【導(dǎo)讀】礎(chǔ)，分析方法及操作流程。建立汽車后縱梁的碰撞壓潰分析模型。獲得壓潰過程中的變形，載荷和能量吸收曲線。壓潰變形過程，并對其分析結(jié)果進(jìn)行對比。獲得合理的汽車后縱梁參數(shù)，并制作動(dòng)畫。試驗(yàn)多輛汽車而完成，于是整車及安全部件的開發(fā)試驗(yàn)花費(fèi)較大而且工期很長。景，其研究工作可為車身吸能元件、整車抗撞性研究等奠定理論基礎(chǔ)和依據(jù)。薄壁構(gòu)件吸能元件主要通過自身塑性變形。勻地耗散，瞬時(shí)沖擊載荷強(qiáng)度因而大大降低。特性對結(jié)構(gòu)抗撞性研究具有重要的指導(dǎo)意義。誤差下的碰撞吸能特性。

　　

【正文】 自動(dòng)運(yùn)行一系列操作。定制用戶界面：通過簡便的步驟重新布置 HyperMesh 菜單系統(tǒng)。輸出模板：通過模板可以將 HyperMesh數(shù)據(jù)輸出為其他求解器和程序可讀的格式。輸入轉(zhuǎn)換器：通過增加您自己的輸入轉(zhuǎn)換器，可以擴(kuò)展 HyperMesh 對其他分析軟件數(shù)據(jù)的支持。結(jié)果轉(zhuǎn)換器：應(yīng)用提供的工具可以創(chuàng)建專用的轉(zhuǎn)換器，將特殊的分析結(jié)果轉(zhuǎn)化 成 HyperMesh 結(jié)果格式。 LSDYNA 軟件概述 LSDYNA 軟件是國際上最著名的顯式動(dòng)力分析軟件，具有強(qiáng)大精確的有限元仿真性能，擁有大量不同種類的單元模型，材料模型和算法選擇，能夠很方便的處理各種高度非線性問題，如各種碰撞分析、沖壓成型分析、爆炸分析、跌落分析、熱分析、流固耦合分析等，在汽車、國防軍工、航空航天、電子、石油、制造和建筑等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用?！?16】由 J． O． Hallquist 主持開發(fā)完成的 DYNA 程序系列被公認(rèn)為是顯式有限元程序的鼻祖和理論先導(dǎo)，是目前所有顯式求解程序 (包 括顯式板成型程序 )的基礎(chǔ)代碼。1988 年 J． O． Hallquist 創(chuàng)建 LSTC 公司，推出 LS． DYNA 程序系列，并于 1997 年將LS． DYNA2D、 LS． DYNA3D、 LSTOPAZ2D、 LS． TOPAZ3D 等程序合成一個(gè)軟件包，稱為 LSDYNA。 LSDYNA 程序 971 版是功能齊全的幾何非線性（大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變）、材料江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 非線性（ 200 多種材料動(dòng)態(tài)模型）和接觸非線性（ 60 多種接觸類型）程序。它以 Lagrange算法為主，兼有 ALE 和 Euler 算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結(jié)構(gòu)分析為主， 兼有熱分析、流體 結(jié)構(gòu)耦合功能；以非線性動(dòng)力分析為主，兼有靜力分析功能（如動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算和薄板沖壓成型后的回彈計(jì)算）；軍用和民用相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元程序 。 LSDYNA 軟件功能 材料模型 LSDYNA 程序目前有 200 多種金屬和非金屬材料模型可供選擇，如彈性、彈塑性、超彈性、泡沫、玻璃、地質(zhì)、土壤、混凝土、流體、復(fù)合材料、炸藥及起爆燃燒、剛性及用戶自定義材料，并可考慮材料失效、損傷、粘性、蠕變、與溫度相關(guān)、與應(yīng)變率相關(guān)等性質(zhì) 。 單元庫 LSDYNA 程序現(xiàn)有 16 種單元類型，有二維、三維單元，薄殼、厚殼、體、梁單元， ALE、 Eulirian、 Lagrangian 單元等。各類單元又有多種理論算法可供選擇，具有大位移、大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動(dòng)性能，單元積分采用沙漏粘性阻尼以克服零能模式，單元計(jì)算速度快，節(jié)省存儲量，可以滿足各種實(shí)體結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)和流體 固體耦合結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格剖分的需要。 950 版本后有 SPH（ Smoothed Particle Hydrodynamics）算法， SPHE 算法（光順質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力算法）是一種無網(wǎng)格 Lagrange 算法，最早 用于模擬天體物理問題，后來發(fā)現(xiàn)解決其它物理問題也是非常有用的工具，如連續(xù)體結(jié)構(gòu)的解體、碎裂、固體的層裂、脆性斷裂等。 SPH 算法可以解決許多常用算法解決不了的問題，是一種非常簡單方便的解決動(dòng)力學(xué)問題的研究方法。由于它是無網(wǎng)格的，它可以用于研究變形很大的結(jié)構(gòu)。 接觸分析功能 LSDYNA 程序的全自動(dòng)接觸分析功能易于使用，功能強(qiáng)大?，F(xiàn)有 60 多種接觸類型可以求解下列接觸問題：變形體對變形體的接觸、變形體對剛體的接觸、剛體對剛體的接觸、板殼結(jié)構(gòu)的單面接觸 (屈曲分析 )、與剛性墻接觸、表面與表面的固 連、節(jié)點(diǎn)與表面的固連、殼邊與殼面的固連、流體與固體的界面等，并可考慮接觸表面的靜動(dòng)力摩擦 (庫倫摩擦、粘性摩擦和用戶自定義摩擦模型 )、熱傳導(dǎo)和固連失效等。這種技術(shù)成功地用于整車碰撞研究、乘員與柔性氣囊或安全帶接觸的安全性分析、薄板與沖頭和模具江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 接觸的金屬成型、水下爆炸對結(jié)構(gòu)的影響，高速彈丸對靶板的穿甲模擬計(jì)算等。 LSDYNA 處理接觸一碰撞界面主要采用三種不同的算法，即：節(jié)點(diǎn)約束法、對稱罰函數(shù)法和分配參數(shù)法。第一種算法現(xiàn)在僅用于固連界面。第三種算法用于僅滑動(dòng)界面。第二種算法是最常用的算法。對稱罰函數(shù)法是一種新 的算法，其原理比較簡單。每一時(shí)步先檢查各個(gè)從節(jié)點(diǎn)是否穿透主表面，沒有穿透則對該從節(jié)點(diǎn)不作任何處理。如果穿透則在該節(jié)點(diǎn)與被穿透主表面之間引入一個(gè)較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主面剛度成正比，稱為罰函數(shù)值。它的物理意義相當(dāng)于在從節(jié)點(diǎn)和被穿透主表面之間放置一個(gè)法向彈簧，以限制從節(jié)點(diǎn)對主表面的穿透。對罰函數(shù)法是同時(shí)再對各主節(jié)點(diǎn)處理一遍，其算法與從節(jié)點(diǎn)一樣。對稱罰函數(shù)法編程簡單，很少激起網(wǎng)格沙漏效應(yīng)，沒有噪音，這是由于算法具有對稱性、動(dòng)量守恒準(zhǔn)確，不需要碰撞和釋放條件。罰函數(shù)值大小受到穩(wěn)定性限制。若計(jì)算中發(fā)生明 顯穿透，可以放大罰函數(shù)值或縮小時(shí)間步長來調(diào)節(jié)。 初始條件、載荷和約束 （ 1）初始速度、初應(yīng)力、初應(yīng)變、初始動(dòng)量（模擬脈沖載荷）； （ 2）高能炸藥起爆； （ 3）節(jié)點(diǎn)載荷、壓力載荷、體力載荷、熱載荷、重力載荷； （ 4）循環(huán)約束、對稱約束（帶失效）、無反射邊界； （ 5）給定節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（速度、加速度或位移）、節(jié)點(diǎn)約束； （ 6）鉚接、焊接（點(diǎn)焊、對焊、角焊）； （ 7）二個(gè)剛性體之間的連接－球形連接、旋轉(zhuǎn)連接、柱形連接、平面連接、萬向連接、平移連接； （ 8）位移 /轉(zhuǎn)動(dòng)之間的線性約束、殼單元邊與固體單元之間的 固連；帶失效的節(jié)點(diǎn)固連。 ALE 和 Euler 算法 LSDYNA 程序具有 Lagrange 算法和 Euler 算法， Lagrange 算法的單元網(wǎng)格附著在材料上，隨著材料的流動(dòng)而產(chǎn)生單元網(wǎng)格的變形。但是在結(jié)構(gòu)變形過于巨大時(shí)，有可能使有限元網(wǎng)格造成嚴(yán)重畸變，引起數(shù)值計(jì)算的困難，甚至程序終止運(yùn)算。 ALE 算法和 Euler 算法可以克服單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難，并實(shí)現(xiàn)流體 固體耦合的動(dòng)態(tài)分析。 ALE 算法先執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè) Lagrange 時(shí)步計(jì)算，此時(shí)單元網(wǎng)格隨材料流動(dòng)而產(chǎn)生變形，然后執(zhí) 行 ALE 時(shí)步計(jì)算：（ 1）保持變形后的物體邊界條件，江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 對內(nèi)部單元進(jìn)行重分網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系保持不變，稱為 Smooth Step；（ 2）將變形網(wǎng)格中的單元變量（密度、能量、應(yīng)力張量等）和節(jié)點(diǎn)速度矢量輸運(yùn)到重分后的新網(wǎng)格中，稱為 Advection Step。用戶可以選擇 ALE 時(shí)步的開始和終止時(shí)間，以及其頻率。 Euler 算法則是材料在一個(gè)固定的網(wǎng)格中流動(dòng)，在 LSDYNA 中只要將有關(guān)實(shí)體單元標(biāo)志 Euler 算法，并選擇輸運(yùn)（ advection）算法。 LSDYNA 還可將 Euler 網(wǎng)格與全 Lagrange 有限元網(wǎng)格方便地耦合，以處理流體與結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜載荷條件下的相互作用問題 沙漏問題 LSDYNA 應(yīng)用單點(diǎn)（縮減）高斯積分的單元進(jìn)行非線性動(dòng)力分析可以極大的節(jié)省計(jì)算機(jī)時(shí)，也有利于大變形分析。但是單點(diǎn)積分可能引起零能模式，或稱沙漏模式。 沙漏是一種以比結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)高得多的頻率震蕩的零能變形模式，是單元?jiǎng)偠染仃囍兄炔蛔銓?dǎo)致的，而這些是由于積分點(diǎn)不足導(dǎo)致的。沙漏模式導(dǎo)致一種在數(shù)學(xué)上是穩(wěn)定的、但在物理上無法實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)。控制方法如下： 方法一：總體調(diào)整模型的體積粘度可以減少沙漏變形 , 粘性沙漏控制推 薦用于快速變形的問題中（例如激振波）。人工體積粘度本來是用于處理應(yīng)力波的問題，因?yàn)樵诳焖僮冃芜^程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，形成壓力、密度、質(zhì)點(diǎn)加速度和能量的跳躍，為求解的穩(wěn)定性，加進(jìn)人工體積粘性，使應(yīng)力波的強(qiáng)間斷模糊成在相當(dāng)狹窄區(qū)域內(nèi)急劇變化但卻是連續(xù)變化的。由于沙漏是一種以比結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)高得多的頻率震蕩，調(diào)整模型的體積粘度能減少沙漏變形，在 LSDYNA 中由關(guān)鍵字 *CONTROL_BULK_VISCOSITY 控制。 方法二：通過總體附加剛度或粘性阻尼來控制，由關(guān)鍵字 *CONTROL_HOURGLASS控 制，對于高速問題建議用粘度公式（缺?。?，對于低速問題建議用剛度公式。 方法三：為防止模型的總體剛度因附加剛度而增加過大時(shí)，可不用總體設(shè)置附加剛度或粘度，可通過關(guān)鍵字 *HOURGLASS 來對沙漏能過大的 PART 進(jìn)行沙漏控制，參數(shù)與總體設(shè)置一樣（通過 *PART 關(guān)鍵字與相關(guān) PART 建立連接）。 方法四：使用全積分單元，由于沙漏是由于單點(diǎn)積分導(dǎo)致的，所以可以使用相應(yīng)的全積分單元來控制沙漏，此時(shí)沒有沙漏模式，但在大變形情況下模型過于剛硬。其實(shí)通過使用好的模型方式可以減少沙漏的產(chǎn)生：網(wǎng)格的細(xì)化，避免施加單點(diǎn)載荷 ，分散一些全積分的 “種子 ”單元于易產(chǎn)生沙漏模式的部件中從而減少沙漏。 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 本章小結(jié) 本章介紹了 Hypermesh 和 LSDYNA 軟件，詳細(xì)介紹了 LSDYNA 的功能及其一些基本理論。 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 第四 章 建立有限元模型 利用有限元方法進(jìn)行汽車碰撞分析，首先要建立需要分析的經(jīng)過簡化后的幾何實(shí)體模型；其次確定單元類型和材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格化分生成由節(jié)點(diǎn)和單元組成的有限元模型：然后對模型施加載荷、約束或邊界條件，然后再進(jìn)行求解，得出變型和受力的詳細(xì)的結(jié)果，最后對結(jié)果進(jìn)行分析與討論。 在 Hypermesh 中建立網(wǎng) 格模型 （ 1） 建立幾何圖形 復(fù)雜的三維幾何圖形需要在專業(yè)的繪圖軟件中繪出，如 Pro/ E， UG 等，然后再導(dǎo)入 Hypermesh 中； CAD 中很多加工和裝配上的工藝細(xì)節(jié)（如孔、臺階、加強(qiáng)筋、導(dǎo)角等 )往往會(huì)增加有限元建模的難度，如一些小臺階在劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)導(dǎo)致單元質(zhì)量不合格。這些單元不僅會(huì)影響模擬計(jì)算的精度，而且還會(huì)在模擬計(jì)算中消耗大量的時(shí)間，因此在建立零部件的有限元碰撞模型時(shí)，需要進(jìn)行幾何清理。 汽車后縱梁參數(shù)： h=450mm（縱梁高度） t1=（彎曲板厚度） t2=（平面板厚度） 在本課題中，由于簡化后的縱梁幾何圖形很簡單，如圖 41 所示，所以直接在Hypermesh 中的幾何面板中建立幾何圖形。如圖 42 所示 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 41 汽車縱梁簡化圖 圖 42 hypermesh 建立的縱梁幾何圖形 （ 2） 單元網(wǎng)格劃分 有限元的核心思想是分塊近似，故網(wǎng)格密度或結(jié)構(gòu)離散化程度對于計(jì)算誤差的影響是很大的。從數(shù)學(xué)角度來看，誤差來源主要在于表征單元內(nèi)部各點(diǎn)位移分量分布規(guī)律的形函數(shù)中多項(xiàng) 式的階次。整體上講，增加網(wǎng)格密度確實(shí)可以減少誤差，但所需的計(jì)算成70 20 80 45 450 焊點(diǎn) 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 本 (計(jì)算時(shí)間，存儲空間 )也會(huì)相應(yīng)上升。當(dāng)單元長度均勻縮 K 倍時(shí)，單元密度和計(jì)算時(shí)分別增加 倍和 倍，計(jì)算時(shí)間隨單元密度呈 次方增長，增長幅度高于線形變化幅度。因此，網(wǎng)格密度的選擇是個(gè)效率與精度的權(quán)衡問題。【 17】此外，劃分網(wǎng)格還需注意一下幾點(diǎn)： 1）良好的單元形狀，單元最佳形狀是正多邊形或正多面體。 2）良好的剖分過渡性，單元之間過渡應(yīng)相對平穩(wěn)，否則，將影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性甚至使有限元計(jì)算無法計(jì)算下 去。 3）網(wǎng)格剖分的自適應(yīng)性，在幾何尖角處、應(yīng)力溫度等變化大處網(wǎng)格應(yīng)密，其他部位應(yīng)較稀疏，這樣可保證計(jì)算解精確可靠?！?18】本課題網(wǎng)格劃分在Hypermesh 2D 面板中完成，單元大小設(shè)置為 5mm，采用自動(dòng)劃分的方式。如圖 43 所示 圖 43 縱梁網(wǎng)格模型 （ 3） 建立焊點(diǎn)連接 碰撞模擬中通常十分重視對焊點(diǎn)的模擬，焊點(diǎn)的處理正確與否，將直接影響到碰撞模擬的精度。由于在碰撞模擬中，各零部件的變形量和位移量都很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊點(diǎn)自身的變形量，因此碰撞分析與靜態(tài)分析不同， 對分析結(jié)果影響更大的是焊點(diǎn)的強(qiáng)度，而不是剛度，所以在碰撞模擬中，通常采用可斷裂剛體約束來處理焊點(diǎn)。【 19】焊點(diǎn)連接在 Hypermesh 1D 面板內(nèi)完成，本課題中通過梁單元進(jìn)行連接。 梁單元連接如圖 44 所示： 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 44 兩個(gè)殼單元通過梁單元連接效果圖 添加載荷、約束 本課題使用的求解器是 LSDYNA；通過 Hypermesh 前處理后輸出一個(gè) LSDYNA的提交文件，稱之為關(guān)鍵字文件或 K 文件，為 ASCII 格式。此次分析研究中，通過兩種方法添加材料屬性及各個(gè)參數(shù)設(shè)置： 1）用文本編輯器直接對 K 文件進(jìn)行修改，有些設(shè)置、修改比較繁瑣，花費(fèi)時(shí)間比較多，但對于理解 K 文件中關(guān)鍵詞的含義很有幫助。2）在 Hypermesh 中通過 LSDYNA 接口功能進(jìn)行設(shè)置、修改等操作，這個(gè)方法比較方便且速度快，最后可以提交給 LSDYNA 直接進(jìn)行求解。 （ 1）剛體定義 用 LSDYNA 中的材料 *MAT_RIGID 定義有限元模型中剛硬部分可以大大減少CPU 計(jì)算時(shí)間，這是因?yàn)閯傮w內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的自由度都耦合到剛體的質(zhì)量中心上，不論有限元模型定義了多少節(jié)點(diǎn)，剛體僅有六個(gè)自由度。程序通過組成剛體的單元的體積 和密度自動(dòng)計(jì)算出質(zhì)量、質(zhì)心和慣量特性。作用于剛體上力和力矩由每一時(shí)間步的節(jié)點(diǎn)值疊加而得，剛體的運(yùn)動(dòng)通過質(zhì)心計(jì)算而得，并把相應(yīng)的位移值傳遞給節(jié)點(diǎn)。使用剛體應(yīng)注意的問題： 1． 不可對剛體上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)約束，剛體的約束通過 *MAT_RIGID 材料定義中的相關(guān)參數(shù)來設(shè)置平動(dòng)約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，施加在質(zhì)心上。 2． 剛體的材料參數(shù)應(yīng)使用真實(shí)的值，如彈性模量（在接觸中用來計(jì)算接觸力）、泊松比和密度。不可認(rèn)為剛體不變形而把彈性模量設(shè)置為任意大。 課題中剛體定義如表 41 所示： 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 表 41 剛體參數(shù) 密度 彈性模量 泊松比 0 （ 2）材料定義 : 多線性彈塑性：材料達(dá)到屈服后硬化曲線由多線段組成。材料參數(shù)需定義密度、彈性 模 量 、 泊 松 比 、 屈 服 應(yīng) 力 及 有 效 應(yīng) 力 應(yīng) 變 曲 線 。 對 應(yīng) 關(guān) 鍵 字 為 ：*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY 本課題中的材料參數(shù)如表 42 所示： 表 42 材料參數(shù) 密度 彈性模量 泊松比 屈服應(yīng)力 彎曲板厚度 平面板厚度 （ 3）定義約束 LSDYNA 通過關(guān)鍵字 *BOUNDARY_OPTION 施加各種邊界條件，本課題通過關(guān)鍵字 *BOUNDARY_SPC_SET 來定義剛性墻和縱梁在六個(gè)自由度上的約束。 （ 4）其它參數(shù)設(shè)置 移動(dòng)剛性壁：質(zhì)量 1000kg，剛性墻初速度 30 。碰撞時(shí)間 ；縱梁 底 端節(jié)點(diǎn)的六個(gè)自由度被約束 ，另一端約束五個(gè)自由度 本章小結(jié) 本章介紹了 利用 Hypermesh 軟件 建立有限元分析模型的方法 。 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 第五 章 汽車后縱梁吸能特性分析 汽車薄壁構(gòu)件耐撞性指標(biāo) 發(fā)生碰撞時(shí)，縱梁通過壓潰區(qū)的塑性變形來吸收碰撞 產(chǎn)生的動(dòng)能；縱梁的吸能特性的指標(biāo)如下： 評價(jià)吸能構(gòu)件的性能指標(biāo)有：吸收總能量 ，變形過程中的平均載荷 ，變形過程中的最大載荷 ，單位質(zhì)量吸收能量 ?！?20】 （ 1）耐撞指數(shù) 耐撞指數(shù)的定義是：在某一極限狀態(tài)下，單位結(jié)構(gòu)質(zhì)量所吸收的能量大小，即： 式中， 結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。該指數(shù)表明了不同材料的吸能質(zhì)量問題。 （ 2）最大碰撞力 最大碰撞力也稱為最大峰值，一般出現(xiàn)在碰撞剛開始階段。最大碰力不是越大越好，在碰撞中要盡量減小開始時(shí)最大碰撞力，這對保護(hù)成員非常重要。 （ 3）平均碰撞力 平均碰撞力是碰撞力曲線在壓縮位移上的算術(shù)平均值，它反映了薄壁構(gòu)件吸能的總體情況。 （ 4）總體吸能 實(shí)際上，如果壓縮位移相同，總體吸能和平均碰撞力的評價(jià)是一致的。在碰撞中要求后縱梁吸收尾部碰撞的絕大部分能量來保證車身結(jié)構(gòu)的安全，進(jìn)而保護(hù)成員的安全。 薄壁梁吸能方式 在汽車正面碰撞過程中 ，薄壁梁碰撞特性的好壞很大程度上是由其破