲線符合物理邏輯.

在CAE分析過(guò)程中，查閱了國(guó)內(nèi)外的諸多文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)關(guān)于模型質(zhì)量要求對(duì)駕駛室碰撞影響的報(bào)道極少.為此，文章通過(guò)對(duì)某卡車駕駛室模型質(zhì)量好壞的CAE分析計(jì)算，說(shuō)明模型質(zhì)量好壞對(duì)仿真結(jié)果的影響.這有利于對(duì)駕駛室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，提高CAE分析效率，為該方面的工作提供必要的參考.

1　駕駛室CAE分析的內(nèi)容

依據(jù)ECE-R29-03版法規(guī)的要求，對(duì)某卡車駕駛室進(jìn)行建模和計(jì)算［2］.駕駛室模型來(lái)源于某重型平頭卡車的駕駛室.該平頭卡車總質(zhì)量在7.5 t以上，屬于N3類卡車.對(duì)于正面碰撞分析，正面打擊駕駛室的能量為55 kJ.對(duì)于頂蓋強(qiáng)度分析，先做側(cè)面20度角的打擊，打擊能量為17.6 kJ，再進(jìn)行頂部壓潰.在進(jìn)行頂部壓潰時(shí)，壓力大于前軸靜載荷，但最大為10 t.

2　模型的干涉與滲透

模型的干涉與滲透現(xiàn)象，多發(fā)生于由沖壓鈑金件點(diǎn)焊而成的客車車身骨架，文章中的駕駛室骨架，就屬于該種類型.仔細(xì)觀察該例的駕駛室模型，發(fā)現(xiàn)模型多處地方出現(xiàn)干涉與滲透.這種干涉與滲透的出現(xiàn)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真，不能為后期判斷提供準(zhǔn)確的依據(jù)，必須對(duì)模型進(jìn)行處理與質(zhì)量?jī)?yōu)化.

2.1模型的干涉處理

模型的干涉定義為：模型中任意2個(gè)或2個(gè)以上的部件發(fā)生交叉的現(xiàn)象［3］.在有限元模型中，模型的干涉具體表現(xiàn)為網(wǎng)格單元的相互交叉.在Ls－dyna中，如果定義需要相互交叉的網(wǎng)格單元有接觸關(guān)系，則計(jì)算后相應(yīng)部件的接觸關(guān)系容易失效或者混亂，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算后的沙漏能增加.

在Hyperworks前處理中，利用intersection功能，對(duì)駕駛室模型進(jìn)行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)干涉的地方共有89處.如圖1所示，為本例駕駛室模型發(fā)生干涉的其中一部分.

圖1　模型中干涉的地方（部分）Fig.1 Interference in the model（part）

圖2　修改前Fig.2 Before modification

圖3　修改后Fig.3 After modification

對(duì)于干涉的處理，利用Hyperworks的前處理中Translate面板，調(diào)整干涉部分的節(jié)點(diǎn)或單元，保證發(fā)生干涉的2個(gè)部件之間合理布置，不發(fā)生交叉.

對(duì)干涉的地方進(jìn)行處理，有效提高了模型質(zhì)量.如圖2～圖3所示為修改前后的模型，修改后模型的干涉現(xiàn)象明顯消失.

2.2模型的滲透處理

模型的滲透定義為模型中殼單元的材料厚度發(fā)生重疊.大量的滲透，模型必然出現(xiàn)滲透節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致不合物理邏輯的接觸，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大的滑移界面能，造成計(jì)算結(jié)果失真.在Hyperworks前處理，利用penetration功能，對(duì)駕駛室模型進(jìn)行滲透檢查，發(fā)現(xiàn)滲透的地方共有102處，其中，滲透量大于3mm的地方共有52處，滲透的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為1.7×104個(gè).

對(duì)于滲透的處理，首先，在CAD建模過(guò)程中，保證各鈑金件間有合理的間隙，避免出現(xiàn)滲透；其次，利用Hyperworks前處理工具，修改模型中發(fā)生滲透的網(wǎng)格單元或部件；最后，對(duì)于滲透量在3mm以內(nèi)的地方，因?yàn)闈B透量小，而且修改難度大，可以通過(guò)設(shè)置Ls－dyna中的卡片參數(shù)，來(lái)解決模型的滲透問(wèn)題［4］.

通過(guò)修改模型，導(dǎo)致其中滲透量大于3mm的問(wèn)題單元已經(jīng)消失.再次檢查模型滲透，發(fā)現(xiàn)滲透的地方共有38處，滲透量大于3mm的地方0處，其中滲透的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為6000多個(gè)，相比修改前，減少了1.1×104個(gè).

3　模型修改前后正面碰撞分析結(jié)果對(duì)比

3.1正面碰撞CAE建模

根據(jù)駕駛室構(gòu)造是由沖壓鈑金件點(diǎn)焊而成的特點(diǎn)，對(duì)其劃分網(wǎng)格，主要是采用四節(jié)點(diǎn)板殼單元.對(duì)于某些不規(guī)則的部件，采用三角形單元和四邊形單元結(jié)合進(jìn)行網(wǎng)格劃分［5］.建模后的駕駛室模型，共有部件236個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)量1.825×106個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)8.028×105個(gè).

在《商用車駕駛室防護(hù)》ECE－R29－03版中，對(duì)擺錘做了明確的說(shuō)明：擺錘的質(zhì)量不少于1 500 kg，擺錘的撞擊面應(yīng)為平整的矩形，寬2 500mm，高800mm，擺錘總成為剛性結(jié)構(gòu).根據(jù)法規(guī)里提供的參數(shù)，建立擺錘模型如圖4所示，其中擺錘的質(zhì)量為1 500 kg.

2003版法規(guī)對(duì)擺錘的撞擊能量做了明確說(shuō)明，具體為：擺錘應(yīng)從前向后的方向撞擊駕駛室的前部，撞擊方向應(yīng)為水平方向且平行于車輛的縱向中心平面.對(duì)于最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于7 t的車輛，撞擊的能量應(yīng)為55 kJ.正面擺錘在垂直撞擊駕駛室的瞬間，其初始碰撞速度按公式E＝1／2mv2計(jì)算［6］.式中，E為擺錘的撞擊能量，m為擺錘質(zhì)量，取E=55 kJ，m=1 500 kg，代入公式，計(jì)算可得擺錘初始碰撞速度為v＝8 563.5mm／s.

駕駛室正面碰撞的CAE分析，模型計(jì)算的物理時(shí)間為0.5 s，分別進(jìn)行了駕駛室模型修改前和修改后的計(jì)算.本次使用的計(jì)算機(jī)硬件配置為64G的內(nèi)存和16線程的CPU，其中駕駛室模型修改前的計(jì)算時(shí)間共26 h14min，修改后的計(jì)算時(shí)間共31 h56min.

圖4　駕駛室CAE模型Fig.4 Cab CAE model

3.2正面碰撞結(jié)果對(duì)比

計(jì)算后的能量曲線如圖5～圖6所示.其中，圖5為駕駛室模型在沒(méi)有處理單元滲透與干涉問(wèn)題時(shí)所計(jì)算出的能量曲線，圖6為駕駛室模型質(zhì)量?jī)?yōu)化后計(jì)算出的能量曲線.

駕駛室的正面碰撞介于完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞之間.圖6中，從擺錘碰撞駕駛室開始到0.05 s這一時(shí)間段，系統(tǒng)動(dòng)能急劇下降，系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能，系統(tǒng)內(nèi)能急劇上升.同時(shí)，擺錘與駕駛室發(fā)生擠壓與摩擦運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較小的滑移界面能2.65 kJ，占總能量（55.6 kJ）的4.8％，沙漏能為1.42 kJ，占總能量的2.6％，滑移界面能和沙漏能均小于總能量的5％；因此，符合物理邏輯.

圖5中，滑移界面能偏大，最大值為13.05 kJ，占總能量（55.6 kJ）的23.5％，滑移界面能遠(yuǎn)大于總能量的5％.

圖5　不合理的能量曲線（修改前）Fig.5 The irrational energy curve（before modification）

圖6　合理的能量曲線（修改后）Fig.6 Reasonable energy curve（after modification）

4　模型修改前后頂部壓潰分析結(jié)果對(duì)比

4.1頂部壓潰CAE建模

依據(jù)《商用車駕駛室防護(hù)》ECE－R29－03版法規(guī)，建立駕駛室頂部壓潰模型，如圖7所示.模型中的斜板和壓板均為剛性平板.2個(gè)板之間不定義接觸［7］.

模型中，斜板的撞擊速度按動(dòng)能定理公式E＝1／2mv2計(jì)算，式中，E為斜板的撞擊能量，m為斜板的質(zhì)量，取E=17.6 kJ，m=1 500 kg代入公式，得到擺錘的撞擊速度為v＝4 844mm／s.得出斜板在Y，Z兩個(gè)方向的分解速度為［8］：

壓板的質(zhì)量為1 500 kg，運(yùn)動(dòng)開始時(shí)間是在0.4 s，其中，模型中的物理計(jì)算時(shí)間為3 s.在0～0.4 s之間，斜板運(yùn)動(dòng)并撞擊駕駛室，壓板處于靜止?fàn)顟B(tài).當(dāng)斜板撞擊駕駛室并完全離開后，壓板以200mm／s的速度，垂直向下運(yùn)動(dòng).

4.2頂部壓潰分析結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)Ls－dyna進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算出修改前后頂部壓潰能量曲線圖如圖8~圖9所示.

圖9中，斜板撞擊駕駛室后產(chǎn)生的能量為17.6 kJ，撞擊后系統(tǒng)動(dòng)能加速下降，系統(tǒng)內(nèi)能急劇增加.當(dāng)斜板離開駕駛室后，壓板壓向駕駛室，系統(tǒng)內(nèi)能和總能量隨著壓板不斷下壓而增加［9］.圖8中，雖然總能量與修改后的一樣，為17.6 kJ，但整體吸能情況不理想，駕駛室破壞嚴(yán)重，同時(shí)滑移界面能較大.

圖7　駕駛室CAE模型Fig.7 Cab CAE model

圖8　修改前頂部壓潰能量曲線圖Fig.8 Top crushing energy curve before modification

5　結(jié)論

通過(guò)上述2個(gè)分析項(xiàng)目結(jié)果的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：

1）正面碰撞結(jié)果顯示：修改模型后，滑移界面能相對(duì)修改前下降了10.4 kJ，內(nèi)能提高了6 kJ，修改后的駕駛室吸能效果增強(qiáng)［］；

2）頂部壓潰結(jié)果顯示：修改前的滑移界面能最大值為5.5 kJ，是修改后（1.15 kJ）的4.8倍；同時(shí)，相對(duì)修改前（22.5 kJ），修改后的內(nèi)能（35 kJ）提高了55.6％.

由以上兩點(diǎn)，可以得出：模型質(zhì)量的好壞，影響到計(jì)算結(jié)果，尤其是差的模型質(zhì)量，計(jì)算出的能量曲線不符合物理邏輯，甚至因?yàn)槟Ｐ妥陨淼慕佑|失效等問(wèn)題導(dǎo)致某些能量如滑移界面能的產(chǎn)生并加大，不能提供合理的判斷依據(jù).

在今后的CAE仿真工作中，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)：在大變形的動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算與分析中，應(yīng)嚴(yán)格把控模型質(zhì)量這一關(guān).只有通過(guò)修改模型的干涉和滲透，保證模型間各單元的間隙合理，接觸有效［10］，才能從根本上解決計(jì)算結(jié)果不符合物理邏輯的問(wèn)題，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要的指導(dǎo)作用.

圖9　修改后頂部壓潰能量曲線圖Fig.9 Top crushing energy curve after modification

［1］趙海鷗.LS－DYNA動(dòng)力學(xué)分析指南［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2003.

［2］唐波，趙曉紅.ECE－R29－03版法規(guī)某駕駛室CAE分析和重卡未來(lái)安全發(fā)展方向［J］.汽車與配件，2012（Z1）：56－59.

［3］張翼.某型商用車駕駛室抗撞性能分析研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［4］廖金深，沈光烈，林圣存.對(duì)某微型客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，27（1）：58－61.

［5］李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］劉軍.商用車駕駛室擺錘撞擊安全性分析與改進(jìn)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

［7］張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于LS－DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［8］劉麗亞.商用車駕駛室乘員安全性仿真分析與試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［9］王新宇，王登峰，陳靜，等.重型商用車駕駛室輕量化設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（8）：13－18.

［10］韋志林，黃昶春，李波，等.基于LS－DYNA的兩種客車側(cè)翻模型比較［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，25（1）：59－62.

（學(xué)科編輯：黎婭）

Effect of the cab model quality on the CAE analysis

LIN Sheng-cun,SHEN Guang-lie
(Research Institute of Automotive Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Taking a truck cab model which is designed by the flat plate-shell structure as an example,this paper studies the effect of the quality of the model on the CAE analysis.The CAE modeling based on the high-quality and low-quality cabs has been built and finite element analysis has been conducted by using Hyperworks and Ls-dyna. The comparative results show that the calculating results of the crossed-rigid and interpenetrative cab models with low quality do not meet the requirements of physical logic and seriously deviate from the right direction.And it proves that the high-quality models will provide a more convincing theory basis for the structure design and improvement,which helps the product design and development.

cab;cross;permeability;CAE analysis;curve

U463

A

2095-7335（2016）03-0060-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.011

2016-03-03

柳州市科技攻關(guān)及新產(chǎn)品試制項(xiàng)目（2015A030101）資助.

林圣存，碩士，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，E-mail：836551249＠qq.com.