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基于Abaqus的汽车车顶抗压性分析
  • 时间: 2021-01-04
  • 作者: rootfea
  • 文章来源:

摘要

国家公路交通安全管理局授权了某种测试汽车顶部抗压性程序的使用。在测试中,通过将精确定位的刚性板准静态地压靠在汽车上来测量车顶结构的力—偏转行为。作为设计过程的一部分,该测试经常用仿真分析替代。

跟许多准静态过程一样,车顶抗压性的测试可以在Abaqus/Standard或者Abaqus/Explicit中模拟。在这项技术中,给出了每个分析产品的简要建模技术,同时表明这两种产品都可以有效的用于模拟车顶抗压能力测试。

背景

联邦机动车辆安全标准(FMVSS)216中明确指出了汽车车顶抗压性的要求。该标准的目的是为了减少在翻车事故中由于车顶崩溃造成的乘客死亡和受伤。图1是车顶抗压性测试的原理图。力通过一个大的刚性块被准静态地施加到车顶结构的前边缘侧面,底盘框架和车的门槛被约束到刚性水平表面。测试中所得的作用于刚体块的里及其位移用来表征车顶的抗压能力。

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Abaqus主要特点和优势

  • Abaqus / Explicit中通用“自动”接触能力可以很容易地定义复杂的接触条件。

  • Abaqus / Standard中的自动稳定允许在静态结构仿真过程中经历局部不稳定过程。

  • Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard的集成具有为多种类型的分析程序重复使用相同的模型的灵活性。

车顶抵抗性分析的过程中,准确有效的车顶有限元模型可以促进更安全汽车的设计,同时也可以减小开发和测试成本。

有限元分析分析方法

Abaqus有两种方法来分析准静态案例:Abaqus / Explicit中的显式动态过程和Abaqus / Standard中的隐式静态过程。究竟选取哪一种方法取决于实际应用。Abaqus / Explicit特别适用于模拟不连续和不稳定案例。此外,Abaqus/Explicit中的通用接触性能允许复杂接触条件的简化定义。在Abaqus / Explicit中,显性中心差分时间积分规则被用来推进解决方案。这种方法的条件稳定性需要采用较小时间增量。因此,对准静态案例,在他们的时间范围内,对模型的计算可能与实际不相符合。必须采用加速技术来获得一个经济的解决方案。

Abaqus / Standard在建立具有较长持续时间的案例时更加有效,因为隐式方程固有的稳定性允许在解决方案中采用相对大的时间增量。隐式求解程序与显式求解程序的不同之处在于全局方程组的求解需要迭代收敛,有时这个条件难以达到。

在本技术中,给出了每个分析产品的简要建模技术,表明了两种产品都可以有效地用于模拟车顶抗压能力测试。Abaqus允许对多种类型的分析重复使用相同的基本模型。一个案例(Abaqus/Standard 或者 Abaqus/Explicit)中建立的模型通常可以经过很少的修改转变应用于另外一个案例中。此外,两种分析产品的集成提供的灵活性有助于将Abaqus / Explicit的分析结果导入Abaqus / Standard,反之亦然。


有限元模型


车顶冲击模型是基于FHWA / NHTSA国家碰撞分析中心网站(http://www.ncac.gwu.edu)提供的Dodge Neon的公共域模型。整车模型被转换成Abaqus格式,并提取了模拟车顶冲击试验所需要的组件。窗玻璃和内部及外部饰件等部件通常对整个车顶抗压性响应的影响可忽略,并且不包括在内,同样模型中前门的影响也是可以忽略的。几何模型如图2所示。

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模型不同部分的的连接用MPC来表示,也可以使用能提供更多通用性能且具有独立网格的点焊来表示。壳体单元表示由金属板制成的部件,有限膜应变壳单元(S4R,S3R)用于比较

Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard结果。然而,为了计算效率,小应变壳单元(S4RS,S3RS)可以并且很可能将用于Abaqus/Explicit分析。模型中所有钣金部件的材料特性都由具有各向同性硬化的米塞斯可塑表征。车门底部和后轮外壳(在驾驶员侧和乘客侧)的所有节点被限制为代表“刚性”的平面。位移导致载荷的产生,并且施加于载荷平面所在刚体的参看节点处,载荷位移方向垂直于刚体表面。

Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard使用的输入数据非常相似; 差异主要在以下几点中:

分析程序

接触条件

载荷幅值

质量缩放


Abaqus/Explicit分析


如前所述,要使显式动态过程的准静态案例分析有效,需要使用加速技术。但是,当采用加速时,惯性力会成为一个主要因素。我们的目标是在惯性力还不显著的最短时间内对过程建模。增加加载速率和应用质量缩放是两种在显示动态过程中获得经济的准静态解的方法。第一种方法中,过程持续时间通过增加施加负载速率来人工地减少;第二种方法是人为增加材料密度,从而导致稳定时间增量的增加。这两种方法在目前的分析中会同时使用。使用Abaqus / Standard研究结构的固有频率是确定加载速率能够增加的量的一个方法。在静态或准静态分析中,结构的最低特征模式通常决定响应。

知道最低模式的频率和相应的时间段,可以估计获得准静态响应所需的时间。起始准则是指定大于10倍最小本征模周期的加载时间。

对于通过加载板具有轻微预加载的车顶挤压结构,最低本征模的频率为大约15.5Hz,这对应于65ms的时间段,400ms的分析时间足以确保准静态负载。

图3是刚性加载板的力—位移曲线。将刚性板参考点(控制板运动的点)处的反作用力相对于参考点位移作力—位移曲线。

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作为一般规则,为了确定分析是否是准静态的,在大多数模拟中,变形结构的动能不应超过其内部能量的一小部分(通常为5%)。图4是内能和动能曲线。

图5是汽车结构的最终变形图。这里给出的分析中,通用“自动”接触是使用全包含、基于单元表面并通过Abaqus / Explicit自动定义的,因此允许对接触区域简单的定义。

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为了研究其他部分对车顶抗压性的影响,将司机处前门添加到Abaqus / Explicit模型中(如图6)。假定门被锁定。图7比较了具有和不具有门的Abaqus / Explicit分析结果,对于本模型,车门铰链和锁之间的车辆结构的加强对整个车顶抗压性的影响可忽略。

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Abaqus/Standard分析


Abaqus / Standard中的静态过程忽略了惯性效应,因此是模拟准静态事件的自然选择。

当车身加载时,车顶结构可能表现出许多局部不稳定性; 这种不稳定性可能导致隐式求解方法的收敛问题。Abaqus / Standard提供了一种通过向模型添加体积比粘性阻尼来稳定这类问题的机制,这种方法用于本分析。

Abaqus / Standard提供了强大的接触对算法,需要定义模型中不同表面之间的所有潜在接触相互作用,为了最小化接触计算的费用并简化模型,仅在刚性板和板可能接触的区域之间定义接触,附加的基于表面的连接用来近似模拟靠近刚体板区域的接触条件。虽然在连接表面之间施加约束,但是对总体响应的影响是很小的,因为这些表面在仿真期间不可能分离。图8是车辆在静态结构分析结束时车辆结构的变形图。

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比较和结论


图9比较了Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard预测的车顶力—位移响应。

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由两个产品预测的力—位移响应非常相似,除了在分析的后面,当接触开始起主导作用时,会有一些差异。在Abaqus / Standard模型中简化了接触条件,有助于减少计算时间,但在最终解算中引入一些不准确性。图10是两种分析的变形。

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通过考虑车辆结构中的附加接触相互作用,可以进一步改进Abaqus /Standard分析的结果。Abaqus / Explicit模型使用更完整的接触定义,该接触是为整个模型而不是仅为最重要的区域定义的。

使用的模型是基于公共领域的FEA模型,并不能代表实际成产的的车辆。模型中没有可用信息来验证材料属性,外壳厚度,点焊间距以及必须明确的其他详细信息,这些性质对模型行为具有显著影响。

这里得出的结果表明,Abaqus / Explicit和Abaqus / Standard都可以有效地用于模拟车顶抗压试验。对分析产品的选择主要取决于几个因素,如加载速率,接触条件的复杂性等。然而,同时使用两种产品的统一模型能够有效地评估两种可能的解算方案。由于翻车事故中的乘客保护越来越重要,对不同分析解决方案的评估是必要的,这样可以更深入地了解该种结构车顶的抗破碎性。


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