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MADYM0软件进行约束系统开发。MADYM0 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, 很大程度上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,目前已经有多数主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柱结构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10mmX10mm划分,最小网格尺寸控制在4mm,其中安全带固定点螺栓安装孔、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横梁与车身左右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
转向系统是由方向盘、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。 转向管柱压溃采用弹簧discrete单元模拟,通过弹簧材料*MAT_SPRING_INELASTIC定义压溃力与压溃位移曲线,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
其中法向力Sn=50Mpa,剪切力Ss=50Mpa,法向 力系数n=2,到切力系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沬,如图7所示。其中座椅骨架、滑轨等壳单元网格,坐垫及靠背弹簧beam单元处理,坐垫泡沫以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沬下压,按照设计R点对假人进行定位,确定坐垫泡沬下陷状态,用HYPERMESH软件里MORPH功能对坐 垫泡沬实体网格进行下陷处理,避免单元畸变,或者用PR頂ER软件中SEATSQUASH功能进行泡沫下 压,如图8所示。坐垫泡沫材料*MAT_L0W_DENSI- TY„F0AM加以定义。
1.5 安全带、预紧器、卷轴器及滑环
安全带采用一维线单元及壳单元模拟,如图9所示。其中一维线单元*MAT_SEATBELT定义加载和卸载曲线,与假人躯干部位接触的安全带壳单元赋予织带材料*MAT_FABRIC类型定义。PRETENSIONER单元定义预紧器特性,*ELEMENT_SEATBELT_PRE- TENSIONER卡片设置定义触发传感器、卷轴器回收 及预紧特性曲线。预紧特性曲线如图10所示。RETRACTOR单元定义卷轴器特性,*ELEMENT_SEAT_ BELT_RETRACTOR卡片定义传感器触发、卷轴器拉出 力与位移曲线。并且定义属于卷轴器内的SEATBELT单元类型卡片格式*ELEMENT_SEATBELT必须要指定RETRACTOR单元,否则无法计算。卷轴器拉出力 与位移曲线如图11所示。滑环SLIPRING单元模拟DYNA关键字卡片:*ELEMENT_SEATBELT_SLIPRING,与安全带单元节点COINCIDENT重合,并且分别关联两端滑入及滑出的SEATBELT单元ID。