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宝马汽车的耐撞性模拟 |
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作者：ABAQUS公司汽车部经理 Eric Weybrant 来源：设计创新 |
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模拟汽车的耐撞性是当今汽车工程师们所面临的最困难的，也是最重要的一个挑战。构成汽车碰撞的物理现象极其复杂，而且整个事件发生的时间非常短暂。转瞬之间，材料就会发生变形，人们也因此面临生死考验。
耐撞性模拟的目的在于尽可能真实地模拟出汽车碰撞时所发生的一切，包括零件和装置的压碎、弯曲、扭曲、切变、拉长以及磨损等情况以及对车内乘客身体的加速作用力。一个能正确模拟相关物理学原理的分析模型对于汽车的安全问题将带来极大的益处。
除此之外，它还有助于节约成本。试想一下，实物碰撞测试只能发生一次，但是一个有效的碰撞模型只需少量的费用就能够运行成百上千次模拟测试。
一些FEA（有限元分析）软件开发者不断开发创造出模拟耐撞性的各种新技术。在ABAQUS 公司，我们有幸与宝马集团的研究人员一起就该领域的一系列技术创新进行合作。下面将详细介绍一些所开发出的能对汽车整体耐撞性和乘客安全性做出更精确预测的工具。这些研发成果绝大部分得益于高性能计算的发展。
薄壁铝挤压制品准静态三点式弯曲度测试的配置。
所用材料是铝合金EN AW-7108 T6 挤压制品。
耐撞性模拟的目的在于尽可能真实地模拟出汽车碰撞时所发生的一切，包括零件和装置的压碎、弯曲、扭曲、切变、拉长以及磨损等情况以及对车内乘客身体的加速作用力。一个能正确模拟相关物理学原理的分析模型对于汽车的安全问题将带来极大的益处。
除此之外，它还有助于节约成本。试想一下，实物碰撞测试只能发生一次，但是一个有效的碰撞模型只需少量的费用就能够运行成百上千次模拟测试。
一些FEA（有限元分析）软件开发者不断开发创造出模拟耐撞性的各种新技术。在ABAQUS 公司，我们有幸与宝马集团的研究人员一起就该领域的一系列技术创新进行合作。下面将详细介绍一些所开发出的能对汽车整体耐撞性和乘客安全性做出更精确预测的工具。这些研发成果绝大部分得益于高性能计算的发展。
材料损破建模
宝马以及其他汽车生产商都在积极探索潜在的新型结构材料，以减少汽车的重量，提高汽车的耐撞性。这类材料包括各种各样的铝镁合金、先进的高强度钢等。但是这些材料的损坏原理有时候会不同于传统汽车结构材料。
以铝为例。实验研究表明由铝合金制成的金属板和薄壁型材可能会因为成核作用、永久变形以及材料空隙的聚结而使韧性遭受破坏。剪切带内破裂可能会导致剪切破坏，而局部不稳定将导致其他破坏。
为了让工程师们更好地了解这些新型结构材料在承受碰撞时是怎样遭受损坏的，我们已创造出了一个材料损坏通用框架，并在ABAQUS软件中建立模型。在防撞性模拟中，材料硬度在材料开始受损后逐渐降低，并与特定的损坏加剧反应值相一致。工程师们可以指定一个或多个受损标准，包括变形、切变、成形极限图、MS（Muschenborn-Sonne）成形极限图和MK（Marciniak-Kuczynski）标准等。
宝马公司的研究员们已证实：MS成形极限图标准对于他们所用材料的缩颈预测特别有帮助。若变形程度超出成形极限，则材料很有可能出现诸如缩颈或破裂之类的破坏现象。使用MS成形极限图的好处在于它考虑到了变形过程对金属板变形极限的影响，而传统的成形极限图只对线性应变过程有效。
有了ABAQUS公司的软件，碰撞分析人员就可以在模拟过程中同时考虑加工影响因素。通过在实际发生碰撞前找出金属板中现已存在的变形情况，模拟试验能够更好的反映物体的真实情况（参见图1a-1d）。ABAQUS软件的破坏框架结构可广泛适用于各行各业。举例来说，它可用于制造设置，从而模拟金属切割过程。
独立网格划分的紧固件
汽车装配通常包含成千上万个点焊。在碰撞过程中，点焊受损或遭破坏的方式会显著影响到汽车整体结构的耐撞性。我们为ABAQUS软件所开发的一种最有用的耐撞性模拟工具就是一种可用来模拟点焊的独立网格的紧固件。
通过与客户的多年合作，ABAQUS软件中所用的紧固件技术已经日趋完善。紧固件是有效进行一维运算的理想工具，它可以模拟两个或两个以上表面间的“点对点”连接行为。通常，一个连结两个表面的紧固件是由一个连接器元件加上两个用于区分连接面的固定件（分布式联接器）组成。工程师们可以充分利用这些连接元件所具有的大量运动特性和结构特性，从而组装出任何自己能想到的各类紧固件。可变形的点焊通常用一个套管式连接来模拟，以此来表现其运动学特性。弹性或钢塑性的受损程度都可以说明结构上的变化情况。
紧固件之所以能独立于网格，是因为分布式联接器能“跨越”FE网格的区域界限进行联接。（参见图2a及2b）。按照惯例，每个紧固件都用一个特定的节点位置加以区分，因此，只要该模型被重新划分网格，所有的点焊位置都将被重新确定。独立网格划分的紧固件有助于提高建模效率，为许多行业的工程师们节约了大量时间。比如说，在航空航天工业领域中，独立网格划分的紧固件还被用于模拟铆钉。
展望未来，汽车生产商正在研究使用结构胶来连结部件的益处。粘合接头可提供的强度要强于点焊接头，且更易于噪音控制。为了模拟结构胶在汽车碰撞过程中的性能如何，工程师们可以利用ABAQUS软件中一项被称为粘结元件的功能，它能够模拟部件粘结处那些粘结接头的变形和破坏情况。ABAQUS同时也支持汽车组件的创新应用，目前正在评估一些用于碰撞分析的组合破坏模型。
乘客安全
为了预测碰撞过程中车内乘客所面临的情况，工程分析学家对人体模型与汽车座位、座椅安全带控制系统以及辅助安全气囊在碰撞时所产生的相互影响作用进行了模拟。在ABAQUS软件中，座椅安全带控制系统是用一系列特殊的连接器元件来模拟的。这些元件是表示座椅安全带控制系统中各个连接点具体运动学原理的理想一维模型。有一种特殊的滑轮式连接器叫做滑环。
这种滑环连接器元件允许线条或电缆改变其行进方向，就好像是在绕着一个滑轮移动。滑环模拟了碰撞过程中座椅安全带的状态，即受人体模型移动时的作用力影响，安全带会沿着固定装置滑动和拉长。如图3所示，从B柱内牵引装置的安全带轴开始，座椅安全带模型共使用了六个滑环元件。安全带牵引装置和预加拉力器分别用不同的连接器表示。
滑环连接器也已运用于汽车行业以外的其他领域，诸如土木工程和近海工程等，这些领域中可以用它们来模拟电缆系统。
在ABAQUS 软件中，安全气囊辅助控制器的建模基于表面流体腔概念。安全气囊的表面结构用一些有规律的有限元素来表示，但是气囊里面的流体却并未采用网状结构。不同的是，气体是由增压泵产生的恒定气压来确定的，并且瞬间就能贯穿整个安全气囊。随着模拟过程所取得的不断进展，充液结构体的变形又可与气囊边界所含液体产生的压力联系起来。表面流体腔还可以运用于制造业中的吹塑工艺建模。
与很多有限元分析模型一样，安全气囊模型也是通过模拟结果与试验数据的比较来获得验证的。安全气囊生产商开发出产品后要进行物理测试，并对系统的实际结果进行估量。于是就构想出了一个模型来模拟该物理试验。模拟结果与试验结果越吻合，生产商就越有信心用模型来预测安全气囊的设计性能。
图4显示了一个打开后的侧面窗帘式安全气囊的模拟碰撞试验结果。在本次模拟中，安全气囊被分解成18个部分，以便于估算气体分布的不均匀程度以及气囊展开时所观察到的气压梯度。每个部分均用一个表面流体腔来模拟。安全气囊的表层用膜元来表示，并结合使用一种ABAQUS软件中特有的纤维物模型。碰撞器被模拟成一个总质量达7.2kg的刚体，并以4,500毫米/秒的初速度撞向正在打开的安全气囊。模拟结果与物理测试表现出惊人的相似。
计算性能
为了更好地支持碰撞建模以及其他复杂程度相当的模拟，ABAQUS软件已通过域分解法提升了其并行计算速度。其原理就是将模拟模型分成一个个单独的域，然后在不同的CPU上运行每个域。域与域的连接处设有一个信息交换元件，以确保计算顺序的一致性。该模型最理想的分解方式是使每个CPU所执行的任务量大致相等（参见图5）。
在碰撞模拟中，涉及大量轴向弯曲行为，区域之间信息交换顺序上极其微小的差异都会导致同一模型在使用不同数目的域时，产生明显不一致的运算结果。我们的并行计算方式采取了额外的步骤把这些影响减到最小，并提供可再现的结果。通过结果的可再现性可以确信模拟的精确性。(end)
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(投稿)
(8/21/2007) |
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