摘要:近年來,LS-DYNA/MADYMO 耦合分析方法在汽車碰撞分析領域被廣泛應用。耦合功能結合了LSDYNA和MADYMO 兩種分析軟件各自的長處,給工程師提供了新的分析途徑。本文介紹了耦合方法在新車開發分析中的應用,選取的工況是ECER95(中國即將在2006 正式頒布的側碰法規)。此外還與完全采用LS-DYNA 的模型分析作了比較并簡單介紹了提高側碰安全性的改進策略。

簡介

LS-DYNA 和MADYMO 是汽車業界通用的結構耐撞性和乘員安全性分析軟件。利用這兩個軟件的各自優勢的耦合功能 (LS-DYNA/MADYMOCoupling) ,隨著MADYMO 6.0 和LS-DYNA 970版本的發布,也相應擴展了(extended coupling)。ADYMO 模型和LS-DYNA 模型之間接觸力的計算,改進了原來的算法,采用了MADYMO 的接觸算法 [1]。

軟件用戶們也于是紛紛開始把擴展的耦合功能應用在正面碰撞(包括偏置碰撞)和側碰分析中[2]。不少汽車公司也在將其應用在汽車開發流程中[3][4]。本篇論文主要介紹LS-DYNA/MADYMO 耦合功能在泛亞汽車的應用情況,分析選取的側碰工況參照即將于明年(2006)實施的中國側碰法規。

中國側碰安全法規

我國強制執行的汽車碰撞法規,到目前為止只有100%正面碰撞即GB11551。而在發生的交通事故中,由側面碰撞造成人員的死傷占20%以上。中國的汽車側碰法規急待推出和實施。以歐洲側碰安全法規ECE R95 為藍本的中國汽車側碰安全國家標準《汽車側面碰撞的乘員保護》ECE R95[5],將于明年2006 正式頒布實施。

如圖1 試驗布置所示,在碰撞試驗中,前排駕駛員座放置Euro SID-I/II假人。移動變形壁障重量為950±20kg,它以50±1km/h 的速度垂直撞向試驗車輛。移動變形壁障的縱向中垂面與試驗車輛上通過碰撞前排座椅R 點的橫斷垂面之間的距離應在±25mm 內。

圖1 ECE R95 試驗布置

碰撞試驗后假人的傷害指標必須要滿足以下要求:

1. 頭部性能指標(HPC)≤ 1000,或“無頭部接觸”
2. 胸部性能指標:
2.1 肋骨變形指標(RDC)≤ 42 mm
2.2 粘性指標(VC)≤ 1.0 m/s
3. 骨盆性能指標:恥骨結合點力峰值(PSPF)≤6 kN
4. 腹部性能指標:腹部力峰值(APF)≤ 2.5 kN的內力(相當于4.5 kN 的外力)。

其他需要滿足的要求可以詳細參考 [5]。

耦合模型的建立

如何建立LS-DYNA/MADYMO 耦合模型,在文獻[3]和用戶手冊中[6][7]有詳細的介紹。由于LSDYNA提供了豐富的材料模型,通常整車模型和移動變形壁障采用LS-DYNA 的有限元模型。而假人和側面氣囊或氣簾則可以選用MADYMO 的多剛體模型和有限元模型。不過正是由于耦合功能,使得選取哪個軟件的模型變得更靈活,車身上的子部件也可以根據需要選用MADYMO 模型。

這里不詳細討論建立模型的過程,只是結合經驗介紹一些關鍵詞的作用:

1. *Control_Coupling:用來轉換LS-DYNA 和MADYMO 的單位制。因為LS-DYNA 和MADYMO 常用的單位制不一樣。LS-DYNA 常用的是mm,ms,kg;MADYMO 默認用的是國際單位m,s,kg。

2. *Contact_Coupling:這里定義的是可能和MADYMO 模型發生接觸的LS-DYNA 模型。因為在這里定義的部件都會顯示在KN3 文件中,所以為了后處理的顯示效果,也可以加上壁障等不涉及接觸的部件,以加強視覺效果。

3. 注意MADYMO 模型中接觸類型的定義。因為耦合計算中采用的是MADYMO 接觸算法,發現使用CONTACT_FORCE.KINEMATIC ,會使計算不穩定。根據經驗,接觸類型可以選取CONTACT_FORCE.CHAR、CONTACT_FORCE.PENALTY 或CONTACT_FORCE.ADAPTIVE 中的一種。

4. 安全帶模型并不包括在整個模型中。根據作者現有經驗,安全帶在側面碰撞中對假人傷害值的貢獻不大。

耦合模型建立后如圖2:假人選用的是MADYMO的ES-2;整車和移動變形壁障是LS-DYNA 模型。

圖2 建立的耦合模型

計算比較和側碰性能的改進

采用耦合比單純用LS-DYNA 模型(整車、假人和壁障)在計算效率上有一定的提高。表1 顯示的是用2cpu 計算的時間比較。

表1 計算時間比較

由于耦合程序是SMP 版本的,如果LS-DYNA 和MADYMO 的版本也是SMP 版本,計算時需要設置相同的CPU 個數。在和LSTC 交流之后,新的耦合程序版本可以設置不同的CPU 個數,即LSDYNA 可以設置多個CPU, 而MADYMO 可以只用1 個CPU,計算效率仍在測試中。

耦合計算結果和純LS-DYNA 模型的計算結果和試驗結果的比較也在進行中。可以肯定的一點是,在設計初期,由于時間上的優勢,采用耦合模型可以為設計變量的調整給出方向。

側碰法規的實施給汽車設計提出了更具體的要求。如何提升汽車側碰性能、減小碰撞后假人身上各項指標,一直是各個汽車廠商所關注的。一方面是通過車身結構的改進,合理分布載荷的傳遞,使假人的軀干肢體受到盡量小的,由碰撞帶來的能量。 此外采用側面氣囊和氣簾也可以大大減少乘員傷害。不少汽車廠商已經把側面氣囊作為汽車的標準配置之一。泛亞近些年在如何提高汽車側碰性能上積累并形成了一些自己的經驗[8]。

結論

耦合模型一旦建立,之后只需要對結構或參數進行相應的改動或調整,便可以立即計算。由于采用了MADYMO 多剛體的假人,可以避免令人頭痛的有限元假人中的負體積 (negative volume) 問題,大大提高了計算效率。這對汽車開發初期是大有好處的。