梁骨架模型加速汽车结构的碰撞设计

目前，用于汽车结构碰撞的虚拟仿真模型主要包括：集中参数模型、多刚体模型、壳单元模型。本文提出了塑性铰梁骨架模型，并创建了具有任意横截面形状的复杂薄壁梁结构，例如：开口、单腔室、双腔室、三腔室和四腔室等汽车车身常用的横截面形状。

本文建立的车身梁骨架模型，可用于汽车概念设计阶段的碰撞分析。“小幅牺牲精度，大幅提升效率” 设计理念可加速产品的正向设计。以上设计方法由团队自主开发的CarFrame软件实现。

典型的复杂断面形状如下图所示，其关键性能包括：面积、形心、弯曲惯性矩、扭转惯性矩等。

塑性铰接头的创建

传统的梁单元接头处连接为刚性连接。本文采用塑性铰连接，以提高求解精度。创建塑性铰单元，需要梁的广义力—广义位移曲线（包括：轴向碰撞力—位移曲线，弯矩—转角曲线和扭矩—转角曲线），所以首先调用LS-Dyna求解之，如下图所示。

通过以上曲线，可创建塑性铰接头单元。其由一个压缩弹簧，两个弯曲弹簧和一个扭转弹簧组成，如下图所示，其中塑性铰接头单元为零长度且无质量，位于梁单元的两端。

上述方法嵌入到CarFrame中。具体应用过程为：首先，设计出各复杂横截面薄壁梁的截面形状；其次，CarFrame调用LS-Dyna自动求解薄壁梁的广义力—广义位移曲线，并创建塑性铰接头；最后，使用这些薄壁梁及塑性铰接头创建骨架模型，CarFrame生成.k文件并调用LS-Dyna进行碰撞求解。

以下算例验证了上述方法（注：所有算例均在Intel Core i7 CPU和8 GB内存的笔记本电脑上求解）。

案例一  薄壁直梁轴向压溃

薄壁直梁可用于简化模拟汽车前纵梁的正碰压溃。实验装置如下图所示，用于测试冲击载荷下直梁的变形和位移。详细有限元模型为壳单元网格。简化模型为11个薄壁梁单元，梁单元之间的每个节点处建立轴向塑性接头。

上图分别为三种模型的变形，可以看出头部的折叠变形几乎相同。下图表明，三种模型的碰撞位移趋势基本一致，最大误差可以控制在5％以内。此外，详细和简化模型的计算时间分别为499秒和5秒。简化模型的计算成本大大降低，且精度完全可以被工程接受。

案例二  汽车侧围结构柱碰

下图中，详细模型为壳单元网格，简化模型为具有9组截面形状的梁骨架。提取A、B、C点侵入位移和速度，对两种模型进行对比。

如上图所示，详细和简化模型在碰撞终止时的变形基本一致。下表显示出，侵入量和侵入速度的最大误差，分别为2.95％和9.88％。此外，详细和简化模型的最大吸收能量分别为32.0 kJ和33.9 kJ，误差仅为5.60％。因此，在概念设计阶段，简化模型可以用来评价侧围结构的性能。

案例三  整车白车身100%正面碰撞

本算例同样验证了简化模型的有效性。碰撞过程中的运动轨迹，位移、支反力和能量曲线都吻合良好。计算精度和实效性证明：简化的塑性梁骨架模型可以满足概念设计的快速碰撞分析需求。

碰撞过程的动态图，及各物理量随时间变化曲线，如下图所示。

汽车正向设计与轻量化团队

左文杰

吉林省长春市人民大街5988号

吉林大学机械学院力学系