整車碰撞仿真分析建模的難點(diǎn)和痛點(diǎn)有哪些

在這8節(jié)課里面，我的講課內(nèi)容從整車碰撞建模要求到白車身等各個(gè)總成，從焊點(diǎn)焊縫的處理要求到鉸鏈建模的難點(diǎn)，從車門包邊的處理方法到輪胎建模的示范等。通過(guò)整車碰撞仿真系列課，我們希望學(xué)員能夠從整體到細(xì)節(jié)了解掌握整車碰撞仿真建模的每一個(gè)步驟，在以后工作的日子里，能夠?qū)W以致用。

在接下來(lái)的日子里，整車碰撞仿真系列課還有12節(jié)課在每周三晚19:00會(huì)和大家一一見(jiàn)面。后面這12節(jié)課我們會(huì)從各大總成建模方法到整車建模組裝，從碰撞的常用關(guān)鍵字到關(guān)鍵的截面處理、加速度定義，從全寬正碰建模要求到偏置碰及側(cè)碰的建模要求，以及碰撞后的結(jié)果解讀給大家進(jìn)行詳細(xì)講解。

借助仿真秀這個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)，我們也很期待和大家能夠在一起共同探討整車碰撞仿真建模的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

二、整車碰撞仿真建模難點(diǎn)

整車碰撞模型涉及到總成部件較多，比如白車身，開(kāi)閉件（前后車門、尾門和前發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板），動(dòng)力總成、前后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板橫梁、踏板機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、輪胎、燃油箱、座椅、玻璃以及部分內(nèi)外飾等。連接關(guān)系比較復(fù)雜且連接形式多樣，比如有焊點(diǎn)焊縫連接，有彈簧連接，也有鉸鏈連接。同時(shí)整車碰撞還要考慮材料的非線性。因此，整車碰撞仿真建模的難點(diǎn)比較多，正所謂：難者不會(huì)，會(huì)者不難，下面我們簡(jiǎn)單地和大家聊聊碰撞建模過(guò)程中一些會(huì)遇到的難點(diǎn)問(wèn)題。

1、包邊的處理難點(diǎn)

包邊主要存在車門的內(nèi)外板之間、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外蓋板之間。常見(jiàn)的包邊模型處理方式有2種。

第一種為：包邊區(qū)域以不同于內(nèi)外蒙皮厚度的單元組表示，簡(jiǎn)化方式如下圖1所示，包邊部分采用1排單元模擬。該層/組的單元厚度為T=2×T1（外板厚度）+T2（內(nèi)板厚度）。

第二種為：外板的包邊部分必須單獨(dú)分出來(lái)，厚度為外板厚度的2倍，內(nèi)板包邊部分可以單獨(dú)分出來(lái)，也可以不分。但內(nèi)外板的包邊部分節(jié)點(diǎn)必須一一對(duì)應(yīng)，用剛性單元連接。

圖 2?1 包邊的處理方式1

圖 2?2 包邊的處理方式2

其實(shí)包邊處理難點(diǎn)更多是體現(xiàn)在模型的工作量較大，對(duì)幾何模型正確的認(rèn)知可以大大減少建模的難度。

2、焊點(diǎn)焊縫的處理難點(diǎn)

焊點(diǎn)焊縫主要存在于白車身以及底盤拼焊部件處，而且焊點(diǎn)多而繁雜，不同的焊接部件，不同的焊接層數(shù)（二層焊還是三層焊），不同的焊接直徑等等?？梢哉f(shuō)焊點(diǎn)焊縫是整車碰撞模型中最重要的一種連接方式。其不同的處理方法會(huì)對(duì)碰撞結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。

在講課中，我們?cè)敿?xì)地對(duì)比了焊點(diǎn)三種常見(jiàn)類型：剛性梁模型、可變性梁模型和實(shí)體模型，同時(shí)對(duì)這三種模型根據(jù)其建模難易、計(jì)算時(shí)間、壓潰變形以及加速度擬合精度上進(jìn)行對(duì)比分析。

相比于焊點(diǎn)而言，焊縫的處理相對(duì)簡(jiǎn)單一些，更多的工作是對(duì)處理后的模型進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查調(diào)整。

3、輪胎的建模難點(diǎn)

輪胎不僅是整車的重要組成部件，同時(shí)也是唯一一個(gè)和地面發(fā)生接觸的部件。由于輪胎的材料特性和結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)要考慮胎內(nèi)空腔氣體的氣壓作用，輪胎的模擬精度對(duì)整車仿真結(jié)果性能起著一定的影響，尤其是對(duì)偏置碰撞而言，這是因?yàn)樵谄门鲎仓?，輪胎可能?huì)與可變性壁障發(fā)生接觸，緩沖沖擊，吸收碰撞時(shí)的動(dòng)能。

4、鉸鏈的建模難點(diǎn)

鉸鏈的建模一直都是整車碰撞CAE建模工程師的頭痛的地方，這因?yàn)槭钦嚺鲎步＿^(guò)程中遇到的鉸鏈比較多，而且鉸鏈類型也不是單一的，這就要求整車碰撞CAE建模工程師不僅僅要掌握鉸鏈的建模方法，還要將整車模型鉸鏈處的幾何模型轉(zhuǎn)換成整車碰撞模型中的CAE鉸鏈模型。

整車碰撞建模中常見(jiàn)的鉸鏈模型主要有球鉸、轉(zhuǎn)動(dòng)副、萬(wàn)向節(jié)及柱鉸等。

圖 2?9 球鉸在底盤上的分布位置

圖 2?10 球鉸和萬(wàn)向節(jié)單元的處理方法

5、前后懸架的建模難點(diǎn)

在整車碰撞建模中，前后懸架系統(tǒng)建模一直都是一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)榍昂髴壹茉谡嚺鲎策^(guò)程中傳遞各個(gè)方向的力和力矩，對(duì)碰撞結(jié)果有很大的影響。

了解前后懸架的結(jié)構(gòu)、連接方式、各部件之間的相互關(guān)系對(duì)于整車碰撞建模CAE工程師完成精確的模型是必不可少的，可以適當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留主要部件和主要特征，以減少單元數(shù)量，提高計(jì)算效率。

圖 2?11 前懸架系統(tǒng)的幾何模型和有限元模型

圖 2?12 后懸架系統(tǒng)的幾何模型和有限元模型

6、轉(zhuǎn)向管柱的壓潰建模難點(diǎn)

吸能式轉(zhuǎn)向柱是指除了能滿足轉(zhuǎn)向柱常規(guī)的功能外，在汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，能夠有效的吸收碰撞能量，防止或減少碰撞能量傷害駕駛員的轉(zhuǎn)向管柱。目前大多數(shù)方向盤轉(zhuǎn)向管柱在擠壓中都會(huì)發(fā)生壓潰，大多都會(huì)做轉(zhuǎn)向管柱的壓潰試驗(yàn)，測(cè)量得到壓潰力-位移曲線，將該曲線用于*MAT_SPRING_INELASTIC中，即LCFD為彈簧的壓潰曲線。

轉(zhuǎn)向管柱壓潰采用彈簧discrete單元模擬，彈簧的方向與軸的方向一致；采用柱鉸定義管柱運(yùn)動(dòng)副。

圖 2?13 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何模型和有限元模型

以上只是我們給大家簡(jiǎn)單介紹了整車碰撞建模過(guò)程中遇到的一些難點(diǎn)問(wèn)題，這些難點(diǎn)問(wèn)題已經(jīng)在前期的課程中給大家進(jìn)行詳細(xì)講解。有需要詳細(xì)了解的可以參閱我們仿真秀官網(wǎng)上發(fā)布的相關(guān)課程《一套新手自學(xué)整車碰撞仿真分析的奧秘》。

當(dāng)然我們還會(huì)遇到各種各樣的難點(diǎn)問(wèn)題，比如加速度單元如何設(shè)置、截面的定義、碰撞臺(tái)車的位置調(diào)整、碰撞結(jié)果（變形和加速度）的解讀等等不一而足。還是那句話，難者不會(huì)，會(huì)者不難，但愿我們整車碰撞仿真系列課能夠?qū)⒛愕倪@些難點(diǎn)問(wèn)題都能一一解決。

以上聊完了難點(diǎn)問(wèn)題，下面我們?cè)趤?lái)聊聊整車碰撞仿真建模的痛點(diǎn)。

二、整車碰撞仿真建模的痛點(diǎn)

痛點(diǎn)1——缺少材料參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變曲線

有個(gè)成語(yǔ)說(shuō)的很好，“巧婦難為無(wú)米之炊”，其實(shí)對(duì)我們CAE仿真工程師來(lái)說(shuō)也是一樣。我們做仿真分析需要大量的輸入，包括三維幾何模型、材料參數(shù)、工況受力情況等等。

一般來(lái)說(shuō)，三維幾何模型輸入基本都會(huì)有。材料參數(shù)尤其材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線等讓設(shè)計(jì)人員提供基本沒(méi)戲，網(wǎng)上費(fèi)力的搜索也僅能查到一些簡(jiǎn)單的彈性模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等一般參數(shù)，要想找到一條完整的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線我看比登天還難，更不要說(shuō)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線了?？v然天從人愿，網(wǎng)上找到一條應(yīng)力應(yīng)變曲線，但可信度多大，能不能完整反映你想要的還要打一個(gè)很大的問(wèn)號(hào)！

但我們所面對(duì)的老板（或領(lǐng)導(dǎo)）大多也都一樣，只關(guān)注結(jié)果，不會(huì)關(guān)注過(guò)程。交給你的仿真分析任務(wù)能不能按時(shí)完成，仿真分析結(jié)果能不能對(duì)設(shè)計(jì)提供合理的改進(jìn)建議。至于輸入內(nèi)容有沒(méi)有，輸入內(nèi)容全不全完全不在他的考慮范圍內(nèi)。

作為一名CAE仿真工程師來(lái)說(shuō)，想要一條能夠反映材料特性的應(yīng)力應(yīng)變曲線的要求是合情合理的，因?yàn)橹挥羞@樣才能讓你的仿真分析結(jié)果更加接近實(shí)際狀態(tài)，但你了解過(guò)做一條靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸試驗(yàn)的價(jià)格嗎？更不要說(shuō)考慮應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線了。

據(jù)我了解，目前做一條靜態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線的費(fèi)用大概是1萬(wàn)元人民幣，也就是說(shuō)一條曲線1萬(wàn)元，根據(jù)不同仿真模型，可能需要十幾條甚至上百條的應(yīng)力應(yīng)變曲線，這個(gè)費(fèi)用一般公司是很不愿意出的。

為了解決缺少材料參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變曲線的這個(gè)最大的痛點(diǎn)，我們整個(gè)系列課會(huì)給大家免費(fèi)提供一套完整的材料參數(shù)，這套材料參數(shù)基本上包括了市面上常見(jiàn)的一些材料，比如DC01、DC03、B250P1、HC420_780DP、H220YD、鋁合金6063_T6、塑料PP等等，而且其中大多都是考慮應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。下面給大家簡(jiǎn)單看一下常見(jiàn)材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖 3?1 H340LAD的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖 3?2 H400LAD動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖 3?3 AL6063_T6動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖 3?4 塑料PP的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線