【正文】 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。 （ 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。 （ 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?！?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。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 。 對(duì) 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。 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。 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。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)。 （ 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。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(duì) 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(duì)于理解 K 文件中關(guān)鍵詞的含義很有幫助。【 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。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(duì)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。 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?！?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。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。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。 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。 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(tái)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(tái)階在劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)導(dǎo)致單元質(zhì)量不合格。 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。 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。 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(duì)于高速問題建議用粘度公式（缺省），對(duì)于低速問題建議用剛度公式。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。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)。但是單點(diǎn)積分可能引起零能模式，或稱沙漏模式。 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。 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(duì)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。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。 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(duì)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(duì)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。罰函數(shù)值大小受到穩(wěn)定性限制。對(duì)罰函數(shù)法是同時(shí)再對(duì)各主節(jié)點(diǎn)處理一遍，其算法與從節(jié)點(diǎn)一樣。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。對(duì)稱罰函數(shù)法是一種新 的算法，其原理比較簡單。第三種算法用于僅滑動(dòng)界面。 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(duì)稱罰函數(shù)法和分配參數(shù)法?，F(xiàn)有 60 多種接觸類型可以求解下列接觸問題：變形體對(duì)變形體的接觸、變形體對(duì)剛體的接觸、剛體對(duì)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。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)。 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。 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。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 。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 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。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(duì)其他分析軟件數(shù)據(jù)的支持。定制用戶界面：通過簡便的步驟重新布置 HyperMesh 菜單系統(tǒng)。定制 HyperMesh 使其適合您的環(huán)境，提高您的效率。 （ 5） 在 一個(gè)集成的系統(tǒng)內(nèi)支持范圍廣泛的求解器，確保在任何特定的情形下都能使用適用的求解器。 （ 3） 直接輸入 CAD 幾何模型及有限元模型，減少用于建模的重復(fù)工作和費(fèi)用。 Hypermesh學(xué)習(xí)非常簡單，它所具有的非常簡潔和方便的用戶界面大大節(jié)省里用戶學(xué)習(xí)Hypermesh 所需要的時(shí)間。 Hypermesh 具有很高的有限元網(wǎng)格劃分和處理效率，應(yīng)用 Hypermesh 可以大大提高 CAE 分析工程師的效率。 Hypermesh 所具有的非常良好的求解器接口功能，使得 Hypermesh 可以作為 CAE 應(yīng)用平臺(tái)，即統(tǒng)一利用 Hypermsh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)于不同的問題利用不同的求解器進(jìn)行求解； Hypermesh 支持的求解器有 ABAQUS， ANSYS， LSDYNA 等。同樣， Hypermesh 也具有先進(jìn)的后處理功能，可以保證形象地表現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜的仿真結(jié)果，如云圖，曲線標(biāo)和動(dòng)畫等。 Hypermesh 是一個(gè)高性能的有限元前后處理 器，它能讓 CAE 分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作?！?15】在 CAE 領(lǐng)域 , Hypermesh 最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理功能。DYNA 的誕生可以用 “神奇 ”來形容，因?yàn)樵谖覀兪熘谋姸嗟挠邢拊治鲕浖伎梢哉业?DYNA 的蹤跡。 Hypermesh 具有強(qiáng)大的劃分網(wǎng)格的能力，作為有限元研究領(lǐng)域內(nèi)首屈一指的前處理軟件，先后被世界各著名企業(yè)采用。 【 14】 本章小結(jié) 本章簡述了碰撞數(shù)值模擬有限元理論，主要介紹了本課題所用到的顯 式 有限元理論和非線性特性 有限元理論。如果對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行合適的定義來控制結(jié)構(gòu)變形的應(yīng)變率，那么常應(yīng)變的近似方法還是可取的。 沙漏模式是由單元方程式中的低面積 (lowquadrature)積分法則引起的。從定義中可以知道，假如一種變形 模式導(dǎo)致零應(yīng)變能量，那么單元對(duì)應(yīng)此變形會(huì)變得無剛性，這樣將會(huì)帶來我們所不希望的結(jié)構(gòu)材料扭曲，該扭曲就是沙漏，經(jīng)常用江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 術(shù)語 “零能量 ”來描述，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在它們的運(yùn)動(dòng)中獲得動(dòng)能，而與它們相關(guān)的單元卻不會(huì)獲得相當(dāng)?shù)膹椥詰土P能量?；旌戏ㄊ窃诮佑|體分離時(shí)采用罰函數(shù)法，在閉合式接觸時(shí)采用拉格朗日乘子法；閉合滑移接觸的法向采用拉格朗同乘子法，切向采用罰函數(shù)法。拉格朗日乘子法由于對(duì)每個(gè)約束引入一個(gè)因變量，必然導(dǎo)致大量的未知量，計(jì)算費(fèi)用增加；同時(shí)，如果兩個(gè)物 體分離時(shí)，接觸力為零，物體發(fā)生剛體位移，系統(tǒng)平衡方程奇異，并無法求解。但是如果罰參數(shù)過大，會(huì)使方程組病態(tài)。 (2)罰函數(shù)法 罰函數(shù)法引入罰參數(shù)與界面穿透量的乘積作為接觸力，所以滿足接觸界面無穿透的約束條件。此法需要引入新的未知量，增加了未知量的數(shù)目，系數(shù)矩陣的對(duì)角線上出現(xiàn)了零元素，使方程組不再是解耦 的從而使得沖擊接觸問題變得更難求解。對(duì)于接觸力的計(jì)算，根據(jù)對(duì)接觸邊界條件的不同處理，產(chǎn)生了不同的接觸非線性有限元法：拉格朗日乘子法、防御節(jié)點(diǎn)法、罰函數(shù)法和拉格朗日乘子和罰函數(shù)混合法等。接觸不僅發(fā)生在車與外界環(huán)境之間，汽車的各個(gè)部件之間，而且汽車的某一個(gè)部件都可以發(fā)生自接觸碰撞。 江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 接觸非線性