基于ADAMS的車身碰撞簡化模型研究

婁臻亮，曹廣軍，謝旭海，馮曉龍

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

1 引言

車身結構設計過程中，要同時滿足多學科如NVH、空氣動力學等性能要求［1-2］。而結構耐撞性受限于計算資源等問題，更多是在其他多目標優化工作基本完成后才考慮，使車身耐撞性設計只能在后期針對局部結構進行修改和調整，導致設計的自由度小、成本高。因此，開發用在整車早期設計階段，能夠快速分析和修改設計的高精度、高計算效率和穩健性好，并適用于碰撞工況的仿真簡化模型，對汽車結構設計具有重要意義［3-7］。

基于傳統整車多體簡化模型建模理論和多體離散理論，基于MSC ADAMS軟件平臺，采用絕對節點坐標算法和非線性元件替換方法，建立了整車多體簡化模型。通過與經實驗驗證的有限元精細模型在正碰工況下進行對標，驗證了簡化模型的精度、簡化模型建模方法的正確性和有效性。最后，通過在正碰工況下的對標，進一步驗證了簡化模型求解的穩健性。

2 多體動力學理論與建模方法

2.1 多體動力學理論

多體動力學是虛擬樣機技術的核心理論，也是多體動力學建模仿真軟件平臺的開發設計基礎［8-11］。多體動力學描述構件時，引入了全局坐標系和局部坐標系.全局坐標系可以看作是固定在大地上的，主要用于描述剛體的形狀、位置和相對其他構件的距離等信息；而局部坐標系是建立在部件上的，隨構件運動的，用于描述構件的受力和約束.對于剛體構件，選用質心為原點的局部坐標，引入質心笛卡爾坐標和反映剛體方位的歐拉角組成構件廣義坐標，如式(1)、式(2)所示。

式中：qi—第i號剛體的廣義坐標；x，y，z—位置坐標；ψ，θ，φ—x，y，z三個方向上的方位角；q—系統廣義坐標矩陣.由此可得：

式中：T—系統動能；qj—廣義坐標(j=1，2，3，…6)；Qj—對應的qj方向上的廣義力，方程(3)最后一項涉及約束方程和拉格朗日乘子，表達了qj方向的約束反力。

2.2 多體建模方法

在多體系統建模過程中，主要通過采用各種形式的鉸連接多體的方式，實現對各構件的運動約束.面向碰撞工況的傳統整車多體簡化模型則主要采用剛體與塑性鉸等元素進行模型構建。但該方法仍然存在建模過程中數據處理量大，仿真結果精度低等問題.針對這些問題，結合傳統整車多體簡化建模思想，綜合利用了多剛體離散法、基于絕對節點坐標算法的FE Part建模方法，以及非線性彈性元件替換法等多種建模方法進行碰撞簡化模型構建.同時對模型進行了合理簡化，保證了碰撞簡化模型的仿真精度、求解效率和數值穩健性。

3 整車碰撞簡化模型

基于ADAMS軟件平臺，采用剛柔耦合方法開發整車簡化模型。以板梁結構相結合、柔性體和剛性體相結合的整體思路進行整車建模，代替通常采用的有限元模型進行碰撞仿真計算，以實現提高計算效率的目的。文中以某款車為建模對象及對標車型。為實現簡化建模，首先將復雜的整車結構簡化分解為四部分，根據各部分結構特點，利用ADAMS軟件建立相應簡化模型如下：

3.1 框架梁結構建模

采用ADAMS提供的離散梁單元對框架梁結構建模。根據相應位置梁截面屬性確定離散梁各段柔性連接力的相關屬性，如等效截面面積、切變模量和彈性模量等，使離散梁模型結構特性逼近實車結構特性。這里分別采用空心圓形和空心矩形兩種截面的離散梁單元建立框架梁結構模型，不同離散梁之間采用剛體耦合方法連接，不考慮梁在碰撞中的斷裂，采用離散梁單元建立的整車框架梁結構，如圖1所示。

圖1 基于離散梁方法建立的整車框架結構Fig.1 Frame Structure Model of Car Based on Discrete Beam Modeling Method

3.2 板材結構建模

根據整車碰撞工況中車身板殼件的變形特點，采用基于絕對節點坐標算法的FE Part建模方法對車身板材結構建模.通過定義FE Part截面形狀、板厚，以及材料泊松比、彈性模量、密度和阻尼比等參數，模擬板材的幾何大變形，建立完成的整車板材結構簡化模型，如圖2所示。

圖2 基于FE Part方法建立的整車板材結構模型Fig.2 Covering Parts Model Base on FE Part Method

3.3 剛性結構建模

在汽車碰撞過程中，發動機、變速箱和傳動軸等部件剛性較大，變形很小，可在碰撞仿真中作為剛體處理，因此，直接采用ADAMS提供的多剛體建模方法對上述剛性部件建模。將發動機和變速箱簡化為矩形剛體塊，其他剛性部件簡化為質量點，并賦予相應的質量和轉動慣量參數。最后，通過調整剛性結構位置和方向使得整車重心位置與實車保持一致，進一步提高模型的準確性.建立完成的剛性部件碰撞簡化模型，如圖3所示。

圖3 剛性部件碰撞簡化建模Fig.3 Rigid Parts’s Modeling

3.4 其他彈性結構建模

對于吸能盒等其他彈性體結構，采用非線性彈簧元件簡化建模。通過有限元仿真實驗提取吸能盒在碰撞中的碰撞力和變形關系曲線，賦予非線性彈簧元件，使其能精確模擬吸能盒在碰撞過程中的潰縮響應。輪胎在汽車碰撞中具有重要的緩沖吸能作用.在簡化模型中，采用ADAMS提供的UA輪胎模型模擬輪胎的變形吸能響應.根據對標車型輪胎的具體參數設置UA模型參數，包括輪胎半徑、扁平比、胎寬、徑向阻尼和剛度等.輪胎與車架主體部分采用旋轉鉸約束。保險杠一般為弧形梁或直梁結構，其在正面碰撞中，直接接觸障礙物，變形較大，故采用FE Part建模方法來模擬其在碰撞中的非線性變形。完成各部分簡化建模后，在ADAMS中建立的整車多體碰撞簡化模型，如圖4所示。

圖4 整車多體碰撞仿真簡化模型Fig.4 The Simplified Multi-Body Car Model for Crash Simulation

4 碰撞仿真與對標

為驗證多體碰撞簡化模型建模方法的準確性和有效性，需要將簡化模型仿真結果與實驗結果對標，但考慮到實車實驗成本過高，不可重復等因素，采用間接對標方法.首先，完成有限元精細模型仿真結果與實驗結果對標，然后將簡化模型與有限元精細模型仿真結果對標，最后驗證簡化模型的有效性和穩健性.簡化模型與有限元精細模型對標工況根據C-NCAP測試要求設定為50km/h初速度100%正面撞擊剛性墻，仿真時長設定為150ms.根據經驗，車身B柱加速度可在很大程度上反映乘員所經受的加速度載荷；另外，整車動能變化可以反映碰撞過程中的能量轉化速度，二者均與乘員碰撞傷害程度密切相關，因此，將二者作為輸出參量進行對標驗證。

4.1 有限元模型仿真與對標

基于LS-DYNA軟件平臺上完成正碰過程有限元仿真計算有限元方法建立整車精細模型，如圖5所示。模型共包括283，859個節點和270，768個單元。由于建立的有限元模型為NCAP測試車型，故設定NCAP正面測試碰撞工況進行仿真實驗，與試驗結果對標。定義車輛初速度為56km/h，即15.556m/s，100%正面撞擊前方剛性壁障。仿真和實驗結果分別，如圖6、圖7所示。

圖5 正碰工況中的有限元精細模型Fig.5 The FE Model under Frontal Crash Simulation

圖6 有限元模型仿真結果Fig.6 Simulation Result of the FE model

圖7 NCAP實驗結果Fig.7 Test Result from NCAP

由結果可以看出，仿真中整車變形模式與實驗高度吻合。

圖8 有限元模型整車質心加速度與實驗結果對比Fig.8 Comparison of the Car’s Acceleration Between Text and Simulation

圖9 有限元模型整車動能與實驗結果對比Fig.9 Comparison of the Car’s Kinetic Energy Between Text and Simulation

與試驗方法保持一致，仿真分析中在整車B柱與門檻連接位置(碰撞變形較小)設置傳感器測量整車質心速度與加速度。有限元模型整車質心加速度及動能變化與試驗結果對比，如圖8、圖9所示。通過有限元仿真結果與實驗結果對比可以看出，仿真結果與實驗結果在碰撞變形方面具有高度的近似性。并且二者在整車質心加速度變化和整車動能變化方面也具有一致性，表明有限元模型仿真具有可靠性及準確性。

4.2 簡化模型對標

多體簡化模型仿真結果與有限元精細模型仿真結果對比，如圖10、圖11所示。由圖10可以看出，簡化模型與有限元模型仿真得到的B柱加速度隨時間變化趨勢完全一致，最大值接近，主要峰值出現時刻一致，對標良好。圖11表明在整車動能變化方面簡化模型與有限元模型預測結果也基本一致.在有限元模型中，由于完整地考慮了各種材料的彈塑性、阻尼、應變率等因素，并且詳細定義了界面的接觸和摩擦吸能特性，使得整車動能變化曲線較為平順，且最后階段基本不存在“回彈效應”，與汽車碰撞時動能變化的真實情形更為一致.與有限元模型不同，多體簡化模型中主要采用彈性體單元，在變形過程中回彈較為明顯，使得整車動能在最后時刻有一定量的回升.從整體上看，簡化模型得到的整車最終動能與有限元模型預測值的誤差控制在5%以內，表明簡化模型具有較高的仿真精度。

圖10 50km/h正碰下多體模型與有限元模型的B柱加速度對比Fig.10 Comparation of B pillar’s Acceleration Between the Mutibody Model and FE Model(50km/h)

圖11 50km/h正碰下多體模型與有限元模型的整車動能對比Fig.11 Comparation of Car’s Kinetic Energy Between the Mutibody Model and FE Model(50km/h)

5 簡化模型與有限元模型建模及計算效率對比

表1對比了用于碰撞仿真的有限元精細模型和多體簡化模型相關信息?？梢钥闯觯c有限元精細模型相比，多體簡化模型避免了數量眾多的單元與節點劃分等耗時工作，建模時間不到有限元建模時間的六分之一。更為重要的是，多體簡化模型的仿真求解時間大大縮短，計算成本明顯降低。以文中的正面碰撞仿真為例，有限元精細模型和多體簡化模型仿真計算分別用時約16.2h和5min，后者為前者的0.5%，多體碰撞仿真簡化模型的高效性使得碰撞安全性被納入車身多目標優化設計框架中成為可能。

表1 正碰工況下有限元精細模型與多體簡化模型對比Tab.1 Comparison between the simplified multibody model and the integrated FE model

6 結論

(1)針對由于有限元精細模型仿真時間過長而無法將碰撞安全性納入車身多目標優化設計框架這一技術難題，開發出了一種基于多體動力學理論和MSC ADAMS軟件平臺的整車剛柔耦合碰撞仿真簡化模型建模方法。

(2)將建立的簡化模型和已完成與實驗對標的有限元精細模型仿真結果對標，整車動能變化與B柱加速度等指標誤差在5%以內，驗證了簡化模型的精確性。

(3)簡化模型相對有限元精細模型建模時間縮短80%以上，求解時間由16.2h縮短為5min。基于簡化模型方法可以實現整車開發早期的快速設計與優化。