基于“MPI+openMP”計算的某輕型商用車側防護結構及選材設計

關鍵詞：高性能CAE 計算；顯式動力學計算；商用車側防護；結構件工程設計

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A

0 引言

隨著輕型商用車在日常生活和商業運輸中的廣泛應用，對其安全性能的要求也越來越高。本文嚴格按照GB 11567—2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》中所規定的內容[1]，對輕型商用車的側面防護結構部件進行設計，有效地保護無防御的行人（包括行人、騎自行車的人以及騎電動車或者摩托車的人），以免其跌入車側而被卷入車輪下面[2]。無論是傳統燃油輕卡還是當下熱門的電動輕卡，其燃油系統或動力電池系統主要布置范圍均包含在側防護結構件的防護范圍之內，即GB 11567—2017 所述的“前輪之后至后輪之前”。因此，輕型商用車側面防護結構的耐撞性是考察碰撞時燃油/ 電解液泄漏甚至可能起火或爆炸風險的重要指標[3]。

本文基于江西省超級計算公共服務平臺（雙精度運算速度達到 1600 萬億次/ 秒），利用計算機輔助工程（CAE）軟件LS-DYNA 進行顯示動力學求解[4]，結合工程實際和安全標準，為輕型商用車側防護結構的設計與選材提供了一種先進的解決方案。實驗結果表明，在高性能計算平臺上建立的大規模精細仿真模型和并行計算的高效性，對工程實際具有指導作用。

1 側防護結構系統組成

輕型商用車的側防護系統至少應當包含側護欄（橫桿）、安裝支架（豎桿）和垂直構件（前端模塊）[5]。其中，豎桿與車輛底盤的側面部件連接或者連接在車輛的其他結構件上（圖1）。

側護欄（橫桿）一般由2 根橫桿組成，其結構形式有實心圓柱形橫桿、管狀（圓管或者方管）橫桿和形狀可變橫桿等。安裝支架（豎桿）一般設計在橫桿的兩端，其結構形式有Y 型沖壓薄板、Y 型鑄鋁件和倒A 型復合材料厚板等。

2 側防護材料選型技術

側防護結構件（主要指的是橫桿和豎桿），通?？梢允褂娩摬?、鋁合金材料以及SMC 復合材料等。無論選擇使用哪種材料，其材料的力學性能參數直接影響了剛度CAE 計算結果[6]，包括材料密度（單位：g/cm3）、彈性模量（單位：GPa）、泊松比和屈服極限（單位：MPa）。以下是一些材料選型的原則。

2.1 傳統鋼材側防護結構

傳統鋼材側防護具有高強度、抗碰撞性能強、耐磨性強、可塑性好以及經濟實用等特點。特別需要強調的是在所有的材料選型中，傳統鋼材的可修復性是最強的，這也有利于降低用戶的維修成本，減少售后抱怨。

以豎桿為例，如果使用Y 型沖壓薄板的結構形式，則選擇DC 系列的鋼材即可滿足系統的結構沖擊剛度要求。需要注意的是，在Y 型豎桿的上部，與車輛連接的位置應注意考察安裝孔的數量及強度[7]。如有必要，需要在Y 型豎桿安裝孔附近增加螺母板，以保證整體剛度滿足法規要求（圖2）。

2.2 鋁合金側防護結構

如果橫桿采用單一橫梁的結構形式，則建議選用鋁合金材料。鋁合金側防護結構是一種常見的卡車側部保護結構，采用鋁合金材料制造而成（圖3）。鋁合金具有以下特點和優勢。

輕量化。相比于傳統的鋼鐵材料，鋁合金具有較低的密度，因此鋁合金側防護結構在確保強度和剛性的同時能夠降低整車質量。這有助于提高車輛的燃油效率和運輸效益。

強度高。鋁合金的強度相對較高，使得側防護結構能夠提供良好的保護性能。它能夠有效吸收和分散外部沖擊力，減少對車輛側部的損壞，并保護車輛內部貨物和乘員的安全。

抗腐蝕性強。鋁合金具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能，在潮濕、多雨或高溫等惡劣環境中能夠長期保持穩定的性能。

可塑性好。鋁合金材料具有良好的可塑性，易于加工和成型。這使得鋁合金側防護結構可以根據卡車設計的需要進行定制和調整，以適應不同車型和尺寸的要求。

美觀性。鋁合金具有良好的外觀表現，經過精細加工和表面處理后，能夠呈現出現代感和美觀的外觀。

2.3 復合材料側防護結構

復合材料側防護結構采用多種不同材料的組合，通常包括纖維增強復合材料和增強層，如碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維等（圖4）。復合材料側防護結構具有以下特點和優勢。

高強度。復合材料結構由纖維增強層與樹脂基質組合而成，具有出色的強度。纖維增強層的方向性使得復合材料能夠在各個方向上均勻分散和吸收沖擊力，提供更好的保護性能。

輕量化。相比于傳統的金屬材料，復合材料具有較低的密度和重量。使用復合材料側防護結構可以顯著降低卡車整體重量，提高燃油效率和運輸效益。

抗腐蝕性強。復合材料在潮濕和腐蝕性環境中具有較好的抗腐蝕性能，減少維護和更換的需求。

設計靈活。復合材料可以根據需要進行定制設計和制造， 以滿足不同卡車型號和尺寸的要求。

3 MOO 計算與CAE 驗證

3.1 樣本生成

為了得到更好的結構設計方案與選材， 本文設計MOO（Multi-Objective Optimization）分析矩陣共600 個計算案例（圖5），開發了“MPI+openMP”并行計算方法，快速得到材料組合最優解。

為加快計算效率，本研究使用“MPI+openMP”實現并行計算方法，實現了并行讀寫與并行計算。用戶通過編寫PBS 腳本確定所需計算核心數、內存等信息。PBS 調度系統分配用戶作業所需計算資源后，通過并行計算，充分利用超級計算機的計算資源，大大提高計算效率?！癕PI+openMP”與SMP 計算方法的效率對比如表1 所示。

3.2 網格模型

本文以復合材料側防護結構為例，對最優解進行CAE 驗證。大量的實驗和研究表明，復合材料的微觀結構直接影響其宏觀性能[9]?；谖⒂^結構的復合材料網格模型，其單元最小尺寸為0.2 mm。因此，盡管側防護系統整體結構并不復雜，但涉及到微觀尺寸的網格單元，CAE 計算的模型單元數量達到了20 萬個（圖6）。此時，采用128cores 的LS-DYNA MPP 版本，即高性能并行計算服務器進行求解，可以在10 min 之內快速獲得計算結果。

3.3 材料模型

本文采用的側防護復合材料結構，其側護欄為玻璃纖維，支架為SMC 材料，垂直構件為PP 材料，對應的材料力學性能基本參數如表2 所示。

3.4 加載條件

（1）選取側護欄兩端和中間3 個位置作為加載點，約束支架固定點處6 個方向的自由度[10]。

（2）在220 mm 的圓形壓盤上加載1.2 kN（含1.2 倍安全系數）的力。

（3）3 種工況加載位置如圖7 所示。其中，P1 位置為靠近前端模塊的端點，P2 位置為支架約束的中心點，P3 位置為遠離前端模塊的端點。

3.5 計算及結果分析

有限元模型前處理（包括建立網格模型、建立各部件的連接關系、設定材料參數和屬性參數、設定初始條件、加載工況以及設置輸出等）完成后，使用用戶自定義的封裝命令：dyna_sub s（d） R9（ 求解器版本） six（ 計算隊列序號） ncpu（CPU 數量）inputfile（ 模型key 文件） ，將任務提交給LS-DYNA（MPP）進行仿真計算。軟件將根據所設定的邊界條件、材料模型和加載條件，在每一個時間步長上求解結構的動力學響應，并輸出相應的計算結果。結果判定準則如下。

（1）力- 位移曲線準則。根據力- 位移曲線，當P1 點、P2點和P3 點載荷分別達到1 000 N 時，這幾個點的位移分別為10.80 mm、10.16 mm 和 20.73 mm，均小于30.00 mm，滿足法規要求（圖8）。

（2）材料應力失效準則。由應力圖可知（圖9），因σ11 ＞0，縱向被拉伸，最大應力為624.0 MPa，小于材料縱向拉伸極限Xt（774.0 MPa）；σ22 ＜ 0，橫向被壓縮，最大應力為39.9 MPa，小于材料橫向壓縮極限Yc（285.0 MPa），因此判斷該材料未發生斷裂。

4 側防護結構耐撞性實物驗證

在數字設計階段，使用LS-DYNA 可以精確模擬側防護結構動態力學沖擊時系統的受力情況，并對潛在風險進行改進。在樣車實車試制階段，為了驗證側防護系統的耐撞性和可靠性，需要在試驗階段按照GB 11567—2017 進行實物撞擊試驗。本文基于某輕卡車型，在實車試制階段，測試使用碰撞試驗裝置，在控制速度和角度的條件下，對結構施加沖擊載荷。測試時使用傳感器和數據采集系統來記錄結構的動態響應，包括位移、應力和變形等參數（圖10）。

所獲得的實際測試結果與CAE 計算結果，其對比數據如表3所示。結果對比顯示，采用微觀網格模型的復合材料側防護結構，其耐撞性動態沖擊的實物測試變形量與CAE 計算變形量，在數值上非常接近。

5 結束語

本文采用了超級計算機作為仿真基礎，采取計算機輔助工程（CAE）的方法，通過LS-DYNA 軟件進行側防護結構的動態沖擊仿真分析，利用計算任務智能調度技術、分布式并行算法，大大提高工程仿真效率。本文對側防護結構的設計和選材進行了一定探索，但仍存在一些局限性。未來的研究可以進一步優化材料模型和選材參數的選擇，探索更加精確和可靠的仿真分析方法。

作者簡介：

鄧海燕，碩士，高級工程師，研究方向為汽車整車開發及車線平臺管理。

廖智鵡，本科，工程師，研究方向為輕卡車型性能規劃。

張德華，碩士，工程師，研究方向為輕型卡車產品開發。

王康，碩士，高級工程師，研究方向為信息系統、高性能計算。

徐莉，碩士，高級工程師，研究方向為汽車碰撞、CAE 計算。

葉寧碩士，工程師，研究方向為高性能計算、計算機軟件。