RADIOSS 多域求解技术在汽车侧碰仿真的应用

ksj1982

　　Abstract: In this paper, a refined subdomain model of a rear door lock system is established by using multi-domain technique in RADIOSS. The reasons are analyzed to understand why the rear door opened during side impact, and corresponding countermeasures are put forward. An effective resolution plan is proposed to provide virtual simulation support for engineering design. It shows that the multi-domain technique in RADIOSS brings a new solution method for simulations with locally refined and more accurate models.
　　Key Words: multi-domain technique, side impact, simulation, door lock, RADIOSS

　　1 引言
　　车辆侧面碰撞是发生率较高的交通事故形式，统计数据表明全世界约有 30%的严重交通事故都 与侧面碰撞有关，因此车辆侧面碰撞成为汽车被动安全性研究的重要内容[1]，也越来越多的受到政 府、汽车制造商，以及消费者三方共同关注。作为汽车企业，为满足消费市场的碰撞安全法律法规 要求，以及越来越严格的新车碰撞安全星级评价(NCAP)要求，已经广泛采用虚拟仿真技术来解 决真实的车辆碰撞问题。
　　在一些实际的侧面碰撞事故中，出现过车辆碰撞过程中存在车门开启的情况，这必然造成车内 乘员被甩出车外的危险，直接影响乘员的生命安全。故在中国的法规 GB20071-2006 的特殊要求中4.3.1 条规定：在碰撞试验过程中，车门不得开启[2];而对于欧盟的法规 ECE R95 的 5.3.1 条也有着 相同的要求[3]。除了法律法规对车门开启有着这样要求，NCAP 也有着对此更为严格的评价，例如 中国 2012 版 C-NCAP 的 2.1.3.3 条有总体罚分项规定：对于两侧的每一个车门，若在碰撞过程中开 启，则分别减去 1 分[4];而欧盟 EuroNCAP V6.0 中 4.2.4 条规定：侧碰试验中每开启一个门(车门 包括后背门和天窗)，则总得分扣掉 1 分，且门开启的修正得分不受车辆总得分的限制[5]。鉴于以上 法律法规和 NCAP 的要求，针对侧面碰撞，一般可采用商业有限元分析软件包 RADIOSS、LS-DYNA、 PAM-CRASH 等进行相关仿真求解。

　　2 多域求解的原理
　　商业有限元软件通常采用显示有限元方法来求解汽车碰撞的大变形非线性问题，而显示时间积
　　分求解就涉及到时间步长问题，只有时间步长小于临界时间步长时，计算结果才能稳定。临界时间 步长求解公式如下：

　　其中 c 为在材质中的传播速度，l 为单元的特征长度。材料波速 c 是与材料的杨氏模量 E，泊松比 ν 和质量密度 ρ 的函数，而不同维数的单元，其特征长度受实际单元尺寸大小影响。而汽车常用 金属材料钢和铝，其传播速度为 5000m/s 左右，故若时间步长为 1us，则单元的特征长度为 5mm。 由此可知，单元尺寸越小，其时间步长也越小，故而在有限的计算资源条件下，所花费的计算时间 也就越多。通常在汽车碰撞仿真计算中，需要合理控制模型中最小的单元尺寸，减少相应的质量增 加，才能在较短时间内提供正确的计算结果，满足工作需求。


　　在侧碰中门开启影响因素中，除了受到车身侧围结构变形影响之外，门锁系统结构强度和空间 布置等也影响着门体开启。故对于门锁结构建模就需要细化和详细，有别于车身结构的单元尺寸， 如图 1 所示的某款车型的门锁结构简化模型和细化模型。由于门锁细化模型单元尺寸在 1mm 左右， 故而减小计算整车的时间步长，增加计算时间，给工程应用上带来一定的麻烦。为此 Altair 在 RADIOSS 求解器中提供了多域求解技术来解决同一个模型涉及到时间步长不一致的问题，以满足 局部细化部件求解。其工作原理为 RADIOSS 分别使用各自的子域模型的时间步长求解计算独立的 子域模型，然后在主控程序(RAD2RAD)的稳定约束条件下计算各自子域模型之间相互传递的力 和力矩[6]，如图 2 所示。





　　3 侧碰仿真模型的建立

　　侧碰后门开启的仿真模型主要有整车模型，后门锁系统子模型，以及侧碰移动可变性壁障(MDB) 组成，如图 3 所示。MDB 模型由 Altair 公司提供，并经过相应的对标和验证。采用 RADIOSS 的多 域求解技术需要对子域模型的建立、连接以及接触等重新定义，下面将逐一进行说明。




　　3.1 门锁子域模型的建立
　　后门锁子模型包含有门锁机构、锁体拉线，以及内、外开把手机构等，见图 3a 所示。为了区分 子域模型 ， 通过 RADIOSS 的 前 处理 软件 HyperCrash 在 主域 中 定义 一个 门锁系 统的 子域 RR_Door_Lock_System，其关键字为/SUBDOMAIN。为了后续操作方便，可将子域模型建立个 Part 集合(/SUBSET)。由于门锁内部开启机构较为复杂，为了模拟开锁机制，工程上可采用调节拉线 行程来控制锁舌的旋转开启。由设计部门可获知内、外开拉线开启力分别为 35N 和 25N，由此转化 内、外拉线行程分别在 14mm 和 10mm，当两者达其一就可将门锁打开。通过在内、外拉线处分别 设定带 有一 定刚度 的 弹簧单 元作 为锁舌 扭转 弹 簧开 启的 必 要条件 ， 并由 相应 的 传感 器

　　(/SENSOR/OR)参数来控制判定，以此实现门锁开启仿真，如图 4 所示。



　　3.2 门锁子域模型的连接
　　子域模型与主域模型的连接，RADIOSS 提供了两种方式：共节点法和接触法。前者是简单地 将交界处节点自动映射到子域，实际操作需要劈分三角形单元完成共节点过度;而后者采用 Tied 接 触(/INTER/TYPE2)方式将子域边界节点与主域边界的粗网格绑定在一起，而其在 RADIOSS v11.0.240 以后版本才支持。本文计算模型采用前者方式定义后门锁与门体之间的连接。

　　3.3 门锁子域模型的接触
　　由于采用多域求解，故在定义接触时，除了整车自接触和整车与 MDB 的接触这些常规的接触外，还需要额外定义后门锁子域的自接触、后门锁子域与 MDB 的接触，以及后门锁子域与整车的 接触。在定义后门锁子域与整车的接触(/INTER/TYPE7)时，需要注意两点：其一，后门锁子域 和整车定义接触时，整车侧选择范围要合理，保证有效接触;其二，若后门锁子域与整车采用 TYPE2 接触做连接，此处节点位置不满足 Gap 条件，故需要去除周边一圈连接单元。
　　以上仅是子域模型的建模说明，若要调用多域求解计算还需要对 RADIOSS 的 Engine 文件做相 关的调整，见表 1 所示。


　　表 1 主域和子域的 Engine 文件的设置


　　4 计算结果
　　整个侧碰模型建立完成，采用 RADIOSS 进行相应的求解计算，通过结果文件重点考察分析了 后门锁系统的变形和拉线受力情况，以此判断在侧面 MDB 碰撞过程中后门体是否存在开启的情况。

　　1) 锁体结构变形
　　锁体结构完整性是考察侧碰中门开启条件之一，若是锁体结构无法承受侧碰的撞击力而失效，

　　则门体必然会开启。通过观察锁体结构的塑性应变，锁体整体结构没有受到破坏，完整性较好，而 是在圆圈区域处结构受力较大，其应变值超出材料的屈服值，如图 5 所示。


　　2) 拉线受力
　　由图 5 锁体应变云图可知，在圆圈区域即外开拉线与锁体连接处，应变值较大，这说明此处的 外开拉线受力也比较大。输出拉线的受力时间历程如图 6 所示，从图中可看出外开拉线受力值在16ms 之后已达到其开启力，说明后门存在开启风险;而内开拉线由于受力很小，对后门锁开启基本 无影响。

　　进一步对外开拉线受力分析可知，外开拉线除了与锁体连接之外，另一端同外开把手的转动机 构相连，由平衡块来控制外开把手的开启，由此可知平衡块所受到惯性力较大，是引起后门开启的 原因之一，如图 7 所示。而外开拉线受力也可以受到门体钣金件变形挤压的影响，同样也会带动锁体内部锁舌转动打开车门。

　　考虑到更改车身结构来减小拉线受力方案，会带来开发周期长，成本大等影响，故建议对门锁 结构系统进行相关优化，可以对平衡块结构进行优化设计，减少相应质量，以便减小惯性力;或是 对拉线布置进行相应的优化，增加长度，减弱拉线受力。
　　最后将侧碰后门开启仿真分析结果以及改进方案同设计部门进行沟通反馈，设计部门综合采纳 以上相关建议，对门锁结构设计进行相应的优化设计。而在此之后的相关侧碰试验中也验证了分析 的正确性，未曾发生过侧碰后门开启的情况。

　　5 结论
　　本文利用 RADIOSS 多域求解的技术，建立后门锁机构的子域模型，模拟后门开启过程，通过 仿真结果分析后门开启的原因，并提供相关的解决方案，有效的支持设计开发，减少后期设计变更 和试验费用。
　　本文只是在汽车侧碰仿真应用的例子，其实 RADIOSS 多域求解可以应用在更多的汽车局部精 细仿真模拟方面，例如行人保护头部碰撞仿真中的雨刮结构模拟、气囊展开仿真的仪表板撕裂缝模 拟等等，以有效的虚拟仿真手段帮助设计部门再现动态过程和支持进一步的优化改进。

　　6 致谢
　　本论文完成得到 Altair 公司的张宁和欧贺国工程师的技术支持和帮助，RADIOSS 软件多核
　　License 授权由 Altair 公司提供，特此致谢。

　　7 参考文献
　　[1] 马春生，李克瑞，张华坤等。从 LS-DYNA 到 PAM-CRASH 的模型转换以及侧面碰撞仿真。2008中国汽车安全技术国际研讨会，2008,6:281-286.
　　[2] GB20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》，中华人民共和国国家质量检验检疫监督总局，2003.
　　[3] C-NCAP 管理规则(2012 年版)，中国汽车技术研究中心，2011.
　　[4] ECE Regulation No.95，Uniform Provisions Concerning The Approval of Vehicles with Regard to The Protection of The Occupants in The Event of A Lateral Collision.
　　[5] EuroNCAP Assessment Protocol-Adult Occupant Protection Version 6.0，2013.07.
　　[6] HyperWorks Online Help 12.0，Altair Engineering, Inc.
　　[7] 欧贺国，张宁。多域求解培训资料，2013.05.

　　[8] RADIOSS IMPACT INTRODUCTION，Altair Engineering, Inc.


转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... 6jer4oM6vLHJXI2B#rd