Altair2015技術(shù)大會(huì)論文集汽車(chē)行李防護(hù)CAE仿真分析及優(yōu)化The Luggage Retention Analysis and Optimize of Auto by CAE 王圣波李路才 （一汽海馬汽車(chē)有限公司、?？凇?70216 ）摘要：本文根據(jù)汽車(chē)研發(fā)的需要，利用 HyperWorks平臺(tái)搭建FE模型求解相結(jié)合 的有限元仿真技術(shù)，對(duì)一汽海馬某款汽車(chē)行李箱防護(hù)進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)撞擊結(jié)果對(duì)防護(hù)裝置的變形情況和關(guān)鍵部件的應(yīng)力應(yīng)變等細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，判斷是否對(duì)乘員造成傷害。提出優(yōu)化方案，并通過(guò)仿真結(jié)果，滿(mǎn)足法規(guī)要求。為整個(gè)研發(fā)過(guò)程節(jié)省了大量的試驗(yàn)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期。關(guān)鍵字：HyperWorks、有限元仿真、行李防護(hù)裝置、優(yōu)化Abstract : In this paper, according to the needs of vehicle development, is about a simulation analysis of the auto luggage retention. According to the results of luggage retention parts impact process and judge if existent of harm to passenger. Propose optimum proposals and checking the optimum proposals get through simulation by the result reach the rule.Key words : HyperWorks , FE simulation , Luggage retention , Optimize1前言在現(xiàn)在汽車(chē)研發(fā)制造中，車(chē)身結(jié)構(gòu)的被動(dòng)碰撞安全性能一直是一個(gè)研究的重點(diǎn)。車(chē)身結(jié)構(gòu)抗撞性研究主要注重于研究汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)碰撞能量的吸收特性，尋求改善車(chē)身結(jié)構(gòu)抗撞性的方法。在保護(hù)成員空間的前提下，最大限度提高車(chē)身變形吸收的碰撞能力，從而降低傳遞給車(chē)內(nèi)乘員的碰撞能量到最小。因此合理優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，保證車(chē)身的抗撞性和乘員的安全性，這是當(dāng)前汽車(chē)設(shè)計(jì)師面臨的巨大挑戰(zhàn)1-3。單純依靠試驗(yàn)來(lái)解決車(chē)身結(jié)構(gòu)抗撞性的設(shè)計(jì)方法，難度比較大，費(fèi)用高，而且周期長(zhǎng)。運(yùn)用有限元仿真和優(yōu)化相結(jié)合的方法，得到的信息多，分析問(wèn)題準(zhǔn)確有效， 費(fèi)用低，時(shí)間比 較短。本文運(yùn)用HyperWorks 軟件前后處理功能和其他求解器相結(jié)合的方法對(duì)自主品牌一汽 海馬汽車(chē)某款車(chē)的行李移動(dòng)對(duì)乘客防護(hù)的問(wèn)題進(jìn)行了模擬分析，對(duì)行李撞擊防護(hù)裝置細(xì)節(jié)進(jìn)行揭示，對(duì)行李防護(hù)裝置設(shè)計(jì)和座椅部件布置具有實(shí)際的指導(dǎo)意義1。本文對(duì)行李箱防護(hù)模擬包含兩部分：首先對(duì)行李箱移動(dòng)撞擊防護(hù)裝置過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析 并提出優(yōu)化方案，然后根據(jù)優(yōu)化方案再次進(jìn)行有限元仿真，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性。2基本理論車(chē)身結(jié)構(gòu)碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)的大位移和大變形的瞬態(tài)接觸過(guò)程，碰撞過(guò)程受到接觸和沖擊載荷的影響，碰撞系統(tǒng)具有大應(yīng)變、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大位移為特征的幾何非線(xiàn)性，以接觸摩擦為特征的接觸非線(xiàn)性和以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線(xiàn)性的多重非線(xiàn)性特點(diǎn)。因此，碰撞計(jì)算仿真涉及一個(gè)未知邊界條件的偏微分方程的求解，包含連續(xù)介質(zhì)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)滿(mǎn)足以下各項(xiàng)條件：運(yùn)動(dòng)方程在有限元模型中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置和時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式為X = X(X,t)在t = 0時(shí)，初始位置為X( M ,0)=立 ?Xi ( Xa ,0) = Vi Xa其中，X為初始時(shí)刻的質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，t為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，vi(i = 1,2,3 )為質(zhì)點(diǎn)的初始速度。動(dòng)量守恒方程? (Tij-+ P ?fi = P ? X?才 式中o-ij為Cauchy應(yīng)力；f i (i = 1,2,3 )為單位質(zhì)量體積力；x為質(zhì)點(diǎn)加速度。質(zhì)量守恒方程p = J po式中，p為當(dāng)前質(zhì)量密度，po為初始質(zhì)量密度，J為密度變化系數(shù)。面力邊界條件：?"師 ni = T(t)式中n(i = 1,2,3 )為？b邊界單元的單位法向量，T(i = 1,2,3)為面力載荷。位移邊界條件：?b2 才(X,t) = ki(t)式中，ki(t), i = 1,2,3是給定位移函數(shù)接觸內(nèi)邊界條件：?b3( of -叼-)?n = 0當(dāng)（為+ =才）接觸時(shí)沿接觸邊界由上述各方程及邊界條件得到虛功原理的變分列式:8 =/x 8加+ ”必-JP?fi 8心-?小，靜=0其物理意義：作用在物體上的外力和內(nèi)力的虛 功之和為零。3法規(guī)要求GB15083-2006汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度是汽車(chē)被動(dòng)安全的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，是車(chē)輛公告試驗(yàn)的強(qiáng)制檢查項(xiàng)目。標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于防止移動(dòng)行李對(duì)乘員傷害有特殊要求，構(gòu)成行李艙的座椅靠背和頭枕應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以保護(hù)乘員不因行李的前移而受到傷害。試驗(yàn)過(guò)程中座椅及其鎖止裝置需保持在原位置，試驗(yàn)期間允許座椅靠背及其緊固件變形，條件是隔離裝置部分（包括試驗(yàn)的座椅靠背和頭枕）邵爾（A）硬度大于50部分的前輪廓不能向前方移出一橫向垂面，此平面經(jīng)過(guò)2:a）座椅的R直前方150mm處的點(diǎn)（對(duì)頭枕部分），如圖 1所示B面線(xiàn)；b）座椅的R點(diǎn)前方100mm處得點(diǎn)（座椅靠背部分），如圖1所示A面線(xiàn)。圖1試驗(yàn)邊界條件圖2試驗(yàn)樣塊布置3.1 試驗(yàn)條件3.1.1 試驗(yàn)樣塊試驗(yàn)樣塊，使用2塊剛性試驗(yàn)樣塊代替行李箱，要求其慣性中心與幾何中心重合。尺寸 均為：300mme 300mme 300mm; 一切邊棱倒圓角均為 20mm ;質(zhì)量為：18kg。3.1.2 試驗(yàn)樣塊布置將試驗(yàn)樣塊放置在行李艙底部， 其前部與構(gòu)成行李艙邊界的車(chē)輛部件接觸，然后沿平行于車(chē)輛的縱向中心方向?qū)⑵湎蚝笠苿?dòng)， 直至其質(zhì)心移動(dòng)200mm的水平距離（如圖1所示）。 車(chē)輛縱向中心面與各試驗(yàn)樣塊內(nèi)側(cè)邊緣的距離應(yīng)該為25mm,以使兩樣塊之間有 50mm的距離（如圖2所示）。3.1.3 試驗(yàn)方法將車(chē)體固定在試驗(yàn)臺(tái)車(chē)上。車(chē)體裝在臺(tái)車(chē)上的連接方式不應(yīng)對(duì)座椅靠背和隔離系統(tǒng)有所加強(qiáng)。按照2.2.2的方式放置試驗(yàn)樣塊，對(duì)乘員車(chē)體進(jìn)行減速，法 規(guī)對(duì)減速度波形上下限有嚴(yán)格要求，本文為了模擬最苛刻的減速度工況，采用 減速度斜率最大的減速方式（如圖 3所示）。減速前，乘員車(chē)體的自由速度為50+2km/ h。曲仲曲0 mTivm 困D S 5 一aJLjcHlHJIla9U04圖3減速度曲線(xiàn)4有限元模型的建立4.1網(wǎng)格劃分為了節(jié)省建模時(shí)間和提高建模效率，去除轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、前排座椅和底盤(pán)等對(duì)行李位移防護(hù)影 響微弱的總成，并根據(jù)法規(guī)將邵爾（A）硬度小于 50的坐墊、頭枕等泡棉撤除3,僅保留后排座椅和后白車(chē)身兩大系統(tǒng)總成。為了能夠精準(zhǔn)模擬行李位移沖擊 乘客防護(hù)裝置的細(xì)節(jié)，建模過(guò)程中，盡量保留幾何特 征（如圖4）。白車(chē)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件繁多，全部采用 抽取中面畫(huà)殼單元面網(wǎng)格的方法處理，面網(wǎng)格尺寸 按10mm的標(biāo)準(zhǔn)劃分，以保證零部件幾何特征得到 精確再現(xiàn)，對(duì)座椅安裝支架、座椅骨架和頭枕骨架 等局部強(qiáng)度計(jì)算，采用5mm的尺寸標(biāo)準(zhǔn)（如圖5）。 網(wǎng)格劃分完以后對(duì)零部件進(jìn)行材料和厚度屬性的賦予，檢查網(wǎng)格干涉、穿透，然后根據(jù)焊點(diǎn)位置打焊點(diǎn)，做連接。整個(gè) FE模型總共由294060個(gè)節(jié)點(diǎn)， 266177 個(gè)殼單元，2149個(gè)焊點(diǎn)單元和 2576個(gè)膠 粘等體單元組成。4.2材料條件圖5后白車(chē)身內(nèi)行李位移重點(diǎn)關(guān)注對(duì)后排座椅的沖擊過(guò)程, 后排座椅是關(guān)鍵考察對(duì)象，具體材料和厚度本構(gòu)關(guān)系，屈服條件考慮材料的應(yīng)變率。如圖6所示，材料模型使用 Cowper-Symonds圖6后白車(chē)身內(nèi)部面網(wǎng)圖7減速度方向4.3邊界條件根據(jù)GB15083-2006 的試驗(yàn)要求，約束車(chē)身 Y和Z方向的平動(dòng)和 X、Y和Z方向的轉(zhuǎn) 動(dòng)放開(kāi)X方向（即整車(chē)的前進(jìn)方向）的平動(dòng)自由度。對(duì)車(chē)身進(jìn)行減速度加載，按圖3的減速度和時(shí)間曲線(xiàn)加載，加載方向如圖 7所示。完成以上相關(guān)參數(shù)設(shè)定后，從HyperMesh軟件中導(dǎo)出包含所有參數(shù)信息的FE模型的k文件，提交到服務(wù)器上，應(yīng)用求解器進(jìn)行計(jì)算。5計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化圖8初次仿真變形結(jié)果圖5.1仿真結(jié)果分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示（如圖 8）,車(chē)輛減速過(guò)程中， 行李向前移動(dòng)撞擊后排座椅，后排座椅變形較為嚴(yán) 重，所以重點(diǎn)考察座椅的變形情況。從圖 9和圖10 中可知，座椅頭枕侵入量超過(guò) R點(diǎn)前方150mm的參 考平面，最大值為：-63mm102.5ms ;座椅骨架侵 入量超過(guò)R點(diǎn)前方100mm參考平面，最大值為： -12.2mm107.5ms ,未能達(dá)到法規(guī)要求。座椅的安裝支架強(qiáng)度不足，變形扭通過(guò)分析行李撞擊防護(hù)裝置過(guò)程，從圖8可以看1曲嚴(yán)重，導(dǎo)致座椅底部前傾，帶動(dòng)座椅骨架和頭枕骨架向前方移動(dòng)，移動(dòng)數(shù)值均超過(guò)法規(guī)要求的界限。說(shuō)明該行李移動(dòng)防護(hù)裝置方案對(duì)乘員保護(hù)性能不足。表1初次仿真座椅及固定點(diǎn)塑性變形零部件座椅骨架座椅連接支架座椅安裝地板塑性變形目標(biāo)30%30%15%最大塑性應(yīng)變32%9.5%3.1%150m(EE) KUBISaXQs頭枕骨架最大位移 座椅It消最大付移Min. -62.9000.10255000000O1TO 4540S5州252015105OB12圖9初次仿真座椅靠背骨架和頭枕骨架向前位移圖圖10測(cè)量目標(biāo)到基準(zhǔn)平面的位移量i.Q63E-02L307E-Q2C-nnLour PlptLiractiR/fi plaslic： stram(bcalar unlu%Sirrifjle Avtiygei No rccutl Mak - X nmE： Mode 1D1-2&2G Min = n nnnF i-m Mode 101S1911|_51-1nlUB-r崎h il MLLLMLUI"k!LIJ<Mt JO , L * 他耳后呢 ：QUhnlQur PIh1=111nMM& fI3i亡 lrar(aarii；lua hlatcj刈1-2 4W =-D1kk2T=11-1 7Ri-ni卜的二illjff1-1 Oft?刈-3.5&3=-02 -nirn=i0 Nd rasuH M?s 口 三式EE01 LUzhldsl I MHI=IJ圖11初次仿真座椅及固定點(diǎn)塑性變形接支架的最大塑性變形為由圖11和表1可知，座椅骨架最大塑性變形為32%超過(guò)最大塑性變形目標(biāo)；座椅連9.5%,在變性目標(biāo)范圍內(nèi)；車(chē)身安裝點(diǎn)的最大塑性變形目標(biāo)為3.1%,符合工程設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。5.2 優(yōu)化方案由5.1的分析結(jié)果座椅頭枕骨架和座椅靠背骨架移動(dòng)量均超過(guò)了GB15083-2006法規(guī)的要求。通過(guò)對(duì)比圖 4和圖8行李移動(dòng)前后防護(hù)裝置的變化圖，從座椅骨架及其安裝支架變形模式可以看出，座椅骨架前傾量較大主要原因?yàn)樽伟惭b支架強(qiáng)度不足變形較大如圖8紅圈標(biāo)示。因此，需要對(duì)座椅安裝支架進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化方案如表2所示。其中，前排左右支架均與地板支架用兩個(gè)螺栓連接，后排左右支架分別通過(guò)兩個(gè)螺栓與座椅固定。5.3 優(yōu)化結(jié)果分析如圖12所示，優(yōu)化后座椅頭枕骨架向前移動(dòng)未超過(guò)R點(diǎn)前方150mm的參考平面，座椅靠背骨架向前移動(dòng)未超過(guò)R點(diǎn)前方90mm參考平面，達(dá)到法規(guī)要求。頭枕骨架距離基準(zhǔn)平面的距離為183mm95ms ,座椅靠背骨架距離其基準(zhǔn)平面的最小距離為 108.4mm80ms ,安全裕度值較大（如圖13）。從圖12和表3中得到，優(yōu)化后座椅骨架最大塑性變形為 26% ,座椅連接支架最大塑性變形為12.7% ,座椅支架地板安裝點(diǎn)最大塑性變形為3.1%,以上最大塑性應(yīng)變均在工程設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)，優(yōu)化方案符合設(shè)計(jì)要求。圖12優(yōu)化后座椅靠背骨架圖13優(yōu)化后測(cè)量目標(biāo)和頭枕骨架向前位移圖到基準(zhǔn)平面的位移量表3優(yōu)化后座椅及固定點(diǎn)塑性變形零部件座椅骨架座椅連接支架座椅安裝地板塑性應(yīng)變目標(biāo)30%30%15%最大塑性應(yīng)變26%12.7%3.1%Urfq. Fl.EITaci/FtBi lafXSuLar q aIuat泗2 用CEOS11血血|r-6A25EC0 IL? ai13E<aLokcc-m MkbeI MtiLSinTIftJE1BMBJFSFEIL * =： jtdrin ELfMJT SKiLL 皿引舊n rr(iE-t(ii Nc msiil: M笊=d.拄|=4J1 ELEHEHTCarinur PlirlE觸疝帕城喇h陽(yáng)二:白固網(wǎng)U* Ma力 2.624 E-01Q ZPIZ.m2.D4IEETI174.9BEJ1l.ltJJE-Ln1 ifRDi6745E 025.E3OED2上心KLQ炳口 = o nfi三心ICviMinii: Msj. Vwlue - E.2S2CnrtoL- PH F/由rt力r plAfln用門(mén)加尸由wlwr tl 257E-D111JEL=>U19.LKGED2a.4xSE-D2，工MED2 EHlE-n?I -4.224匚 D2I-2.616E-D2I UXHE-rQLn rmF-rri hn rRiill工Max - 1 JG?L 01ELEENT_SHELL d104Mi Mm = U LUjI="HJJEUEr/ENT SHELL 41Q4劃二I indriflAKOynamc Man. VoIjc - D. 127EU&MEnn SHELL 4103ZEB3圖14優(yōu)化、后座椅及固定點(diǎn)塑性變形6總結(jié)本文通過(guò)HyperWorks 和仿真平臺(tái)對(duì)研發(fā)過(guò)程中海馬某款車(chē)的行李移動(dòng)撞擊防護(hù)裝置 過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并針對(duì)分析過(guò)程中存在影響乘員生存空間的問(wèn)題提出優(yōu)化措施。優(yōu)化結(jié)果符合GB15083-2006 法規(guī)要求，能夠?qū)⑵?chē)急停時(shí)行李移動(dòng)沖擊乘員安全問(wèn)題隱患扼制 在研發(fā)初期階段。大大降低了研發(fā)周期，減少重復(fù)性的試驗(yàn)費(fèi)用，具有指導(dǎo)意義。7參考文獻(xiàn)1 胡玉梅.汽車(chē)正面碰撞設(shè)計(jì)分析技術(shù)及應(yīng)用研究.重慶大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.9.2胡遠(yuǎn)志，曾必強(qiáng)，謝書(shū)港.給予HyperWorks的汽車(chē)安全仿真分析.北京：清華大學(xué)出版社, 2011.3彭昌坤.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)正面碰撞仿真分析.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.4GB15083-2006 汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法，2006.