基于ANSYSLSDYNA的轎車車門碰撞仿真模擬本科畢業(yè)論文

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1、基于ANSYS/LS-DYN的轎車車門 碰撞仿真模擬 摘要 碰撞問題屬于沖擊動力學(xué)的研究范疇，其過程具有高速、高溫、高壓等基 本特性。因?yàn)榧虞d速率高、變形大、接觸物體間的侵徹貫入作用，在高速碰撞過 程中材料內(nèi)呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變率及絕熱溫升效應(yīng)，甚至發(fā)生相變。 高速汽車碰撞對車身結(jié)構(gòu)帶來的破壞一直受到交通部門的關(guān)注， 數(shù)值模擬因 其經(jīng)濟(jì)性和高效性日益成為碰撞問題的重要研究手段。 它可以節(jié)省試驗(yàn)的巨大投 入，方便地描述和動態(tài)顯示問題的整個(gè)過程。 本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYN對汽車車 門被撞進(jìn)行了動力學(xué)仿真， 討論了多種速度和碰撞角度情形下轎車門被碰撞的情 況，對仿真中的各種情況進(jìn)行的初步分

2、析并對車門設(shè)計(jì)提出了一些直觀建議。 關(guān)鍵詞：有限元方法；ANSYS/LS-DYN；碰撞仿真 Abstract Collision problem belongs to the research areas of impact dynamics,the basic characteristic of its process meansto be high speed , high voltage and high temperature. Because of the load of high speed, large deformation, effect of penetration

3、between objects, material shows obvious strain rate and adiabatic with temperature rising, even phase changing in the process of high-speed collision. That high-speed collision between automobile damages the body structure is concerned by the traffic departments for a long time. Numerical simulatio

4、n with the character of economyand efficiency becomes more and more important research method for collision problem. In this paper, a vehicle will run in a door at certain speed and angle, that is based on the analysis ability of ANSYS/LS-DYNA. Keywords: Finite element method; ANSYS/LS-DYNA; Collis

5、ion simulation 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教 師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 盡我所知，除文中特別加 以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研 究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷 而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體， 均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 期： 作者簽名： 日 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提

6、交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電 子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供 目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制 手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠?或全部內(nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研 究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外， 本論文 不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 對本文的研 究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完 全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年

7、月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 導(dǎo)師簽名: 日期： 年 月 作者簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評價(jià)： 一、 撰寫（設(shè)計(jì)）過程 1、 學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、 學(xué)生掌握專業(yè)知識、

8、技能的扎實(shí)程度 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 3、 學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 4、 研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 5、 完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 二、 論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1、 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 三、 論文（設(shè)計(jì)）水平 1、 論文（設(shè)計(jì)）的理論意

9、義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、 論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 3、 論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 建議成績：□優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“ V"） 指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 評閱教師評閱書 評閱教師評價(jià)： 一、 論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1、 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □優(yōu) □良

10、□中 □及格 □不及格 二、 論文（設(shè)計(jì)）水平 1、 論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、 論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 3、 論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 建議成績：□優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“ V”） 評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見 教研室（或答辯小組）評價(jià)： 一、 答辯過程 1畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見

11、解的敘述情況 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、 對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 3、 學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài) □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 二、 論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 三、 論文（設(shè)計(jì)）水平 1論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意? □優(yōu) □良 □中 □及格 □

12、不及格 3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 評定成績：□優(yōu) □良 □中 □及格 □不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“ V"） 教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名） 年 月 日 教學(xué)系意見： 系主任： （簽名） 年 月 日 第1章 緒言 X J ? 1 4 |——J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J 第 2 章.ANSYS/LS-DYN簡介,,,,,,,,,,,,,,, 1 3 第3章?問題描述與建模,,,,,,,,,,,,,,,,, 5 3.1 分析過程規(guī)

13、劃,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 5 3.2 建立幾何模型,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 6 3.3劃分有限元網(wǎng)格,,,,,,,,,,,,,,,,, 11 3.4 建立 PART,,,,,,,,,,,,,,,,,, 11 3.5 定義接觸信息,,,,,,,,,,,,,,,,,, 12 3.6定義邊界條件及約束,,,,,,,,,,,,,,, 13 3.7定義保險(xiǎn)杠的初始速度,,,,,,,,,,,,,, 13 3.8施加保險(xiǎn)杠面載何,,,,,,,,,,,,,,,, 14 第4章' 求角經(jīng) "J r 1 4 、川丁 j j j j j j j j j

14、 j j j j j j j j j j j) 17 4.1 求解設(shè)置,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 17 4.2 輸出關(guān)鍵字文件 Collision.K ,,,,,,,,,,, 18 4.3 向 LS-DYNA求解器遞交求解,,,,,,,,,,,, 19 第 5 章?結(jié)果分析,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 21 5.1 觀察碰撞過程,,,,,,,,,,,,,,,,,, 21 5.2觀察車門內(nèi)的等效應(yīng)力分布,,,,,,,,,,,, 22 5.3觀察速度值改變后的碰撞結(jié)果,,,,,,,,,,, 24 5.4觀察速度方向改變后的碰撞結(jié)果,,,,,,

15、,,,, 24 5.5 纟口 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 27 參考文獻(xiàn),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 30 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第1章.緒言 1.1工程背景及選題意義 現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)。因此，由 20世紀(jì)進(jìn)入21世紀(jì)，引導(dǎo)人類科技再次進(jìn)步的將是與計(jì)算機(jī)相結(jié) 合的科技。而計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用與發(fā)展也得力于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn) 步：將計(jì)算機(jī)軟件用于產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析與制造，已成為 近代工業(yè)提高競爭力的主要方法。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (Computer-aided Design，CAD，即使用計(jì)算機(jī)軟件直接從事圖 形的

16、繪制與結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助工程( Computer-aided Engineering ，CAE是用工程上分析的過程及計(jì)算方法來輔助工 程師做設(shè)計(jì)后的分析或進(jìn)行同步工程；而計(jì)算機(jī)輔助制造 (Computer-aided Manufacturing ，CAM 則是直接用計(jì)算機(jī)來輔 助操縱各式各樣的精密工具機(jī)器以制造不同的零部件。國內(nèi)最早 引進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助軟件是 CAD然后是CAM最后是CAE CAE的技術(shù)種類很多，其中包括有限元法，邊界元法，有限差 分法等。每一種方法都有其應(yīng)用領(lǐng)域，而有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越 來越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、 電路學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域

17、，而隨著其越來越多的發(fā)展，加上其結(jié)合 了不同的領(lǐng)域，像流體與結(jié)構(gòu)力學(xué)的耦合，電路學(xué)與電磁學(xué)的耦 合，使得CAE的發(fā)展越來越迅速，應(yīng)用也越來也廣泛。 碰撞問題屬于沖擊動力學(xué)的研究范疇，其過程具有高速、高 溫、高壓等基本特性。因?yàn)榧虞d速率高、變形大、接觸物體間的 侵徹貫入作用，在高速碰撞過程中材料內(nèi)呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變率及絕 熱溫升效應(yīng)，甚至發(fā)生相變。高速汽車碰撞對車身結(jié)構(gòu)帶來的破 壞一直受到交通部門的關(guān)注，數(shù)值模擬因其經(jīng)濟(jì)性和高效性日益 成為碰撞問題的重要研究手段。它可以節(jié)省試驗(yàn)的巨大投入，方 便地描述和動態(tài)顯示問題的整個(gè)過程。本文即是應(yīng)用數(shù)值仿真軟 件ANSYS/LS-DYNA寸汽車碰撞中車門的

18、變形仿真，通過對不同速 度不同碰撞角度下的碰撞仿真，為車門設(shè)計(jì)提供初步的建議。 1.2文章的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 我們在第二章主要介紹了仿真軟件 ANSYS/LS-DYNAt點(diǎn)介紹 了它處理問題的特點(diǎn)和所適用的求解問題。在第三章和第四章， 我們主要介紹了應(yīng)用ANSYS進(jìn)行車門建模和用LS-DYNA?行碰撞 仿真；在第五章我們分析了多種情形下的仿真結(jié)果，并給出了初 步分析結(jié)論。 7 第 2 章 ANSYS/LS-DYNA 簡介[2、4] ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的 大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司 之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多

19、數(shù) CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 共享和 交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I — DEAS, AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級 CAE工具之一。ANSYS是 一個(gè)應(yīng)用非常廣泛的工程分析軟件包。ANSY歎件在工程上的應(yīng)用 相當(dāng)廣泛，包括機(jī)械、電機(jī)、土木、航空及電子等不同領(lǐng)域，而 且在這些方面的應(yīng)用都能達(dá)到相當(dāng)程度的可靠度，頗獲各界好評。 計(jì)算機(jī)輔助工程分析是利用有限元法及數(shù)值分析的結(jié)合來完成分 析工作的。使用該軟件可以降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。 LS-DYNA是分析功能最全面的顯示分析程序，其前身為美國 Lawrenee Livermore 國

20、家實(shí)驗(yàn)室 J.O.Hallquist 博士于 1976 年主 持開發(fā)完成的DYNA?序系列，DYNA?序時(shí)域積分采用顯示的中心 差分格式，可用于分析爆炸與高速沖擊等過程中的大變形動力響 應(yīng)問題，當(dāng)時(shí)開發(fā)DYN/程序的主要目的是為武器設(shè)計(jì)提供分析工 具。1988 年，J.O.Hallquist 創(chuàng)建 LSTC公司，推出 LS-DYNAg序 系列，主要包括顯示的LS-DYNA2DLS-DYNA3D隱式的LS-NIKE2D LS-NIKE3D、熱分析 LS-TOPAZ2D LS-TOPA3D前后處理程序 LS-MAZE LS-ORION LS-INGRID LS-TAURU等商用程序，逐步規(guī) 范和完

21、善程序的分析功能，增加了汽車安全分析、金屬板的沖壓 成形分析以及流固耦合分析等功能，使得 LS-DYNA程序系列的應(yīng) 用范圍不斷得到擴(kuò)大，并建立起完備的軟件質(zhì)量保證體系。 LS-DYNA是功能齊全的非線性分析程序包，可以處理各類復(fù)雜 的非線性問題。其顯示算法特別適合于分析各類沖擊、爆炸、結(jié) 構(gòu)撞擊等動態(tài)非線性問題，同時(shí)還可以求解熱傳導(dǎo)、流體動力學(xué) 以及流固耦合問題。其算法特點(diǎn)是以 Lagrange為主，兼有ALE和 Euler算法；以顯示求解為主，兼有隱式求解功能；以結(jié)構(gòu)分析為 主，兼有熱分析、流固耦合功能；以非線性動力分析為主，兼有 靜力分析功能。 在LS-DYNA發(fā)展歷程中，與ANS

22、YS勺合作是具有重要意義的 事件之一。1996年，LSTC公司和ANSY公司開始進(jìn)行技術(shù)和市場 方面的合作，共同推出了 ANSYS/LS-DYN的第一個(gè)版本5.5 （版本 號同ANSYSK本號）。ANSYS/LS-DYN結(jié)合了 ANSY矯面的前后處 理功能與LS-DYNA的求解器強(qiáng)大的分析能力。對于熟悉 ANSYSS 本操作的用戶而言，使用 ANSYS/LS-DYN來處理各種高度非線性 的動態(tài)問題是一個(gè)很理想的選擇。目前，ANSYS/LS-DYN的最新版 本是12.0，其前處理器支持LS-DYNA求解器971版本的大部分分 析功能。 LS-DYNA! 20世紀(jì)90年代引入國內(nèi)以來，迅速在相

23、關(guān)的工作 領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，目前該程序已成為國內(nèi)科研和工程人員 開展數(shù)值實(shí)驗(yàn)以及仿真分析的強(qiáng)有力工具之一。 LSTC公司和ANSYS公司合作推出的 ANSYS/LS-DYNA吉合了 LS-DYNAS大的顯示動力分析能力與ANSYS?便易用的前后處理功 能，對于熟悉ANSYS吉構(gòu)分析的工程人員，ANSYS/LS-DYN無疑是 最容易使用的顯示分析工具。 第3章.問題描述與建模 3.1分析過程規(guī)劃 如圖1所示，車門高1.2m，寬1m最厚處為0.05m，內(nèi)材質(zhì) 為空，保險(xiǎn)杠截面為0.1m的正方形，取長為1m略有弧度。保險(xiǎn) 杠最底部高出車門下邊緣0.25m。保險(xiǎn)杠將以一定的速度和不同的 角

24、度碰撞車門，本論文即分析這一動力過程。 圖1保險(xiǎn)杠碰撞車門示意圖 車門采用Thin Shell 163 殼單元劃分網(wǎng)格，為節(jié)省機(jī)時(shí)，車 門上的玻璃材質(zhì)將不予考慮。保險(xiǎn)杠模型采用三維實(shí)體顯示單元 SOLID164進(jìn)行網(wǎng)格化分。車門采用雙線性彈塑性模型，因?yàn)楸疚?主要分析碰撞過程中車門的變化，故保險(xiǎn)杠的材料模型選擇為剛 體。 為了接近事實(shí)，在車門前端上下兩點(diǎn)處約束所有自由度， 整個(gè) 車門的邊緣施加固定 Z向約束邊界條件。保險(xiǎn)杠與車門之間的接 觸采用 *contact_surface_to_surface_auTOM觸算C。整個(gè) 建模過程采用kg-m-s國際單位制。 計(jì)算結(jié)束時(shí)間取0

25、.05s，每隔0.001s輸出一個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)文件。 進(jìn)入ANSYS/LS-DYNA勺程序界面后，通過菜單項(xiàng) Utility Men u>File>Cha nge Job name,指定分析的工作名稱為 Bumper to Door；通過菜單項(xiàng) Utility Men u>File>Cha nge Title ，指定圖形 顯示標(biāo)題為 Analysis of Collision 。 3.2建立幾何模型 3.2.1定義單元類型 選擇菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit /Delete，在彈出的 Element Type對話框中，

26、單擊 ADD按鈕，出 現(xiàn)Library of Element Types 對話框，如圖2所示，定義兩種 所需單元類型。 3.2.2定義材料模型及實(shí)常數(shù) 選擇 菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models ，出現(xiàn) Define Material Model Behavior 窗口， 如圖3所示定義兩種材料模型，材料 2密度為7.8E3,楊氏模量為 2.07E11,泊松比為0.25 ;材料1參數(shù)如圖4所示。 圖2定義單元類型 圖3定義材料模型 上述材料模型1和2將在后面的建模操作中分別用

27、于車門以 及保險(xiǎn)杠的單元網(wǎng)格劃分。 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 圖4車門材料各項(xiàng)參數(shù) 實(shí)常數(shù)的定義只需針對Shell 163單元，輸入殼單元的厚度為 0.0025，剪切參數(shù)為5/6，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 323建立車門幾何模型 在ANSYS勺命令窗口輸入以下命令即可建立車門的模型: /PREP7 K, K,2,1 K,3,1,0.6 K,4,,1.2 K, 5,0.4,1.1 L, 1,2 L,2,3 LARC,3,4,5 L,4,1 K,6,,,0.05 K, 8,0.6,,0.05 LARC,4,6,7 LARC,6,2,8 L, 1,

28、6 A,1,2,3,4 AL,5,6,2,3 AL,4,7,5 AL,1,7,6 K,9,0.05,0.6 K,10,0.95,0.6 K,11,0.05,1.12 K, 12,0.4,1.05 L, 9,10 L,11,9 LARC,10,11,12 AL,8,10,9 K, 13,,,0.1 L, 1,13 VDRAG,5,,,,,,11 ASBA,1,5 ASBV,2,1 L,9,18 L,10,17 L,11,19 AL,9,12,20,14 9 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 AL,8,12,18,13 AL,10,13,19,14

29、 3.2.4建立保險(xiǎn)杠幾何模型 首先旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在命令窗口輸入：WPROTA,,,-90。然后通過 選擇菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>Modeling> Create〉 Areas>Rectangle>By Dimensions，在彈出的 Create Rectangle by Dimensions對話框中輸入保險(xiǎn)杠截面尺寸，如圖 6所示，單擊OK 按鈕。 在命令窗口中輸入WPROTA,,,90將坐標(biāo)系歸于原來位置。依 舊采取命令流的方式建立保險(xiǎn)杠模型： 圖5建立保險(xiǎn)杠截面 K,21,0.5,0.35,0.15 K,22,1,0.35,0.2 LAR

30、C,20,22,21 VDRAG,7,,,,,,22 3.3劃分有限元網(wǎng)格 分別采用殼單元SHELL16：及顯示體單元S0LID164寸車門和保 險(xiǎn)杠進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，按如下的操作步驟進(jìn)行： 選擇菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls >ManualSize>Lines>Picked Lines，規(guī)定各線段的等分?jǐn)?shù)： L1、L6、L24、L25、L27 及 L29 等分 50 份； L2等分30份； L4及L5等分60份； L3、L9、L19、L10 及 L20 等分 20 份； L8及L18等分40份； L15-L17、

31、L21、L23、L26、L28、L30 等分 5 份。 通過選擇菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>Meshing>Meshing Attributes 指定網(wǎng)格屬性：對車門采用SHELL163單元，材料類型 1及實(shí)常數(shù)1劃分自由網(wǎng)格，保險(xiǎn)杠采用 SOLID164單元，材料類 型2進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。通過菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor> Mesh in g>MeshTool劃分后的有限元模型如圖 6所示。 3.4 建立 PART 通過菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>LS-DYNAOptions>Parts Options，彈出

32、Parts Data Written for LS-DYNA 對話框，選中 Create all parts 復(fù)選框，單擊 OK按鈕，彈出建立的 PART信息 列表文本窗口，如圖7所示，關(guān)閉它，返回圖形用戶界面。 37 ANSYS HAY .2 3 An^lysiv of Cal Llblqh, 圖6保險(xiǎn)杠碰撞車門的有限元模型 3.5定義接觸信息 3.5.1定義接觸類型和接觸參數(shù)。 圖7 PART列表

33、 選擇 菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options> Con tact>Defi ne Con tact ，彈出 Con tact Parameter Defin iti ons 對話框，在 Con tact Type 中選擇 Surface to Surf 和 Automatic , 即面一面自動接觸算法 ASTS采用默認(rèn)參數(shù)。 3.5.2定義接觸部件。 以上參數(shù)設(shè)置完成后，單擊 Co ntact Parameter Defini tio ns 對話框的OK按鈕，彈出Con tact Optio ns對話框，接觸部件和目 標(biāo)面部件號

34、分別選擇2和1，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。 3.6定義邊界條件及約束 選擇 菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options> Con strai nts>Apply> On Lin es ，在彈出的對象拾取對話框中選擇 L1-L4，出現(xiàn) Apply U，ROT on Nodes 對話框，在 DOFs to be constrained —欄中選擇UZ然后單擊OK按鈕。 選擇 菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options> Constraints>Apply>On Nodes，在彈出的對象拾取對話框中單擊 車門

35、最前部的上下兩點(diǎn)，出現(xiàn) Apply U，ROT on Nodes對話框， 在 DOFs to be constrained —欄中選擇 ALL DOF 然后單擊 OK 按鈕。 3.7定義保險(xiǎn)杠的初始速度 通過選擇菜單項(xiàng) Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options>lnitial Velocity>On Parts>W/Nodal Rotate ，彈出 Gen erate Velocity 對話框，如圖8所示。在Part列表中選擇 Part2，即保險(xiǎn)杠，在 Translational Velocity 一欄中，輸入保 險(xiǎn)杠在總體直角坐標(biāo)系下的各個(gè)初始速度

36、分量， VZ填-20 （單位: m/s）,其余參數(shù)不填寫,單擊0K按鈕關(guān)閉該對話框,完成保險(xiǎn)杠初 始速度的施加. 圖8施加保險(xiǎn)杠的初始速度 3.8施加保險(xiǎn)杠面載荷 計(jì)算結(jié)果表明，保險(xiǎn)杠僅有初速度是不夠的，碰撞過程中會 發(fā)生反彈。實(shí)際情形中，車體會在保險(xiǎn)杠的內(nèi)側(cè)面提供向前的壓 力，阻止碰撞瞬間的高壓強(qiáng)帶來的反彈。 通過菜單項(xiàng) Utility Menu >Parameters>Array Parameters〉 Define/Edit, 定義名稱為TIME和FORC的兩個(gè)數(shù)組： NO. TIME FORCE 1 0 50000 2 0.05 50000

37、表1時(shí)間-載荷數(shù)組 通過菜單項(xiàng) Utility Men u>Select>E ntities ，彈出 Select Entities 對話框，選擇類型設(shè)為Areas，選中A9,然后選擇Nodes, Attached to Areas，All ，最后選擇 Elements，Attached to Nodes, 建立由所選 Elements組成的組元(Component),定義名稱為Load。 Specify Loads for LS—DTSA Explicit [EDUJAIlJ Loa.diOpli ons for LS-DtMA Expli ait LoidL Op I ions [

38、Tdd LoiiT ▼ Loa.d Libels FEES RBUX RE UY RBUZ RBVX syetem/Surface Key Component n>ame or FA￡T number: F u?4t w :f qf ■筍 v^JiUe e i P al- in** I er naiTie for 4al& values : Analysis type for l?ad curves: |ljOai] 〒 * Tr 0X1=14111 enly r-' Dynami c relax Tr ana an.d D^Tiam To use gn exi st

39、inff laadl curve: eurvt ID Sc aI o- f-actor ￡or 1 & ad curv* BTIME Birth tima^Activate impose DTIME Death timft-Reaove imposed. OK Apply C-ancel. Help 圖9面載荷的施加 通過菜單項(xiàng) Ma in Me nu>LS-DYNA Optio ns>Loadi ng Optio ns> Specify Loads,施加如圖9所示的面載荷。 上述操作完成后,選擇菜單項(xiàng)Main Menu>Finish，退出前處理 第

40、4章.求解 通過菜單項(xiàng) Main Menu>Solution進(jìn)入求解器。在求解之前， 還需要對相關(guān)的求解以及輸出選項(xiàng)進(jìn)行一系列設(shè)置 4.1求解設(shè)置 4.1.1設(shè)置步長因子 選擇菜單項(xiàng) Main Menu>Solution>Time Controls>Time Step Ctrls，彈出 Specify Time Step Scali ng For LS-DYNA Explict 對話框，在Time Step Scale factor域中輸入0.6，如圖10所示, 單擊OK按鈕，關(guān)閉該對話框。 4.1.2設(shè)置求解時(shí)間 選擇菜單項(xiàng) Mai n Me nu>Solutio n>

41、Time Con trols>Solution 對話框，輸入 Time，彈出 Solution Time for LS-DYNA Explict 計(jì)算時(shí)間為0.05 （單位：s），如圖11所示 圖10設(shè)置時(shí)間步長因子 圖11求解結(jié)束時(shí)間 4.1.3設(shè)置結(jié)果文件輸出步數(shù) 選擇 菜單項(xiàng) Main Menu>Solution>Output Controls>File Output Freq>Number of Steps，彈出 Specify File Output Frequency對話框，在［EDRST一欄中輸入結(jié)果文件的輸出步數(shù)為 50,在［EDHTIME一欄中輸入1

42、,單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。 4.1.4設(shè)置結(jié)果文件輸出類型 選擇菜單項(xiàng) Mani Men u>Solutio n>Output Con trols>Output File Types，在 Specify Output File Types for LS-DYNA 對話 框中選擇Add和LS-DYNA即在計(jì)算時(shí)輸出用于LS-PREPOS后處 理的結(jié)果文件，單擊 OK按鈕關(guān)閉該對話框。 4.2輸出關(guān)鍵字文件Collision.K 上述選項(xiàng)設(shè)置完成后，選擇菜單項(xiàng)Main Menu>Solution>Write Jobname.k，輸出模型關(guān)鍵字文件 Collision.K 到工作目錄。

43、 上述工作完成后，通過菜單項(xiàng) Utility Me nu>File>Exit 推出 ANSYS 4.3向LS-DYNA求解器遞交求解 通過 Windows系統(tǒng)的“開始”按鈕，選擇 ANSYS程序組中的 Con figure ANSYS Products,進(jìn)入 ANSYS勺啟動窗口。 在 Launch選項(xiàng)卡中，Simulation Environment 欄選擇 LS-DYNA Solver , License 選擇 ANSYS LS-DYNA 轉(zhuǎn)到 File Management 選項(xiàng)卡，Working Directory 設(shè)定為關(guān) 鍵字文件所在的目錄， Keyword In pu

44、t File 指向工作目錄下的 Collisio n.K 。 轉(zhuǎn)向Customization 選項(xiàng)卡，在 Memory欄中輸入100000000, 單擊窗口左下方的 Run按鈕，即可將關(guān)鍵字文件遞交 LS-DYNA求 解程序并開始計(jì)算。 在求解過程中，可以通過程序的輸出窗口觀察單元失效的過 程，米用SW2選擇開關(guān)可以獲取實(shí)時(shí)信息。 如圖12所示為計(jì)算碰撞過程中單元失效時(shí)屏幕輸出窗口的顯 示內(nèi)容。 求解完成后，屏幕輸出窗口提示 Normal Termination !，按任 意鍵推出。 皿 AHSTS Prodnct Launcher _ Z X ■ node nLLnbe

45、r t 36269 [deleted tine 4.61910Et8i solid elenent 1 32219 failed at tine 4.619105*01 nods nunber N 42619 deleted tine 4.65UBEtei solid elenent t 337S5 failed at tin 4.650e8E*m node nLLJiber t 42886 deleted tine 札制44W node nLLnber t 36255 deleted t

46、ine 4.679445*01 node nunbep I 4288? deleted tine 4*6?M4E*m node nunber 1 3621? deleted tine 4.67944E*fll solid elerteot t 32819 Failed at tine 4.6?9HEt8i node nLLnber t 36fK deleted tine 札韶H2E咆 node own her 1 43668 deleted tine 4.68D42E4U s

47、olid elenent r 32980 failed at tine 4.68B4SE*ai on de OLLraber t 43783 deleted tine 4,6043^^1 node nLLnber t 36957 deLeted tine 4.68434E刑 solid, elerremt t 33612 failed at tine 4.68434E*fll node viunbBP i 43590 deleted tin 4.68532Etei node owrabBr t

48、 36904 deleted tine 4

49、 ^.?2i54E*8i node nunber t 43VK deleted tine 4.72154E*81 solid elenent i 32S88 failed at tine 4.72154E4U solid eleoent r 33KB failed at tine 4Open>Binary Plot ，在彈出的 對話框中選擇打開工作目錄下的二進(jìn)制結(jié)果文件 D3plot，將結(jié)果 信息讀入

50、LS-PREPOS后處理器，繪圖區(qū)域中將出現(xiàn)計(jì)算模型的正 視圖。 5.1觀察碰撞過程 通過動畫播放控制臺，可觀察碰撞的整個(gè)動態(tài)過程。 利用程序主菜單的Splitw功能按鈕提供窗口切分顯示功能， 在 Split Window 面板的 Window Configuration 選項(xiàng)中選擇 2X2 復(fù)選框，在 Draw to Sub window 選項(xiàng)中選擇所需的 Sub window， 在動畫控制臺中選擇各個(gè)切分窗口中要顯示的結(jié)果步。 如圖13所示為碰撞過程的一系列時(shí)間步的正面結(jié)果圖 ANALYSE O COLI t5K>N ANAL YSIS Q# C0UISK)M

51、 圖13正面碰撞結(jié)果 如圖14所示為碰撞過程的一系列時(shí)間步的內(nèi)側(cè)結(jié)果圖 ANA1YSIS OF COI11SIQN ANALYSIS OF COLLISIOM ANALYSIS OF COI 11SI0N ANAI.YSK OF COLLISION 圖14內(nèi)側(cè)碰撞結(jié)果 由圖13和圖14可以明顯看出，因?yàn)檐囁俑?，在碰撞過程中, 保險(xiǎn)杠對車門造成了較大的傷害，導(dǎo)致了車門發(fā)生大變形。尤其 在車門的后側(cè)邊緣處材料的屈曲現(xiàn)象極為突出。 5.2觀察車門內(nèi)的等效應(yīng)力分布 對各個(gè)切分窗口分別選中并采取如下操作： （1） 選擇程序主菜單區(qū)域第一頁的 SellPar按鈕，在Part Se

52、lection 面板的 Part ID 中選中 Part 1 。 （2） 選擇程序主菜單區(qū)域第1頁的Fcomp按鈕，在Fringe Component面板中選擇 Stress 和 Von Mises Stress，單擊 Apply 按鈕；利用動畫播放控制臺，選擇需顯示的子步結(jié)果。 如圖15和圖16所示為一系列不同時(shí)刻車門內(nèi) VonMises等效 WWJ YSIS OF CO1USION Coniours ef Ellectwe Stiess 忖 mJ n?rt? ini jni(i -b.tl7375,BtdcflJ E443 mix ft clemf 47?& Fringe J c

53、vrls ).?78?*07 1220eMT 巴驕兀訶F | 7.S04^U/| :'.H/irtiirl l7eirtO/ 11 1,0門胡1 7J55ctO6| 3.S78efO6 6J?

54、tn Fringe Levels &.150et0Z FJWe 冊： ■jBenO7| ■filetd? ■釧0匸 樹幅 ?t elemi 4? tttDJ, alckmf SIS' AMMYSIS Contours d rusx ipl va| mm=L?64 mix=8J4E ?tden4 52^ 陽斤g ■rekmlO?! OF COLLI別ON、 I EHcdvr Sticks Fringe Ltvelt S.73OC+O7 5.219e*0? ■i.H/dli/l d hintrtll/l li. I/hi: I IM I |ts?r tn; I thill： Hi

55、 / ° IlJOeiO?" ANAL\1 Conloul rnjKiifl. min-k (RtK^S, 應(yīng)力等值線分布云圖 圖15車門中的等效應(yīng)力分布（正面） ingr Lcvris .lE4e?or ?le*W 732t*07 >1Se?D7 5輙収 met 07 149e4Dr 丿33只0】_ IMctOfiS QPOr+UO rlngc 讓vds _ .&茁 9??t?Q/ I] 8Htr07 I ，門血MJ I 初切| I3；e?k| ■mm AWAITS OF COLLISFO Cdfltoiir^ ol EVc max

56、 ipt. vihe ffllfi'L at rlc mvx=ri&M ANMVStSOFCOLHSI Canituu^ ul CHe max ipt v?ltie min=L ul ck maw-7,11 ：<1^ Hngr Levt帕 UU?**T r.335e*07" l5ZDc^D；| |.辭聰訓(xùn)4 *.^SctO?l I 6J0^0^| liOetOfil lOUOetM hinf 7S49 IO7eiO7. Al clrm??3?2 ANALYSIS OFJ^USIOK CoRtowrs ol J^rr rtFWf 虧tfr和 p m] (n?x 曾 min^Di

57、 rnw-5 ANALYSIS OF COLLtSd CuntaiHS of tttcctivrjl mnx lot.的hn / ihi^-Ei.』t 也土ndf 聲#g mu- M trciDf5165 Fringe Levels I 5J30tt0J iSJS7e?0J_ U.5B4mD?二 h D!!mQ7| ■師■目 ■丹光血] E*4SMd/1 KjDmOG ■pncieo 圖16車門中的等效應(yīng)力分布（內(nèi)側(cè)） 由上面兩圖可知，碰撞應(yīng)力的數(shù)值是非常大的，在第三個(gè)圖中 最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了 8.15 X 107帕，可見

58、高速碰撞對于工程結(jié)構(gòu)的 強(qiáng)度是一種極難應(yīng)付的挑戰(zhàn)。 5.3觀察速度值改變后的碰撞結(jié)果 圖17所示速度為5m/s且加速度為0的輕微碰撞結(jié)果: 圖17輕微碰撞 上圖中車門只發(fā)生了輕微的變形，車門輪廓及車窗邊緣基本 沒有改變。圖17對比圖14可知，在交通事故中，車體行駛的越 快，碰撞后車輛變形越大，人員受傷程度更高，造成的后果更慘 重。所以，現(xiàn)在很多交通地段限制汽車的行駛速度是非常合理的， 是維護(hù)我們?nèi)松戆踩闹匾胧?，希望大家都能遵守? 5.4觀察速度方向改變后的碰撞結(jié)果 車體速度仍舊20m/s，其他條件不變，只改變碰撞角度。把保 險(xiǎn)杠的初速度改作 VX為14.14m/s,VY為0

59、, VZ為-14.14m/s，即 保險(xiǎn)杠以45°角碰撞車門，再次向LS-DYNA求解器遞交求解。 下兩圖所示為45°碰撞正面與內(nèi)側(cè)結(jié)果： 圖18 45 °碰撞正面結(jié)果 圖19 45 °碰撞內(nèi)側(cè)結(jié)果 通過這兩圖可看出45°碰撞車門外側(cè)已產(chǎn)生被撞破的跡象， 輪 廓也已發(fā)生了較大的改變，比垂直碰撞變形嚴(yán)重。下面從應(yīng)力云 圖論證這一結(jié)果 ANALYSIS 0 CpnlQuru max iat v?l m?x-3.SBZ USION El e<07. vl r柜54(11 dngr Levels 3.5S?c*Q7 J.23le+07_ ?.BJ3c*D7

60、| I腫"訓(xùn)川 <1?

61、9?et07 < 0r. ?1 dem I ANALYSIS 0 Cpnlquffi； al max ipt vsl min B 9391 mix=S.9?3& 竟缸申IK ^G0r*07 .919e*Q6 ANALYSIS OF Conigurfi； al I nm iirL wlJ min ^>017] max^CJS&El COLLISION |mn| ?UEh ftl p*07. fli Cleiurwc^ Fringe Levels G.Mte?07 6Jllte*07" bJJ19ti0f| p.?20eitJ/| mo川 |.79ictor| LU

62、6￡#O7_ EJ0^?*06 V 圖20 45。碰撞正面應(yīng)力云圖 ANALYSIS OF COLI IStON C^nlnurs of Ftfcrtlvr Slrci^ “ max lot value min^bl al tlerol iTS4l rntx-S 4B4GItiOf.Kelemi 57J4 Fvinge Levels 加MF 93Se*07 - ,3HBe#07| 29le*0?| M94c*07 I.C?e?07 (l^/e*07 .485e*tt D.tO MULYSIS OF COLLISION CQnJours af Ffltrtlwc 孰“詞赫

63、廠 max ini. value _ min L m elerR-l Z9jr itijuc 7934 Fringe Levs如 IlJlOefOa^ 9J87ei07" n.B77e*07| kM.Hrdfi/1 L/i^Hr+O/l |.zisctojr| IjinctuZ v K.0Qfle4 0U ANALYSIS OF COLI1SIDN Canlourt al Effective Sire max det. value mln-l^ ti rlem

64、.Sfl3e*07l U：rk + D/| 7.H44? + D/I 1 J9?r*or| 479f*G5_ iODOetOO ANALYSIS OF COLLISION 一 Contours ot Etfcctivt max ipt. value rliin=ti.砒 hndrf 7*Jl|r hie E,62411?e+OjFal node* 638? Fringe level* |O25ct07 k9E2?*07 &310^0? O37OD7 I 1975c*0/ U12c*07 2.G5fie*07 I. 98 fe* 07 II. 315?407 16^

65、6Z5c*(M> h.OOflctOO 圖21 45 0碰撞內(nèi)側(cè)應(yīng)力云圖 從上兩圖對比圖15和圖16,的確45°碰撞的應(yīng)力要略大于垂 直碰撞，這也就解釋了 45°碰撞車門變形更大的原因。 由此可知，相同情況下，不同角度的碰撞會帶來不同的結(jié)果， 速度方向的變化也會改變最大應(yīng)力值。 5.5小結(jié) 交通安全是關(guān)乎生命與財(cái)產(chǎn)的無法令人忽視的問題，降低車 輛碰撞對車身及人體的傷害是汽車工程師

66、永恒的使命。國際上著 名的NCAP汽車碰撞測試的普及也體現(xiàn)出了人們對汽車安全的高度 關(guān)注。本文基于 ANSYS/LS-DYNA強(qiáng)大的動力分析能力，簡單地模 擬了汽車碰撞過程中車門的變形情況。 由于本人水平有限，模型建立得很粗糙，只是建立了汽車的 前保險(xiǎn)杠，并未能對整車進(jìn)行建模，結(jié)果必定有所失真。同時(shí)受 計(jì)算時(shí)間的限制，網(wǎng)格沒有劃分的很詳細(xì)。在前幾次的求解中， 我曾想過把整車的質(zhì)量都加在保險(xiǎn)杠上用來模擬車輛碰撞，但由 于碰撞后期的高壓強(qiáng)，保險(xiǎn)杠發(fā)生了很明顯的反彈，這是完全不 符合實(shí)際情況的。于是我將保險(xiǎn)杠與車身分開，看成是互相獨(dú)立 的個(gè)體，車身在整個(gè)期間提供給保險(xiǎn)杠向前的面壓力，這樣，結(jié) 果就比較令人滿意了。 本文中汽車以不同的初速度撞擊車門，對車門造成的變形差別 很大。為了體現(xiàn)這點(diǎn)，我刻意拉大了初速度的間距，終于取得了 令人欣喜的成果。從截圖中可以看出，較之5m/s的初速度，20m/s 的初速度帶來了明顯的屈曲效果，車門輪廓應(yīng)變現(xiàn)象尤為突出。 在垂直碰撞與45°碰撞對比中，45°碰撞對車門的傷害要大些，盡 管應(yīng)力數(shù)值只是略大一點(diǎn)，但細(xì)心觀察，車門邊框及車窗邊緣的 應(yīng)變要更劇烈，邊角