VPG在整车安全性分析中的特色 - 文章

VPG在整车安全性分析中的特色

作者：安世亚太（ANSYS-CHINA）

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当前，我国汽车行业面临着非常严峻的竞争形势，各汽车厂家必须提高自己的研发能力，同时还要努力降低开发和生产的成本。与此同时，我国已发布了正面碰撞法规，并且将于2006年7月1日起正式实施侧面碰撞法规。这些强制性法规的出台不仅对汽车的安全性提出了非常严格的要求，也不可避免地进一步导致了生产厂家开发、制造成本的提高。

CAE是可以协调这些矛盾的有效工具。众所周知，采用CAE分析可在尚未做出样车之前模拟部件甚至整车的性能，避免了反复进行“设计—试制—测试—改进—再试制”的过程，因此大大缩短了开发周期，提高了设计质量，降低了开发成本，VPG（Virtual Proving Ground,汽车虚拟试验场）就是其中一个广受欢迎的仿真工具。

VPG——汽车虚拟试验场

汽车产品开发过程中的CAE分析主要包括：一般性结构分析（刚度、强度等）；噪声、振动、平顺性分析及操纵稳定性分析；结构耐久性分析；碰撞模拟分析；计算流体动力学分析；钣金成形分析等。

图1 VPG软件界面

VPG是ETA公司与各大汽车厂商(如FORD、GM、DAIMLER －CHRYSLER、KIA等)经过近20年的合作，积累了丰富的汽车业CAE技术服务经验之后开发出的整车仿真软件（图1），是专门针对整车分析而开发的CAE仿真环境，可以进行整车的防撞性、安全性、NVH和耐久性等分析。VPG提供的模型库、工具库及固化专家经验的自动化技术可将整车仿真过程中的人员数量及其工作量降到最低。

目前最新版的VPG3.0分为三个模块：VPG/PrePost、VPG/Structure、VPG/Safety。
VPG/PrePost拥有一套完整的网格划分工具以及相应的一些方便用户建模的工具。VPG/PrePost 100%支持LS-DYNA、NASTRAN和RADIOSS，即所有的求解参数设置都可以在VPG界面中输入，无需用户额外手工编辑；提供了与多种主流CAD软件的直接接口，用户可以直接导入各种CAD数据文件；先进的后处理工具可以直接读取各种计算结果文件，并且能够进行动画演示或以X-Y曲线形式表示；自动焊点生成功能允许用户采用各种方法自动创建车身的焊点，使用户的工作效率得到进一步提高。

VPG/Structure允许用户创建机械系统的多刚体动力学模型，悬架模板使用户能够方便快速地创建当今流行的悬架模型，可以方便地产生轮胎模型并且快速连接到系统模型中去，可以分析从简单的机械模型到整车的非刚体模型。

VPG/Safety整合了17种不同的FMVSS和ECE汽车安全法规，独到的“过程向导方法”使建立有限元模型效率更高，而且使复杂的仿真分析更加简单化，碰撞工具库中包括各种障碍物、假人模型、摆锤以及安全带等模型。

VPG3.0可以在各主流工作站如HP、SGI、IBM、SUN、DEC、ALPHA等的UNIX操作系统以及各种PC的Windows98、Windows NT/2000及Linux等操作系统中运行，并且VPG3.0在所有的平台上（如PC、UNIX以及LINUX等）应用的是同一软件包，避免了各平台之间的差异。

VPG在整车防撞性分析中的特色

与其他通用前处理软件不同，VPG从开发初期就定位为汽车行业专用的前处理软件。VPG对于焊点、假人、安全带、安全气囊、各种壁障工具等有独到的处理方法。这其中，有些是普通前处理软件经过很麻烦的过程才能创建、调整的，比如安全带、安全气囊、悬挂、轮胎、各种壁障工具的创建，有些甚至是通用的前处理软件无法完成的，比如假人姿态的调整。

1. 网格划分
整车分析的第一步是划分有限元网格。VPG提供了先进的Topology自动网格划分技术和基于焊接翻边的网格划分功能，且功能强大、快捷。对于有限元分析而言，网格划分是最占时间的部分，这部分效率的提高可以大大减少完成整个分析所需的时间。

2. 焊点连接

各个部件的网格划分完毕就可以开始连接焊点了。在车身中各个部件相互连接的部位，比如门槛前部、A柱等，焊接关系复杂，很容易漏焊或者多焊。已有的一些有限元前处理软件虽然可以通过手工操作完成连接焊点的任务，但是通常情况下，用手工连接焊点的方式需要一周的时间，而且即使在做了仔细检查之后，也很难避免焊点遗漏。相比而言，VPG不仅能快速完成网格划分，而且可以通过读入工艺部门提供的焊点文件在半天内完成整车的焊点连接，无一遗漏，保证焊点连接的准确性（见图2）。并且由于是根据焊点文件做的焊点，在工艺部门调整焊点位置时，工程师只需改动焊点文件相应的个别数据即可达到修改整车模型中焊点的目的。

图2 VPG中的自动生成焊点

3. 悬挂模型

如果用户有悬挂的CAD模型，可以将其直接划分网格得到三维的有限元悬挂。VPG中自带10种前后悬挂可供用户选择（如图3）。如果通过VPG自动产生悬挂，用户需要简单进行悬挂硬点几何位置的调整，将VPG悬挂各个关键点的几何坐标调整为用户所分析悬挂的几何坐标，之后就可以让VPG悬挂和车身处于适当的相对位置，以便于悬挂和车身的连接。

图3 MACPHERSON A-ARM 悬挂模型和HOTCHKISS 悬挂模型

4. 可变形轮胎模型

轮胎是车辆动力学中的重要分析对象，也是一个非常复杂的动力学分析对象。在VPG中，用户不需要自己创建复杂的轮胎模型。VPG中有自带的可变形轮胎模型（见图4），该模型采用气囊模型，材料、刚度等各种数据都已经过多次试验验证。做被动安全性分析时，用户可以直接使用VPG轮胎的各种默认值。VPG中还提供了用户自定义的轮胎，如果用户希望分析自己的轮胎，也同样可以在一个界面中完成。

图4 五连杆后悬架和VPG轮胎及其变形情况

5. 假人及安全带模型

在国家发布的正面碰撞法规中规定了假人的各种性能指标，因此假人的安置在正面碰撞仿真中是必需的。用户可能可以通过各种渠道得到某种假人模型，但是由于假人的各个关节连接非常复杂，通用的前处理软件根本无法对复杂的假人进行坐姿调整。假人的放置对指标的计算值影响很大，不合理的放置得到的必然是不准确的计算结果。

VPG中内置有FTSS假人、LSTC假人和VPG假人。在VPG中调整假人的坐姿非常方便，而且考虑到人体实际情况，对各种关节的转动角度进行了内部限制，无需用户干预就可以避免发生不实际的转动角度。

假人中内置有测量点，如果通过通用的前处理软件导入假人模型，假人的节点和单元编号将重新排序，这会导致内置测量点的丢失。没有测量点提供测量数据，那么假人的安置也就毫无意义了。利用VPG内置假人则无需考虑假人测量点的丢失，这也是VPG在整车碰撞分析中不可替代的原因之一。

图5 VPG假人与安全带模型

利用VPG放置假人的同时，可以给假人加安全带。对于内置的假人，VPG有对应的安全带模型，只需用户指定安全带与车身连接的四个点的坐标就可以创建好安全带，并且与假人没有穿透，安全带与假人之间的接触定义也同时自动完成（见图5）。

6. 法规及测试工具

我国目前已发布的正面碰撞法规和2006年将要发布的侧面碰撞法规都是根据欧共体标准制订的。VPG内置了所有美国(FMVSS, Federal Motor Vehicle Safety Standards)和欧共体(ECE, Economic Commission for Europe Regulations) 被动安全性测试标准及其相应的测试工具。VPG用户可以免费使用其中的所有测试工具，包括正面40%偏置撞用可变形固定壁障和侧面碰撞用运动壁障小车（见图6），这就大大减少了用户建模的工作量，并且不必测试、调整壁障的各种性能，使用户可以快速建立完全适合法规的模拟环境。

总之，安全性（主动安全和被动安全）已成为当今汽车技术发展的主旋律，汽车碰撞模拟分析的目的是为了提高汽车的被动安全性。VPG集成化的程序组件满足了汽车被动安全的要求，通过车体变形，吸收能量，缓和冲击，且在保证车内乘员生存空间的同时，保证发生碰撞后乘员自行脱险的可能性和易于车外救助的开展，为汽车安全性设计提供助力。

AI《汽车制造业》杂志(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/26/2005)


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