駕駛室模型質量優劣對CAE分析結果的影響

林圣存，沈光烈

（廣西科技大學汽車工程研究所，廣西柳州545006）

駕駛室模型質量優劣對CAE分析結果的影響

林圣存，沈光烈

（廣西科技大學汽車工程研究所，廣西柳州545006）

以由板殼式結構組成的某平頭卡車駕駛室模型為例，探討模型質量優劣對分析結果產生的重大影響.依據ECE-R29-03版法規里的分析項目，運用Hyperworks和Ls-dyna這2款主流有限元分析軟件，針對駕駛室模型質量好與壞的2種情況，對駕駛室進行CAE建模和分析，并對分析結果進行對比，發現含有大量網格交叉和滲透的駕駛室模型，計算結果不符合物理邏輯，嚴重偏離正確方向.證明了高質量模型能夠對駕駛室的結構設計和改進提供更加可信的理論依據，引導產品的設計和開發沿著正確的方向進行.

駕駛室；交叉；滲透；CAE分析；曲線

0　引言

由于市場對卡車的駕駛室設計提出更高的要求，歐洲隨即出版了《商用車駕駛室防護》ECE-R29-03版.目前，國內外大部分廠家以ECE-R29-03版法規為標準進行駕駛室的設計，因此，駕駛室的CAE分析必須在新法規的基礎上進行.CAE建模時，駕駛室模型質量太差，對分析結果產生重大影響，有時會造成重大錯誤，導致結構改進方向嚴重偏離.采用hyperworks做前處理，Ls-dyna做求解器，這種大變形、大位移的駕駛室CAE分析［1］，必然要求駕駛室模型不允許出現干涉、交叉和滲透.計算證明，出現干涉、滲透的駕駛室模型，計算結果嚴重錯誤.修改駕駛室模型后，提高駕駛室模型質量，計算結果的能量曲線符合物理邏輯.

在CAE分析過程中，查閱了國內外的諸多文獻，發現關于模型質量要求對駕駛室碰撞影響的報道極少.為此，文章通過對某卡車駕駛室模型質量好壞的CAE分析計算，說明模型質量好壞對仿真結果的影響.這有利于對駕駛室的結構設計方案進行準確評估，提高CAE分析效率，為該方面的工作提供必要的參考.

1　駕駛室CAE分析的內容

依據ECE-R29-03版法規的要求，對某卡車駕駛室進行建模和計算［2］.駕駛室模型來源于某重型平頭卡車的駕駛室.該平頭卡車總質量在7.5 t以上，屬于N3類卡車.對于正面碰撞分析，正面打擊駕駛室的能量為55 kJ.對于頂蓋強度分析，先做側面20度角的打擊，打擊能量為17.6 kJ，再進行頂部壓潰.在進行頂部壓潰時，壓力大于前軸靜載荷，但最大為10 t.

2　模型的干涉與滲透

模型的干涉與滲透現象，多發生于由沖壓鈑金件點焊而成的客車車身骨架，文章中的駕駛室骨架，就屬于該種類型.仔細觀察該例的駕駛室模型，發現模型多處地方出現干涉與滲透.這種干涉與滲透的出現，導致計算結果失真，不能為后期判斷提供準確的依據，必須對模型進行處理與質量優化.

2.1模型的干涉處理

模型的干涉定義為：模型中任意2個或2個以上的部件發生交叉的現象［3］.在有限元模型中，模型的干涉具體表現為網格單元的相互交叉.在Ls－dyna中，如果定義需要相互交叉的網格單元有接觸關系，則計算后相應部件的接觸關系容易失效或者混亂，同時也會導致計算后的沙漏能增加.

在Hyperworks前處理中，利用intersection功能，對駕駛室模型進行干涉檢查，發現干涉的地方共有89處.如圖1所示，為本例駕駛室模型發生干涉的其中一部分.

圖1　模型中干涉的地方（部分）Fig.1 Interference in the model（part）

圖2　修改前Fig.2 Before modification

圖3　修改后Fig.3 After modification

對于干涉的處理，利用Hyperworks的前處理中Translate面板，調整干涉部分的節點或單元，保證發生干涉的2個部件之間合理布置，不發生交叉.

對干涉的地方進行處理，有效提高了模型質量.如圖2～圖3所示為修改前后的模型，修改后模型的干涉現象明顯消失.

2.2模型的滲透處理

模型的滲透定義為模型中殼單元的材料厚度發生重疊.大量的滲透，模型必然出現滲透節點導致不合物理邏輯的接觸，同時也會產生大的滑移界面能，造成計算結果失真.在Hyperworks前處理，利用penetration功能，對駕駛室模型進行滲透檢查，發現滲透的地方共有102處，其中，滲透量大于3mm的地方共有52處，滲透的網格節點為1.7×104個.

對于滲透的處理，首先，在CAD建模過程中，保證各鈑金件間有合理的間隙，避免出現滲透；其次，利用Hyperworks前處理工具，修改模型中發生滲透的網格單元或部件；最后，對于滲透量在3mm以內的地方，因為滲透量小，而且修改難度大，可以通過設置Ls－dyna中的卡片參數，來解決模型的滲透問題［4］.

通過修改模型，導致其中滲透量大于3mm的問題單元已經消失.再次檢查模型滲透，發現滲透的地方共有38處，滲透量大于3mm的地方0處，其中滲透的網格節點為6000多個，相比修改前，減少了1.1×104個.

3　模型修改前后正面碰撞分析結果對比

3.1正面碰撞CAE建模

根據駕駛室構造是由沖壓鈑金件點焊而成的特點，對其劃分網格，主要是采用四節點板殼單元.對于某些不規則的部件，采用三角形單元和四邊形單元結合進行網格劃分［5］.建模后的駕駛室模型，共有部件236個，網格單元數量1.825×106個，單元節點8.028×105個.

在《商用車駕駛室防護》ECE－R29－03版中，對擺錘做了明確的說明：擺錘的質量不少于1 500 kg，擺錘的撞擊面應為平整的矩形，寬2 500mm，高800mm，擺錘總成為剛性結構.根據法規里提供的參數，建立擺錘模型如圖4所示，其中擺錘的質量為1 500 kg.

2003版法規對擺錘的撞擊能量做了明確說明，具體為：擺錘應從前向后的方向撞擊駕駛室的前部，撞擊方向應為水平方向且平行于車輛的縱向中心平面.對于最大設計總質量大于7 t的車輛，撞擊的能量應為55 kJ.正面擺錘在垂直撞擊駕駛室的瞬間，其初始碰撞速度按公式E＝1／2mv2計算［6］.式中，E為擺錘的撞擊能量，m為擺錘質量，取E=55 kJ，m=1 500 kg，代入公式，計算可得擺錘初始碰撞速度為v＝8 563.5mm／s.

駕駛室正面碰撞的CAE分析，模型計算的物理時間為0.5 s，分別進行了駕駛室模型修改前和修改后的計算.本次使用的計算機硬件配置為64G的內存和16線程的CPU，其中駕駛室模型修改前的計算時間共26 h14min，修改后的計算時間共31 h56min.

圖4　駕駛室CAE模型Fig.4 Cab CAE model

3.2正面碰撞結果對比

計算后的能量曲線如圖5～圖6所示.其中，圖5為駕駛室模型在沒有處理單元滲透與干涉問題時所計算出的能量曲線，圖6為駕駛室模型質量優化后計算出的能量曲線.

駕駛室的正面碰撞介于完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞之間.圖6中，從擺錘碰撞駕駛室開始到0.05 s這一時間段，系統動能急劇下降，系統動能轉化為系統內能，系統內能急劇上升.同時，擺錘與駕駛室發生擠壓與摩擦運動，產生較小的滑移界面能2.65 kJ，占總能量（55.6 kJ）的4.8％，沙漏能為1.42 kJ，占總能量的2.6％，滑移界面能和沙漏能均小于總能量的5％；因此，符合物理邏輯.

圖5中，滑移界面能偏大，最大值為13.05 kJ，占總能量（55.6 kJ）的23.5％，滑移界面能遠大于總能量的5％.

圖5　不合理的能量曲線（修改前）Fig.5 The irrational energy curve（before modification）

圖6　合理的能量曲線（修改后）Fig.6 Reasonable energy curve（after modification）

4　模型修改前后頂部壓潰分析結果對比

4.1頂部壓潰CAE建模

依據《商用車駕駛室防護》ECE－R29－03版法規，建立駕駛室頂部壓潰模型，如圖7所示.模型中的斜板和壓板均為剛性平板.2個板之間不定義接觸［7］.

模型中，斜板的撞擊速度按動能定理公式E＝1／2mv2計算，式中，E為斜板的撞擊能量，m為斜板的質量，取E=17.6 kJ，m=1 500 kg代入公式，得到擺錘的撞擊速度為v＝4 844mm／s.得出斜板在Y，Z兩個方向的分解速度為［8］：

壓板的質量為1 500 kg，運動開始時間是在0.4 s，其中，模型中的物理計算時間為3 s.在0～0.4 s之間，斜板運動并撞擊駕駛室，壓板處于靜止狀態.當斜板撞擊駕駛室并完全離開后，壓板以200mm／s的速度，垂直向下運動.

4.2頂部壓潰分析結果對比

經過Ls－dyna進行求解計算，計算出修改前后頂部壓潰能量曲線圖如圖8~圖9所示.

圖9中，斜板撞擊駕駛室后產生的能量為17.6 kJ，撞擊后系統動能加速下降，系統內能急劇增加.當斜板離開駕駛室后，壓板壓向駕駛室，系統內能和總能量隨著壓板不斷下壓而增加［9］.圖8中，雖然總能量與修改后的一樣，為17.6 kJ，但整體吸能情況不理想，駕駛室破壞嚴重，同時滑移界面能較大.

圖7　駕駛室CAE模型Fig.7 Cab CAE model

圖8　修改前頂部壓潰能量曲線圖Fig.8 Top crushing energy curve before modification

5　結論

通過上述2個分析項目結果的對比，可以發現：

1）正面碰撞結果顯示：修改模型后，滑移界面能相對修改前下降了10.4 kJ，內能提高了6 kJ，修改后的駕駛室吸能效果增強［］；

2）頂部壓潰結果顯示：修改前的滑移界面能最大值為5.5 kJ，是修改后（1.15 kJ）的4.8倍；同時，相對修改前（22.5 kJ），修改后的內能（35 kJ）提高了55.6％.

由以上兩點，可以得出：模型質量的好壞，影響到計算結果，尤其是差的模型質量，計算出的能量曲線不符合物理邏輯，甚至因為模型自身的接觸失效等問題導致某些能量如滑移界面能的產生并加大，不能提供合理的判斷依據.

在今后的CAE仿真工作中，可借鑒的經驗：在大變形的動態有限元計算與分析中，應嚴格把控模型質量這一關.只有通過修改模型的干涉和滲透，保證模型間各單元的間隙合理，接觸有效［10］，才能從根本上解決計算結果不符合物理邏輯的問題，為結構改進設計提供重要的指導作用.

圖9　修改后頂部壓潰能量曲線圖Fig.9 Top crushing energy curve after modification

［1］趙海鷗.LS－DYNA動力學分析指南［M］.北京：兵器工業出版社，2003.

［2］唐波，趙曉紅.ECE－R29－03版法規某駕駛室CAE分析和重卡未來安全發展方向［J］.汽車與配件，2012（Z1）：56－59.

［3］張翼.某型商用車駕駛室抗撞性能分析研究［D］.合肥：合肥工業大學，2012.

［4］廖金深，沈光烈，林圣存.對某微型客車車身結構的有限元分析［J］.廣西科技大學學報，2016，27（1）：58－61.

［5］李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.HyperWorks分析應用實例［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［6］劉軍.商用車駕駛室擺錘撞擊安全性分析與改進［D］.長春：吉林大學，2008.

［7］張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于LS－DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析［M］.北京：清華大學出版社，2011.

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［9］王新宇，王登峰，陳靜，等.重型商用車駕駛室輕量化設計［J］.農業機械學報，2012，43（8）：13－18.

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（學科編輯：黎婭）

Effect of the cab model quality on the CAE analysis

LIN Sheng-cun,SHEN Guang-lie
(Research Institute of Automotive Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Taking a truck cab model which is designed by the flat plate-shell structure as an example,this paper studies the effect of the quality of the model on the CAE analysis.The CAE modeling based on the high-quality and low-quality cabs has been built and finite element analysis has been conducted by using Hyperworks and Ls-dyna. The comparative results show that the calculating results of the crossed-rigid and interpenetrative cab models with low quality do not meet the requirements of physical logic and seriously deviate from the right direction.And it proves that the high-quality models will provide a more convincing theory basis for the structure design and improvement,which helps the product design and development.

cab;cross;permeability;CAE analysis;curve

U463

A

2095-7335（2016）03-0060-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.011

2016-03-03

柳州市科技攻關及新產品試制項目（2015A030101）資助.

林圣存，碩士，研究方向：車輛結構設計與分析，E-mail：836551249＠qq.com.