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汽车碰撞仿真假人研究发展动态

发布时间:2015-08-19 09:02

现代碰撞仿真软件包是由前处理/后处理程序模块和数值计算模块组成。碰撞仿真软件包的工业使用效益不仅取决于计算程序的编制效率,而且在很大程度上依赖于与其相连的前处理/后处理程序模块的质量、效率及其用户和协性。目前提供的PAMGENERIS预处理程序模块和PAM-VIEW后处理程序模块都采用了PAM-SOLID数值计算程序。目前,这两种程序模块都在进行大规模的改善和重建,以充分地保证其工业用途的适用性和成功。PAM-SOLID计算程序包括PAM-CRASH汽车碰撞分析程序、PAM-SAFE乘客安全分析程序、PAM-STAM薄板冲压程序和PAM-SHOCK冲击与高速响应分析程序。本文着重介绍PAM-CRASH汽车碰撞分析程序。

工业化汽车碰撞仿真始于12年前,在CRAY1计算机上采用PAM-CRASH计算程序第一次成功地对VW Polo前部进行了一夜的碰撞仿真。自此,所有主要的汽车制造厂都在采用碰撞仿真,以助于设计制造出具有竞争性的抗碰撞汽车。而且,碰撞仿真已扩展应用到其他行业,诸如卡车碰撞、火车碰撞、容器跌落、包装结构和飞机碰撞等。
符合逻辑的第二步,是将仿真方法扩展到乘客安全性的模拟。这类模拟的对象是被动性安全装置,诸如在碰撞时可以保护乘客模型(假人)的安全气袋、安全带和减震垫等。
假人试验技术的发展已导致出现第4代假人,而且第5代假人(生物假人)也即将出现。
此外,显式有限元技术也已用到有关的加工技术过程,诸如薄板金属成形、热塑性复合材料壳体成形、加压成形和液压成形等。这些加工工艺均可借助大量薄壳有限元(多达10万以上),对结构的大变形/大位移和非线性材料进行动态分析和模拟。
显式薄壳模拟技术显着的成功正在得到进一步强化。一是目前将计算程序输入大规模并行计算机,从而给设计部门提供巨大计算能力。二是将计算程序输入廉价微机级工作站,从而使小厂家也能买得起。
以下几方面的发展使得计算程序对许多工业问题的碰撞和冲击仿真都有较大的效力和作用:①直接读CAD数据进行网格制作。②用于概念设计的宏观梁单元。③泡沫材料、复合材料和塑料等新型材料模型、应变率模型和损伤敏感模型等。
计算机仿真下一步的发展包括如下几个主要领域:①将仿真软件包与CAD系统连接起来。②开发更多的材料模型、更精确的单元方程式和接触算法。③开发更大的计算模型。④采用多物理量模型(热效应和固体-液体相互作用)。⑤继续向大规模并行计算机和群体化工作站输入计算程序。

一、算法的新进展
尽管现代显式有限元碰撞仿真计算程序的工业效率和稳定性已达到相当水平,但对算法的改善和发展仍大有余地。现将对这方面所做的工作介绍如下。
1.1 接触仿真
应该指出,在碰撞仿真中,正确和完整的物体间接触仿真是其成功的先决条件。然
而,值得注意的是,无论是使用单处理机(或共用存储并行)程序,还是使用大规模分布式存储并行程序,接触仿真始终是富于挑战性和最复杂的程序设计任务。在第一种情况下,为了使计算既有效率同时又不失其精确性和可靠性,接触的“刚性墙”限制或“滑动接触面”的处理必须尽可能合理。对滑动接触面类型的接触算法来说,业已证明惩罚补偿方法应用得最为广泛。当前的发展趋势,是努力将这一方法尽可能表达得使终端用户一看便懂,其中包括需要克服在满足计算效率和精确性要求中所遇到的困难。应用原来的和改进的惩罚补偿接触算法进行气袋接触处理的比较。
对于大规模并行程序的编制,采用有效的自动区域划分技术便能很容易地将显式有限元程序并行起来。每一个并行处理机只需要与其他处理机进行少量通信,便能完成大量同类模型的工作。由于所确定的接触区域不是静态的(结构变形时,其原来互不相连的部分彼此联系起来),原来的区域划分很快便不适用,若还按原来的进行接触计算,将会导致信息传递量的大增和极不均衡的工作量分配。因此,碰撞仿真程序大规模并行接口方面的重要工作,是接触算法的有效并行。
1.2 网格自变算法
在薄板部件和结构的碰撞仿真中,网格自变算法技术的主要目标,是将大变形区附近的薄壳有限元网格自动局部细化。在工业金属薄板冲压仿真中,这个问题已得到解决。PAM-STAMP薄板冲压仿真程序采用了可以进行均匀和自动地选择薄壳网格细化和粗化的程序。
网格自变算法较难应用于碰撞仿真的第一个原因,是必须使网格的适应性与较大范围的接触处理和刚性墙接触/冲击的选择相容。虽然接触是薄板冲压的主导机制,但是由于其所用的工具几何形状和基本不存在薄板的自力接触,对它的处理比较简单。在碰撞仿真中,自力接触经常大量出现,而且较难将其修正以应用网格自变算法。
网格自变算法对碰撞仿真不太适应乃至危险的第二个原因,是在塑性拐角处或碰撞区存在局限性。也就是说,在实际计算中经细化的网格区域其刚性比原来较粗的网格的小,而且未经细化的网格的塑性拐角处和碰撞区可能被增加了柔软性或减少了计算阻力的细化区所掩盖。因此,为了避免这种局限性,必须认真地选择细化标准,原来的网格也不能太粗。
网格自变算法的应用实例包括薄壁箱形立柱的轴向冲击(图2a)、S形框架中大变形塑性拐角区的研究(图2b)、小客车前部碰撞(图2c)和金属薄板冲压(图2d)。
设计、标定和证实各种材料模型对于铝合金、塑料、泡沫材料、橡胶和复合材料行为的描述得到越来越多的重视。PAM—SOLID程序中包括了用于描述这些材料行为的模型。

二、以下着重介绍其中的几种。
2.1 弹塑性/应变率/损伤模型
PAM-SOLID程序中的有限元法采用了多种含有应变率的各向同性和各向异性弹塑性材料和损伤材料模型。材料应力—应变普通规律,如图3所示。图3a为反应和损伤曲线。原则上,该法可适用于各种材料。基本的未受损伤的应力—应变规律。数减少材料强度。这里指出的对损伤的一般描述归功于Lemaitre-Chboche,该模型已应用于任何材料,诸如金属、塑料、复合材料和泡沫材料等。目前,我们与Valenciennes大学合作,对韧性金属采用了Gurson损伤模式用于描述塑性应变和材料微空隙的成核过程、成长和聚结对材料行为的影响。在不同尺度模型中,空隙或损伤对应力的影响如图3b所示。
2.2 铝合金
采用可用于各向异性材料的Hill(1990年)非二次屈服函数,可以描述铝合金的塑性行为,如图4所示。PAM-STAMP程序已采用了这一模型,并已用于铝板深拉仿真。
2.3 塑料
在对塑料进行平面应力拉伸试验的仿真过程中,一般塑料显示出先软化再硬化的弹塑性行为。首先,有限元模型用于模拟拉伸试验中应力—应变曲线上的软化阶段(图5a),一旦塑性应力σ降到正切模量Et以下,便产生塑性不稳定性(颈缩)。当塑性应变达到一定的破裂极限时,这种不稳定性便很快地导致塑性应变的集中及试件的破裂。其次,对原来的塑性硬化曲线加以修改(图5b),以便强化形成较高的塑性应变力,从而将颈缩的平面应力条件σ=Et限制在ε1<ε<ε2的范围内。最初的颈缩仍象以前一样发展,但是现在当颈缩区域的有限元被拉伸到塑性应变ε2以上时,材料的硬化抑制了颈缩。于是,颈缩便向其周围的有限元扩展,并逐步侵入整个试件。
2.4 其他材料
对于侧撞障碍物、衬垫和机械假人外皮泡沫等的描述,PAM-SOLID软件有多种模型可适用于模拟这些材料的破裂、压缩、粘性变形和与速率有关的行为。
对于橡胶材料和类似于橡胶材料,诸如轮胎、发动机支架和假人部件等的描述,也有了许多超塑性和准非压缩材料模型。
对于纤维增强材料的碰撞仿真,已有易碎损伤材料的模型。这些模型也已扩展到对其他复合材料的描述。
当然,所有这些材料模型均需进一步的改进。新材料模型将继续出现,以满足各工业部门对其具体产品进行改进这一不断增长的需要。

三、概念碰撞设计
碰撞仿真中一个有趣的趋势是,工业界越来越需要简单的碰撞仿真手段,尤其是交通运输设备设计的早期阶段。目前,现有的碰撞仿真实践大多强调最后阶段,即使用大量有限元的整体模型(有限元2万到10万,甚至更多),对设计的结构进行最终碰撞性能的校核。然而,在设计结构的抗撞性能时,可能没有制作详细的碰撞核实模型所需要的信息和时间。因此,简单化的方法更受欢迎。
概念碰撞设计的实例之一是箱式立柱。目前,ESI集团正在根据其与Valenciennes大学合作开发的动力超失稳软件(PAM-SUPERFOLD),对这个概念碰撞所需的图象用户接口进行研究。在这个接口中,用户可以输入箱式立柱的壁厚和材料特性。通过动力超失稳软件,计算出部件对轴向或深弯度失稳条件下的冲击反应。也可以采用另一个目前正在开发的PAM-OPT程序,通过自动变化一组输入的优化参数和限制变量,来获得所需要的最佳反应。然后,可以对所确定厚度的部件进行自动有限元网格划分,再输入到PAM-CRASH有限元软件中进行计算核实。其后的碰撞设计过程可以将前一阶段的碰撞部件反应曲线套入碰撞程序中专门设计的三维梁/非线性弹性或整体梁单元模型。再其后的阶段形成从早期碰撞设计到结构节点的过渡,其部件具有实际几何形状、截止点和连接等。在这个混合性阶段中,可以将关键区域的网格细化,而对结构的其他部分则只进行粗略的模拟即可。最后的阶段,使用最细密的模型对整体设计进行证实。

四、安全方面
除了已开发的可变形撞击障碍物(侧撞和前撞)模型和各种机械假人模型(复合Ⅲ、欧洲侧撞型、美国侧撞型、生物侧撞型和孩子型等)以外,人体的生物力学模型也已得到开发。这方面的工作将可能得到更大的发展,这是因为对人体的生物模型的模拟是唯一能得到人对碰撞事件的直接反应的途径。ESI集团已开发了这一类模型(如头部和下腿)。腿初始模型包括骨头、韧带、腱和肌肉模型。

五、结论
碰撞仿真技术和程序不仅可以成功地用于汽车碰撞仿真,也可以用于其他许多相关的领域。例如,为电冰箱的跌落而设计的缓冲包装材料,对家电产品的跌落试验模拟(例如小型计算机)以估算敏感元件的损伤和对太空探测用的硬着陆器的碰撞仿真。此外,轮胎在滚过凸起物时的反应,体育用品的撞击反应,还有桥梁、吊车、护轨、容器、火车、船只、卡车、拖拉机和自行车等的撞击反应,均可采用这种技术。实际上,碰撞和撞击仿真软件的应用范围正不断地增长。


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