基于LS-DYNA/MADYMO耦合功能在汽车碰撞ECE R95侧碰分析中的应用

摘要:近年来,LS-DYNA/MADYMO 耦合分析方法在汽车碰撞分析领域被广泛应用。耦合功能结合了LSDYNA和MADYMO 两种分析软件各自的长处,给工程师提供了新的分析途径。本文介绍了耦合方法在新车开发分析中的应用,选取的工况是ECER95(中国即将在2006 正式颁布的侧碰法规)。此外还与完全采用LS-DYNA 的模型分析作了比较并简单介绍了提高侧碰安全性的改进策略。

简介

LS-DYNA 和MADYMO 是汽车业界通用的结构耐撞性和乘员安全性分析软件。利用这两个软件的各自优势的耦合功能 (LS-DYNA/MADYMOCoupling) ,随着MADYMO 6.0 和LS-DYNA 970版本的发布,也相应扩展了(extended coupling)。ADYMO 模型和LS-DYNA 模型之间接触力的计算,改进了原来的算法,采用了MADYMO 的接触算法 [1]。

软件用户们也于是纷纷开始把扩展的耦合功能应用在正面碰撞(包括偏置碰撞)和侧碰分析中[2]。不少汽车公司也在将其应用在汽车开发流程中[3][4]。本篇论文主要介绍LS-DYNA/MADYMO 耦合功能在泛亚汽车的应用情况,分析选取的侧碰工况参照即将于明年(2006)实施的中国侧碰法规。

中国侧碰安全法规

我国强制执行的汽车碰撞法规,到目前为止只有100%正面碰撞即GB11551。而在发生的交通事故中,由侧面碰撞造成人员的死伤占20%以上。中国的汽车侧碰法规急待推出和实施。以欧洲侧碰安全法规ECE R95 为蓝本的中国汽车侧碰安全国家标准《汽车侧面碰撞的乘员保护》ECE R95[5],将于明年2006 正式颁布实施。

如图1 试验布置所示,在碰撞试验中,前排驾驶员座放置Euro SID-I/II假人。移动变形壁障重量为950±20kg,它以50±1km/h 的速度垂直撞向试验车辆。移动变形壁障的纵向中垂面与试验车辆上通过碰撞前排座椅R 点的横断垂面之间的距离应在±25mm 内。

图1 ECE R95 试验布置

碰撞试验后假人的伤害指标必须要满足以下要求:

1. 头部性能指标(HPC)≤ 1000,或“无头部接触”
2. 胸部性能指标:
2.1 肋骨变形指标(RDC)≤ 42 mm
2.2 粘性指标(VC)≤ 1.0 m/s
3. 骨盆性能指标:耻骨结合点力峰值(PSPF)≤6 kN
4. 腹部性能指标:腹部力峰值(APF)≤ 2.5 kN的内力(相当于4.5 kN 的外力)。

其他需要满足的要求可以详细参考 [5]。

耦合模型的建立

如何建立LS-DYNA/MADYMO 耦合模型,在文献[3]和用户手册中[6][7]有详细的介绍。由于LSDYNA提供了丰富的材料模型,通常整车模型和移动变形壁障采用LS-DYNA 的有限元模型。而假人和侧面气囊或气帘则可以选用MADYMO 的多刚体模型和有限元模型。不过正是由于耦合功能,使得选取哪个软件的模型变得更灵活,车身上的子部件也可以根据需要选用MADYMO 模型。

这里不详细讨论建立模型的过程,只是结合经验介绍一些关键词的作用:

1. *Control_Coupling:用来转换LS-DYNA 和MADYMO 的单位制。因为LS-DYNA 和MADYMO 常用的单位制不一样。LS-DYNA 常用的是mm,ms,kg;MADYMO 默认用的是国际单位m,s,kg。

2. *Contact_Coupling:这里定义的是可能和MADYMO 模型发生接触的LS-DYNA 模型。因为在这里定义的部件都会显示在KN3 文件中,所以为了后处理的显示效果,也可以加上壁障等不涉及接触的部件,以加强视觉效果。

3. 注意MADYMO 模型中接触类型的定义。因为耦合计算中采用的是MADYMO 接触算法,发现使用CONTACT_FORCE.KINEMATIC ,会使计算不稳定。根据经验,接触类型可以选取CONTACT_FORCE.CHAR、CONTACT_FORCE.PENALTY 或CONTACT_FORCE.ADAPTIVE 中的一种。

4. 安全带模型并不包括在整个模型中。根据作者现有经验,安全带在侧面碰撞中对假人伤害值的贡献不大。

耦合模型建立后如图2:假人选用的是MADYMO的ES-2;整车和移动变形壁障是LS-DYNA 模型。

图2 建立的耦合模型

计算比较和侧碰性能的改进

采用耦合比单纯用LS-DYNA 模型(整车、假人和壁障)在计算效率上有一定的提高。表1 显示的是用2cpu 计算的时间比较。

表1 计算时间比较

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,计算时需要设置相同的CPU 个数。在和LSTC 交流之后,新的耦合程序版本可以设置不同的CPU 个数,即LSDYNA 可以设置多个CPU, 而MADYMO 可以只用1 个CPU,计算效率仍在测试中。

耦合计算结果和纯LS-DYNA 模型的计算结果和试验结果的比较也在进行中。可以肯定的一点是,在设计初期,由于时间上的优势,采用耦合模型可以为设计变量的调整给出方向。

侧碰法规的实施给汽车设计提出了更具体的要求。如何提升汽车侧碰性能、减小碰撞后假人身上各项指标,一直是各个汽车厂商所关注的。一方面是通过车身结构的改进,合理分布载荷的传递,使假人的躯干肢体受到尽量小的,由碰撞带来的能量。 此外采用侧面气囊和气帘也可以大大减少乘员伤害。不少汽车厂商已经把侧面气囊作为汽车的标准配置之一。泛亚近些年在如何提高汽车侧碰性能上积累并形成了一些自己的经验[8]。

结论

耦合模型一旦建立,之后只需要对结构或参数进行相应的改动或调整,便可以立即计算。由于采用了MADYMO 多刚体的假人,可以避免令人头痛的有限元假人中的负体积 (negative volume) 问题,大大提高了计算效率。这对汽车开发初期是大有好处的。