使用Oasys與LS-DYNA實現(xiàn)汽車行人保護仿真分析

CAE(Computer Aided Engineering）從60年代初在工程上開始應用到今天，已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷史，其理論和算法都經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過程。

隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應運而生，LS-DYNA是顯示動力分析系統(tǒng)的卓越代表，廣泛應用于汽車行業(yè)，是汽車碰撞安全性能分析的必不可少的工具。

我從事汽車碰撞安全性能分析工作十余年，深知汽車碰撞CAE分析的艱難，從模型搭建的技巧、控制參數(shù)的設置、結(jié)果后處理的剖析都需要大量的實踐經(jīng)驗，本課程我將多年的行人保護CAE分析經(jīng)驗分享給大家，希望大家的勤勉練習，相信每個人都能夠熟練掌握行人保護CAE分析技能。

行人保護是汽車碰撞CAE分析中對分析精度要求比較高的一個專業(yè)領域，讀過C-NCAP（2018版）法規(guī)的朋友都知道，法規(guī)要求主機廠提供行人保護預測得分，而且將行人保護的預測得分與實際試驗得分相比較得出修正系數(shù)修正行人保護得分，一個行人保護分析需要打擊近200個點位，全部依賴于試驗的周期和費用是相當巨大的，因此各大主機廠通常都是進行CAE仿真分析得到所有打擊點的傷害值，再通過2-3輪試驗進行修正。

本課程采用LS-DYNA進行分析求解工具，使用Oasys系列軟件作為前后處理工具。Oasys系列軟件廣泛應用于各大主機廠，其操作便捷、簡單易學、糾錯功能強大、100%支持LS-DYNA關鍵字，在汽車碰撞專業(yè)備受歡迎，掌握該軟件能夠大幅度提升汽車碰撞模型前后處理速度和模型準確度。

一、法規(guī)介紹

汽車行人保護仿真分析系列課程從法規(guī)介紹開始，國內(nèi)整車碰撞多以C-NCAP（2018版）法規(guī)為主，其中關于行人保護部分的試驗和評價方法是我們進行汽車行人保護仿真分析的法規(guī)依據(jù)。多數(shù)車型將整車安全目標定義為C-NCAP五星，按照法規(guī)要求，行人保護部分得分要大于等于65%，行人保護總分為15分（頭型12分+腿型3分），即行人保護得分大于等于9.75分，進一步可以分解為頭型得分目標為6.75分，腿型得分目標3分（按C-NCAP官網(wǎng)統(tǒng)計及以往項目經(jīng)驗，通過優(yōu)化和項目開發(fā)過程控制，腿型通常能夠得到滿分3分）。

C-NCAP進行行人保護測試大約需要45個工作日，分為頭型試驗和腿型試驗，頭型試驗中撞擊速度為40km/h，兒童頭型撞擊角度為50度，成人頭型撞擊角度為65度；腿型撞擊速度為40km/h，撞擊角度為90度。

根據(jù)是否提供試驗樣品及車輛信息，行人保護試驗可分為3中情況：

1、有試驗樣品有車輛信息：頭型網(wǎng)格點法，隨機驗證8次+無法預測≤8次+生產(chǎn)企業(yè)增加申請≤8次；腿型網(wǎng)格點法；

2、有試驗樣品無車輛信息：頭型均分區(qū)域法，選取最差性能位置12次+生產(chǎn)企業(yè)增加申請≤8次；腿型網(wǎng)格點法；

3、無試驗樣品無車輛信息：頭型均分區(qū)域法（選取最差性能位置），選取最差性能位置6次；腿型網(wǎng)格點法，選取最差性能位置2~3次。

4、頭型試驗區(qū)域由發(fā)動機罩前緣基準線、發(fā)動機罩側(cè)面基準線、發(fā)動機罩后面基準線圍成，從包絡線1000開始，每隔100mm一個撞擊點（去除距離側(cè)面基準線小于50mm的點），通常一個整車頭型部分可以劃分出150~200個撞擊點；

腿型試驗區(qū)域由保險杠上、下部基準線及保險杠角確定，撞擊點之間間隔100mm，通常一個整車腿型部分可以劃分出10~20個撞擊點；

頭型總分12分，通過頭型傷害值（HIC）進行計算點數(shù)分，再通過修正系數(shù)計算頭型得分。腿型總分3分，評價指標包括彎矩和合力，通過插值計算可以得到撞擊點的點分數(shù)，未試驗的網(wǎng)格點與相鄰結(jié)果較差的網(wǎng)格點分數(shù)一致。

二、Oasys軟件界面及基本操作介紹

Oasys軟件針對LS-DYNA有限元求解器開發(fā)，包括PRIMER（前處理軟件） 、THIS（曲線后處理）、D3PLOT（結(jié)果3D可視化后處理軟件）、REPORTER（報告制作程序）組成，囊括了LS-DYNA求解器的從錯誤檢查的前處理過程一直到自動生成報告并統(tǒng)計的全部分析過程，大幅提高了模型分析效率。本課程將結(jié)合行人保護仿真分析過程一起來學習PRIMER、D3PLOT和THIS的用法。

Oasys軟件在行人保護分析方面具有獨特的優(yōu)勢，具有自動劃線功能，撞擊點的自動定位，自動遞交LS-DYNA計算，自動后處理。極大的縮短分析時間和減少工程師人為失誤，從而使工程師的精力更專注于改進設計，提供性能。

三、行人保護分析流程及建模規(guī)范

行人保護CAE分析首先需要明確模型輸入需求，以風擋玻璃后沿線向后約200mm為界限，在此界限前的部分是行人保護CAE分析的重點區(qū)域。

進行CAE分析可依據(jù)下列表格進行準備數(shù)據(jù)及相關文件，基本的行人保護分析流程如下圖，行人保護CAE分析網(wǎng)格尺寸標準為5mm，最大最小尺寸控制在2~8mm之間，翹曲度需小于18度，雅各比建議達到0.6，三角形單元比例不超過5%。模型按照編號規(guī)則進行總成劃分和編號，裝配遵循先裝配子總成再進行總裝的次序進行，隨后進行控制卡和邊界條件的設置，最后進行模型調(diào)試和計算。

四、發(fā)動機罩建模方法

發(fā)動機罩（發(fā)罩）是行人保護分析中極其關鍵的子總成，發(fā)罩的結(jié)構(gòu)特征、材料特征、連接關系均直接影響行人保護分析的精度，初學者務必按照建模規(guī)則完成。

發(fā)罩通常由發(fā)罩內(nèi)板、發(fā)罩外板、發(fā)罩加強板、發(fā)罩鎖、氣撐、發(fā)罩鉸鏈、密封條、減震墊、堵蓋等結(jié)構(gòu)組成，通過粘膠、點焊、螺栓連接、卡扣連接等連接形式進行連接，這些結(jié)構(gòu)均需要進行建模，為保證模型精度，建議發(fā)罩使用5mm網(wǎng)格標準進行網(wǎng)格劃分，發(fā)罩包邊使用共節(jié)點方法處理，粘膠、焊點以及各種連接關系通過軟件生成，減震墊和密封條采用實體建模，通常設計師提供的密封條是未被壓縮狀態(tài)的，這就需要CAE工程師通過LS-DYNA軟件或Oasys進行預壓縮處理，氣撐通過實際結(jié)構(gòu)和鉸接運動關系表征，整個發(fā)罩模型中均使用柔性體表征，不建議剛體替代。

五、前保險桿及前照燈建模方法

前保險杠、前格柵結(jié)構(gòu)是行人保護腿型分析的關鍵結(jié)構(gòu)，前照燈則同時影響頭型和腿型分析結(jié)果，通常前保險杠和前格柵采用非金屬材料，建議在進行有限元網(wǎng)格劃分時網(wǎng)格尺寸在2~6mm之間，結(jié)構(gòu)上的筋也要體現(xiàn)出來，這些結(jié)構(gòu)細節(jié)對模型精度有較大的影響，前照燈也需要體現(xiàn)出燈殼內(nèi)部包含的結(jié)構(gòu)，前照燈的支架也需要體現(xiàn)出細節(jié)結(jié)構(gòu)，在課程中將給出細節(jié)特征保留或去除的建議，請大家認真學習。

六、雨刮及機艙飾蓋建模方法

雨刮和機艙飾蓋對行人保護頭型分析有較大影響，是需要詳細建模的幾大總成之一。雨刮結(jié)構(gòu)需要按照設計位置進行擺放，雨刮電機可以使用剛體替代，其他結(jié)構(gòu)建議按照實際材料表征，對于可壓潰式雨刮，需要通過彈簧單元和鉸接配合進行模擬。機艙飾蓋與前保險杠網(wǎng)格要求一致，需要留意的是流水槽蓋板上面的密封條，它和發(fā)罩上的密封條一樣需要進行預壓。

七、其他總成建模方法

行人保護CAE分析中還需要白車身、動力總成、前懸、機艙內(nèi)的蓄電池、洗滌液罐以及冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常由整車模型截取獲得，截取后需要對模型進行清理，并檢查模型連接是否存在問題，CAE工程師需要對這些結(jié)構(gòu)和連接關系非常熟悉，在整車碰撞分析中不關心的結(jié)構(gòu)可能存在丟失的情況，這在做行人保護分析時需要補充上去，例如機艙底護板、輪罩、小腿支撐支架等等。

八、模型裝配

各個子總成模型搭建完成之后，需要進行模型總裝，每個子總成有自己的編號范圍，總成之間采用成對的剛片進行連接，總成之間連接完成后需要進行控制卡設置、邊界條件設置、頭型腿型劃線、壁障模型定位、撞擊點分布、計算文件夾創(chuàng)建等工作。

九、模型檢查及調(diào)試

模型裝配完成后需要進行細致的模型檢查，從網(wǎng)格質(zhì)量到連接關系，從模型完整性到模型精細度都要進行檢查，Oasys提供了便捷的模型檢查工具，能夠識別出大部分的模型錯誤，同時對模型不規(guī)范的地方給出了警告。當然了，進行模型檢查時不可完全依賴與軟件，還需要結(jié)合工程師的經(jīng)驗進行判斷，模型試算也是幫助我們檢查模型的重要手段，通過調(diào)試消除模型錯誤，并觀察模型運動姿態(tài)是否存在異常、能量曲線是否平衡，各傷害值輸出曲線是否合理。

十、頭型后處理及結(jié)果分析

頭型結(jié)果后處理需要提取頭型傷害值HIC、頭型傷害曲線、頭型動畫、剖面圖等信息，根據(jù)頭型傷害值計算點數(shù)分以及頭型總得分，課程中將以最典型的網(wǎng)格點法為例進行得分計算演示。

十一、腿型后處理及結(jié)果分析

小腿結(jié)果后處理需要提取彎矩T1、T2、T3、T4，以及膝部韌帶伸長量MCL、ACL、PCL。其中小腿彎矩最高可得點數(shù)分0.500，評分時取四個彎矩值中最差的一個；膝部韌帶伸長量最高可得點數(shù)分0.500，在ACL、PCL值均小于限值10mm的前提下，根據(jù)MCL進行評分，若ACL或PCL值大于等于限值10mm，則膝部韌帶伸長量得零點數(shù)。

十二、優(yōu)化方向及軟件實現(xiàn)

行人保護法規(guī)通常頭型得分不容易滿足目標要求，這就需要整車項目在開發(fā)早期時就進行性能控制，在造型階段需要提出整車布置要求、造型要求，在設計數(shù)據(jù)發(fā)布后根據(jù)CAE分析結(jié)果進行優(yōu)化，在試驗階段也需要根據(jù)試驗結(jié)果不斷地修正模型以及同步優(yōu)化。CAE工程師需要了解汽車結(jié)構(gòu)，有一定的汽車結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗，這些都是需要日積月累的。

頭型撞擊區(qū)域可以劃分為流水槽影響區(qū)、發(fā)罩影響區(qū)、發(fā)罩鎖影響區(qū)、發(fā)罩鉸鏈影響區(qū)、前照燈影響區(qū)、玻璃影響區(qū)，對不同撞擊區(qū)域優(yōu)化方向不同。例如水槽蓋板可采用壓潰式設計方案，結(jié)合開孔位置優(yōu)化和斷面優(yōu)化，使其達到理想得分；發(fā)罩鎖則建議通過布置進行避讓，發(fā)罩鉸鏈的加強板設計通常需要多輪優(yōu)化使其達到最優(yōu)狀態(tài)，前照燈若采用可壓潰式大燈支架通?？梢詼p少對行人的傷害，在課程中將為大家展示相應的典型結(jié)構(gòu)，讓大家在進行行人保護優(yōu)化時方向明確，思路清晰。