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2017-01-05 by:CAE仿真在线 来源:互联网
PAM-CRASH与其他常用汽车碰撞仿真分析软件接口的应用研究
王 楠1 张君媛1 叶 威2 金景旭1
1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022;
2.ESI中国,北京,100080
摘 要:汽车碰撞仿真分析主要方法分为有限元法和多刚体动力学法,有限元法中常使用的软件有HYPERMESH、LS-DYNA和PAM-CRASH等,多刚体动力学法中常使用的软件为MADYMO。为了实现模型在不同仿真软件之间的转换,避免重复的建模工作,提高研发的效率,本文研究了PAM-CRASH与HYPERMESH、LS-DYNA以及MADYMO软件之间的接口,旨在为不同研究机构间的交流提供便利。
关键字:PAM-CRASH;汽车碰撞;仿真分析;软件接口
1 引言
在车辆的设计开发中,运用计算机模拟碰撞,不仅可以节约试验费用,缩短开发周期,而且具有可重复性,能够方便地进行许多在现实中很难完成的试验模拟。因此,计算机模拟碰撞的研究方法正越来越多地受到汽车企业及研究部门的重视。
PAM-CRASH是ESI公司开发的基于显式有限元算法的计算机三维碰撞冲击仿真模拟系统,是一个应用于汽车、航空、电子和材料生产等专业领域,有关冲击、碰撞、安全性虚拟测试等问题解决的实用工具,能够对大位移、大旋转、大应变、接触碰撞等问题进行十分精确的模拟,能够简便地处理异常复杂的边界约束。
PAM-CRASH不仅具有乘员约束系统建模所需的主要工具,可以快速地建立安全带、安全气囊、座椅等模型,还具有丰富的假人库(包括前碰撞假人、后碰撞假人、侧碰撞假人以及其他人体模型),能够精确计算碰撞过程中的人体伤害。另外,PAM-CRASH还具有丰富的碰撞障碍模型库,可以通过输入碰撞类型(正碰、侧碰等)、法规规程(FMVSS、IIHS等)以及壁障类型(刚性墙、移动可变形壁障等)快速地建立碰撞障碍模型。
此外,PAM-CRASH与其他常用的汽车碰撞仿真分析软件有着非常良好的接口。因此,本文针对PAM-CRASH与其他汽车仿真碰撞分析软件之间的接口进行了研究,旨在为汽车碰撞仿真分析提供方便。
2 汽车碰撞仿真分析方法及常用软件
常用的汽车碰撞仿真分析方法有多刚体动力学法和有限元法。在汽车仿真分析过程中,多刚体动力学法以刚体来代表分析和受力的对象,用来评价乘员在特定碰撞状态下的响应,常用的多刚体分析软件为TNO公司开发的MADYMO软件;有限元法被广泛用来进行整车或结构的碰撞分析以及乘员碰撞响应的求解,常用的有限元分析软件包括HYPERMESH、LS-DYNA、PAM-CRASH等。
由于多方面原因,各研究机构使用的仿真软件不尽相同,实际应用过程中不同软件模型之间的转换问题不可避免。而PAM-CRASH不仅可以读取HYPERMESH等软件的文件,还可以与MADYMO的假人耦合进行碰撞仿真分析。此外,PAM-CRASH还可以通过一系列接口实现与LS-DYNA模型的转换。常用汽车碰撞仿真软件与PAM-CRASH之间的关系如图1所示。
图1 常用汽车碰撞仿真软件与PAM-CRASH之间的关系
3 PAM-CRASH与有限元仿真软件的接口
3.1 PAM-CRASH与HYPERMESH的接口
HYPERMESH可以将划分好的网格文件以.pc格式输出,进而在PAM-CRASH中添加材料、接触、载荷、约束以及连接等信息,以建立完整的有限元模型;HYPERMESH也可以直接建立完整的有限元模型并以.pc格式输出,然后在PAM-CRASH中进行求解计算。同样,HYPERMESH也可以查看由PAM-CRASH输出的.pc格式的文件。因此,PAM-CRASH可以与HYPERMESH进行文件的交互,为模型的前处理提供了便利。
3.2 PAM-CRASH与LS-DYNA的接口
LS-DYNA的有限元模型可以通过一系列方法转换成PAM-CRASH模型。常用的转换方法有两种,一种是以HYPERMESH为接口的模型转换方法,另一种方法是通过PAM-CRASH自身的快速转换命令实现LS-DYNA有限元模型向PAM-CRASH模型的转换。
3.2.1 基于HYPERMESH的模型转换方法
首先将LS-DYNA模型的K文件导入HYPERMESH,然后以PAM-CRASH的模板格式输出,实现自动转换。自动转换可以将模型的节点,单元和部件的基本信息正确实现,但对于两种软件不能兼容的信息,还是需要根据模型对应转换关系手动进行操作,具体的转换过程如图2所示。
图2 基于HYPERMESH的模型转换流程图
3.2.2 基于PAM-CRASH快速转换命令的模型转换方法
首先将LS-DYNA模型的K文件在PAM-CRASH的VISUAL-CRASH模块中打开,在菜单栏的TOOLS选项中选择CONVERT DYNA TO PAM,模型便会根据一定的信息对应关系进行自动转换,该转换关系可以在帮助文档中查看。同样,该自动转换可以将模型的节点、单元和部件的基本信息正确实现,但仍然存在两种软件不能兼容的信息,需要依次通过菜单的CHECK选项中的DATA CHECK、KINEMATIC CHECK、PENETRATION/ INTERSECTION CHECK进行查找和修改。然后将模型提交PAM-CRASH SOLVERS进行求解,并在VISUAL-VIEWER中查看DSY文件,再将计算结果与LS-DYNA进行比较,以验证转换结果的准确性,其模型转换流程如图3所示。
本文以薄壁梁撞击刚性墙为例,对上述转换方法的准确性进行了验证,验证结果(图4)表明,原LS-DYNA模型与转换得到的PAM-CRASH模型中薄壁梁的压溃变形过程基本一致。
该方法仅通过PAM-CRASH自身的快速转换命令,无需第三方软件为接口,就能够实现有限元模型的转换,不仅减少了工作量,节省了时间,而且降低了对开发人员的要求,减弱了模型转换的难度。
实现LS-DYNA与PAM-CRASH模型的转换,能够避免重复的建模工作,从而提高研发的效率,并且能够为不同研究机构之间的交流提供便利。
图3 基于PAM-CRASH快速转换命令的模型转换流程图
图4 薄壁梁LS-DYNA模型与PAM-CRASH模型变形对比
4 PAM-CRASH与多刚体仿真软件的接口
PAM-CRASH可以实现有限元模型与MADYMO多刚体假人的耦合计算。在进行耦合计算前,要保证PAM-CRASH和MADYMO(6.x版本)已经装在同一台电脑上,并且已经在PAM-CRASH中设置好与MADYMO软件及其假人库的链接路径。准备工作完成后,就可以进行PAM-CRASH与MADYMO的耦合了,具体过程如下:首先依次在PAM-CRASH中打开.pc格式的有限元模型以及.xml格式的MADYMO多刚体假人模型,如图5所示;然后通过SAFE TOOLS中的耦合选项,将MADYMO的多刚体假人作为一个部件导入到PAM-CRASH有限元模型中,此时该多刚体假人模型部件具有默认的材料属性,可以对材料中的密度、杨氏模量以及泊松比等参数进行修改;再将假人摆放到合适的位置,如图6所示,并建立相应的接触;最后将耦合后的文件以.pc格式输出,即可提交计算。
图5 有限元模型以及多刚体假人模型
图6 摆放好的多刚体假人与有限元耦合模型
PAM-CRASH与MADYMO软件的接口,实现了多刚体‒有限元耦合仿真技术,采用该方法可以进行基于人体损伤特征的模块化的局部有限元假人建模,对需要详细分析的人体部位用精细的有限元模型来代替常规的多刚体模型,在满足损伤分析对模型精度要求的前提下,确保一定的计算效率。
5 结论
PAM-CRASH不仅可以读取HYPERMESH输出的文件,还可以与MADYMO的假人耦合进行碰撞仿真分析,同时,PAM-CRASH能够通过一系列接口实现与LS-DYNA模型的转换,为不同研究机构之间的交流以及汽车碰撞仿真分析提供了方便。
参考文献
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本文摘自《ESI虚拟样机技术及应用—2014年ESI中国&中航伊萨用户峰会论文选集》知识产权出版社ISBN 978-7-5130-3037-3
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