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基于HyperWorks的碰撞侵入量测量方法研究

2020/3/3    来源:Altair论文集    作者:王圣波      
关键字:HyperWorks  碰撞侵入量测量  仿真  
本文根据碰撞安全仿真中侵入量测量的需要,介绍了三种不同的测量方法,利用HyperWorks软件平台基于侧面碰撞仿真模型研究车辆碰撞变形侵入量的测量方法,并将三种仿真结果与试验数据进行对比,结果基本吻合。表明本文介绍的三种测量方法精度可靠,均可应用于仿真分析中。
1 引言
 
       当前国内汽车保有量的持续增加,交通碰撞事故不断攀升,车辆的碰撞性能越来越受到消费者的关注和重视。当车辆发生碰撞时,为保护车内乘员的安全,根据汽车碰撞损伤机理车辆需要具备的基本特性之一是乘员舱不发生过大的碰撞变形,保证乘员足够的生存空间。众所周知,侵入量的大小,可客观反映乘员舱的变形情况,因此乘员舱侵入量的测量是碰撞试验中必不可少的测量项。
 
       随着有限元理论的成熟及CAE(Computer Aided Engineering)商业软件的发展,CAE分析技术在汽车开发中发挥不可或缺的作用,特别是在汽车碰撞安全方面,可准确预测碰撞结果,减少碰撞试验次数,缩短开发周期,降低开发成本。有限元仿真中侵入量的测量方法较多,这些方法原理不同,优劣难分,时常影响用户的选择。本文基于汽车业内CAE仿真普遍使用的有限元商用软件HyperWorks平台,以侧面碰撞仿真分析为例,进行侵入量测量方法的研究,并将仿真结果与试验数据作对比,验证仿真中测量方法的可靠性,为后续应用提供依据。
 
2 侵入量的测量方法
 
       碰撞安全有限元仿真软件中提供有多种测量方法:包括弹簧单元法、位移测量法和后处理测量法等。这些方法原理不一,测量过程和结果难免有差异。因此,有必要对侵入量的测量方法进行研究对比,寻找到合适的测量方法,便于今后推广应用。
 
       2.1 弹簧单元法
 
       在两个测量点间通过新建一个弹簧单元*ELEMENT_DISCRETE,然后在关键字*DATABASE_OPTION中定义DEFORC,并设定数据输出时间间隔,通常设为10e-4s数据精度满足分析要求,分析结果将输出弹簧单元的变形量,获得两点间的位移量。其中,弹簧单元一般采用SDMAT1材料模型,弹簧刚度K的设置取一个较小的值(如1.0e-4),拉伸或者压缩时变形阻力小可以忽略不计,精度较高,可用来测量位移。弹簧属性采用线性中的*SECTION_DISCRETE,属性关键字菜单如图1所示。

弹簧属性关键字

图1 弹簧属性关键字
 
       其中,ID为弹簧单元属性编号;DRO可设置为0或1,为0时表示所定义的弹簧单元为拉伸弹簧,输出结果为位移变化数据,为1时弹簧为转动弹簧,输出结果为转角变化数据;KD为动力放大系数;V0为测试速度;CL为间隙量;FD为失效的位移或转角;CDL为失效前压缩极限;TDL为失效前拉伸极限。KD至TDL的实常数可以不被定义。

弹簧单元示意图

图2 弹簧单元示意图
 
       图2为创建好的弹簧单元(*ELEMENT_DISCRETE)示意图。测量弹簧单元的作用线始终沿着N1到N2的方向。弹簧单元只有一个方向的刚度,位移的结果为两个测量点间的位移,没有位移分量,选择该方法的优点为单元设置以后后处理数据读取方便快捷,缺点为测量位移是单元两个节点间的单方向距离,若要测量其它方向的位移分量需要增加相应数量的弹簧。
 
       2.2 位移测量法
 
       加速度传感器不仅输出加速度数据,还能输出位移数据。位移测量法正是利用加速度器的位移数据输出功能,布置加速度器在测量点记录变形过程该点在全局坐标下的位移变化曲线,然后与在整车中相对不变形位置创建的局部坐标或者加速度器输出的位移曲线作相对位移减法处理,得到最终的相对位移曲线,即侵入过程位移曲线。从该曲线可以知悉车辆碰撞变形过程测量点的动态侵入量情况及峰值,也可以获得最终的静态侵入数值。
 
       加速度传感器通过关键字*ELEMENT_SEATBELT_ACCELEROMETER进行创建,通常采用一个等腰直角三角形定义传感器单元,依次选取传感器坐标原点节点,X轴方向节点,Y轴方向节点,创建一个加速度传感器单元,如图3所示,然后在output block菜单中定义输出加速度器原点的变形量,输出测量点的位移信息。需要特别注意的是,传感器单元的三个节点均必须是刚形体的节点,否则计算过程中将发生错误而中止。
 
       加速度器可以输出测量点的加速度、速度和位移信息,包含X、Y、Z及三个方向合成的数据。输出的信息多,读取方便。

传感器选取顺序与局部坐标系

图3 传感器选取顺序与局部坐标系
 
       2.3 Measures节点测量法
 
       考虑到用户前处理模型中没有对测量点设置测量弹簧,也没有定义加速度器的情况,HyperWorks的后处理软件HyperView提供另一种测量工具——Measures,利用该工具可以对车身上的任意节点进行测量和数据输出。Measures测量法需要在分析计算时输出d3plot,在HyperView中测量并输出曲线到HyperGraph 2D中进行处理和读取。Measures测量的结果可以输出测量点的X、Y、Z三个方向及合位移的数据。输出曲线的数据精度受限于d3plot的帧数,帧数要足够多,否则结果误差较大。
 
3 测量方法的结果对比
 
       弹簧单元、加速度器及Measures三种测量方法均可实现碰撞过程对关键节点的位移测量及数据曲线输出,但原理各不相同,结果难以统一。因此,本文选取C-NCAP碰撞中典型的工况——侧面碰撞为基础,进行B柱侵入量的计算测量,并与实车试验结果数据进行对比。

台车定位比较

图4 台车定位比较

侧面整车变形结果对比

图5 侧面整车变形结果对比
 
       为了保证仿真分析结果的可靠性,侧面碰撞的仿真模拟条件严格按照C-NCP2015侧面碰撞要求进行设置,以确保仿真与试验边界及工况的统一。图4为碰撞前的试验实车和仿真模型对比,图5为碰撞后的实车试验结果与仿真结果对比。从图4和图5可知,仿真和试验基本吻合,仿真模型可靠。
 
       3.1 侵入量测量
 
       侧面碰撞为单边变形,碰撞侧车身侵入量通常较大,乘员舱变形大小直接决定乘员的生存空间,直接影响假人的伤害值,所以侵入量大小是评价整车碰撞安全性能的重要指标。B柱位于侧面碰撞吸能区,这部分直接反应侧面变形的积累和乘员舱变形量得大小,采用B柱侧面侵入量可直接反映乘员舱的侵入情况。头部、胸部和腹部是影响侧面碰撞假人得分的重要区域,本文选取B柱上对应头部质心、胸部和腹部高度的三个位置作为测量点,进行仿真和试验侵入量数据的测量。
 
       仿真中通过分别设置弹簧单元、加速度器及Measures三种测量方法来输出指定位置的侵入量,再与试验中通过三坐标测量仪测量的侵入量进行对比,可以研究仿真中三种测量方法的精度。图6为仿真中B柱上侵入量测量点的位置分布图,测量其Y向的侵入量。

B柱上静态测量点位置

图6 B柱上静态测量点位置

B柱上假人头部质心对应高度测量结果

图7 B柱上假人头部质心对应高度测量结果

B柱上假人胸部对应高度测量结果

图8 B柱上假人胸部对应高度测量结果

B柱上假人腹部对应高度测量结果

图9 B柱上假人腹部对应高度测量结果
 
       图7~8分别为假人头部质心、胸部和腹部对应B柱上高度的仿真测量结果,从图中曲线可知,弹簧法、加速度法和HyperView Measure法的动态测量结果曲线趋势基本一致,侵入量曲线先变大然后转小最后趋于稳定。这是由于B柱结构中空,材料主要由薄钣金件焊接而成,在侧面壁障碰撞的过程中B柱在碰撞方向上局部先发生压溃变形然后变形扩大,当壁障与车辆速度一样时B柱侵入量达到最大,然后壁障与车辆开始分离,B柱上的钣金出现变形回弹,经过充分回弹侵入量基本稳定。图7中弹簧法与HyperView Measure法测量的动态曲线基本吻合,但与加速度器测量的结果有偏差,峰值相差大约6mm,差别较小。图8和图9三种测量方法的结果动态曲线基本相同。通过相同测量点的测量结果曲线对比,表明hyperWorks提供的三种侵入量测量方法结果基本一致。
 
       3.2 侵入量对标
 
       为了验证HyperWorks提供侵入量测量方法的可靠性,有必要将仿真的结果与实车试验数据进行对比。车身内部结构较为复杂,加上内饰、座椅等的安装,限制了位移传感器的应用,在高速碰撞中测量位移动态变化较为困难。当前国内主要碰撞试验室测量高速碰撞车的侵入量,以三坐标仪静态测量为主。表1为B柱上静态侵入量测量结果统计,对比表1中数据可知,仿真与试验关键点侵入量数值基本相符。与试验值相比,P1点最大误差为加速度器测量结果,误差7mm;P2点最大误差为加速度器测量结果,误差也是7mm;P3点最大误差为Mearsure测量结果,误差为8mm。通过表1可知弹簧测量的结果最接近试验值,加速度器测量的结果与试验误差较大。然而各个测量点的侵入量均较小,最大误差均在10mm以内,满足工程要求,说明仿真中使用的三种侵入量测量方法均能够较好的表征物理样本,进一步验证了仿真中三种测量方法的精度均较高。
 
表1 B柱上静态侵入量结果对比

B柱上静态侵入量结果对比

4 总结
 
       本文基于HyperWorks平台,针对碰撞安全试验中常用的侵入量测量,介绍了弹簧单元法、位移测量法和后处理测量法三种仿真位移测量方法。通过侧面碰撞模型,分别对三种测量方法进行了仿真对比分析,结果表明三种测量方法的结果基本一致,吻合度较高。为了验证仿真结果的可靠性,将三种测量方法的仿真结果与实车试验的静态数据列表比较,误差均较小,精度可靠,均满足工程要求。研究表明三种测量方法,均可在仿真分析中应用。
责任编辑:程玥
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