基于LS-DYNA应用约束系统的仿真技术研究

    0 引言

    在整车设计开发中，正面碰撞台车约束系统匹配开发阶段，主机厂、零部件供应商往往运用多刚体动力学MADYMO软件进行约束系统开发，MADYMO软件具备建模简单、计算高效等特点，但是往往依据试验数据输入模型对标，进行下一步优化分析，很大程度下不能得到真实的零部件力学特性。随着汽车研发技术的发展，整车开发对仿真精度要求愈来愈高，日前已经有多数丰机厂和零部件供应商在逐步探索运用有限元仿真方法进行约束系统开发，本文主要基于DYNA应用进行正面碰撞台车试验工况模拟仿真，研究约束系统有限元仿真方法，为整车约束系统开发提供技术应用方法。

    1 台车试验有限元模型

    台车试验有限元模型包括以下七个零部件系统：车身、座椅、仪表板横梁、转向系统（包括转向管柱、方向盘）、气囊、安全带系统（包括预紧器、卷轴器、滑环单元）、假人等，如图1所示。通过关键字*INCLUDE调用上述各个零部件系统文件组成台车试验仿真模型。模型节点数量317431个，单元数量299490个，其中一维单元数量3432个、壳单元数量285930个、实体单元数量9546个。

    图1 台车试验有限元模型

    1.1 车身

    为了兼顾计算效率及台车模型结构完整性要求，截取左右A柱及防火墙结构以及左侧B柱及四分之一地板结构，如图2所示。左右A柱结构保证IP横梁安装，便于模拟实际受力结构需要。B柱结杓为了安全带上下固定点及卷轴器安装。四分之一地板前部结构用于座椅安装。车身网格尺寸10mm×10mm划分，最小网格尺寸控制在4mm，其中安伞带幽定点螺栓安装孔、车身座椅安装孔及IP横梁安装孔采用washer处理，如图3所示。

    图2 车身结构

    图3 螺栓安装孔washer网格处理

    1.2 IP横梁

    IP横梁与车身片右A柱螺栓连接，下支撑板与中央通道螺栓连接，转向管柱通过安装板固定在IP横梁上，如图4所示。在高速碰撞下，IP自身的结构强度对于转向管柱的压溃及气囊与假人接触有着重要的影响。

    图4 IP横梁结构

    1.3 转向系统

    转向系统是方向盘、转向器、转向轴、转向节等基本部分组成，如图5所示。转向系统有两个万向节的连接，采用万向铰UNIVERSAL JOINT模拟。转向管柱乐溃采用弹簧discrete单元模拟，通过弹簧材料：*MAT SPRING_ INELASTIC定义压渍力与压溃位移曲线，如图6所示。并且采用圆柱铰TRANSLATIONAL JOINT定义管柱运动副。方向盘饰盖撕裂线采用CONSTRAINED SPOTWELD_ID定义。应用法向力、剪切力失效理论定义饰盖撕裂。

    图5 转向系统结构

    图6 转向管柱压溃曲线

    其巾法向力Sn=50Mpa，剪切力Ss=50Mpa，法向力系教n=2，剪切力系m=2。

    1.4 汽车座椅

    汽车座椅建模主要分为座椅骨架、滑轨、泡沫等部分，删除座椅靠背及头枕泡沫，如图7所示。其rf1座椅骨架、滑轨等壳单元网格，坐垫及靠背弹簧beam单元处理，6舱垫泡沫以8节点六面体单元为主，尽量避免4面体单元。考虑到假人对座椅泡沫下压，按照设计R点对假人进行定位，确定坐垫泡沫下陷状态，用HYPERMESH软件里MORPH功能对坐垫泡沫实体网格进行下陷处理，避免单元畸变，或者用PRIMER软件中SEATSQUASH功能进行泡沫下压，如图8所示。坐垫泡沫材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM加以定义。