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从LS—DYNA 到PAM—CRASH 的模型转换及验证


· LS-DYNA 到 PAM-CRASH 的模型转换及验证 从 · 文章编号: 1002-4581 (2008 06-0026-05 )

从 LS-DYNA 到 PAM-CRASH 的模型转换及验证
潘 婷 1, 浦登翔 2 PAN Ting1, Deng-xiang2 PU
(1.同济大学汽车学院汽车安全技术研究所, 上海 摘 201

804; 2.同济大学 上海 201804 )

文中研究了有限元模型从 LS-DYNA 到 PAM-CRASH 的转换方法和流程, 利用该方法成功实现了某车型 要:

整车碰撞模型的转换。 然后分别在两种软件环境对模型进行正面碰撞模拟, 通过车身结构变形、 发动机前舱零部件变形、 前围板侵入量以及 B 柱减速度的对比, 验证转换后模型的有效性。 文中所研究的模型转换方法和流程可以为类似模型的 转换提供参考, 具有重要的工程应用价值。

关键词: 模型转换; PAM-CRASH; LS-DYNA; 正面碰撞

北 京 汽 车 0

中图分类号: U467.1+4: TP391.9

文献标识码: A





1 有 限 元 模 型 从 LS -DYNA 向 PAM-CRASH 的转换方法
对 于 已 有 的 LS-DYNA 有 限 元 模 型 到 PAM-CRASH 模型的转换, 通常使用软件自动转 换,将 LS-DYNA 模型的 K 文件在 HYPERMESH 或者 PAM-CRASH 的 Viual-Crash 模块中导 入, 然后使用 PAM-CRASH 的模板格式输出, 实 现自动转换。自动转换可以将模型的节点, 单元 和部件的基本信息正确实现, 但对于两种软件不 能兼容的信息, 需要通过其他方式转换, 基本转 换过程如图 1 所示:
LS-DYNA 模型
通过 HYPERMESH 或 Visual-Crash 读取 DYNA 模型并输出为 PAM-CRASH 格式的 PC 文件

在车辆的设计开发中,运用计算机模拟碰 撞, 不仅可以大量节约试验费用, 缩短开发周期, 而且由于其具有可重复性,不受客观条件限制, 能够方便地进行许多在现实中很难完成的试验 模拟。因此, 计算机模拟碰撞的研究方法正越来 越多地受到汽车企业及研究部门的重视和应用。 在目前的汽车碰撞仿真中, 常用的有限元软件包 括 LS-DYNA、 PAM-CRASH、 RASDIOSS、 ABAQUS 等。但是由于多方面原因, 各研究机构使用的 仿真软件不尽相同,实际中不同软件模型之间的 转换问题不可避免。 因 此 本 文 探 讨 了 某 车 型 模 型 从 LS-DYNA 向 PAM-CRASH 的快速转换方法,比较转换前 后 LS-DYNA 和 PAM-CRASH 整车有限元计算 模型, 从而验证模型转换方法的有效性, 旨在为 类似模型的转换提供参考。 · 26 ·

手动设置材料参数和单元属性

转换焊点和刚体连接

重新定义接触和边界条件 设置模型结算的控制参数 模型转换完成

图 1 有限元模型从 LS-DYNA 向 PAM-CRASH 转换的流程

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1.1

材料参数和单元属性 根据 LS-DYNA 中已经设立完成的整车有

限元模型,在 PAM-CRASH 中转换时首先需要 注意的是材料设置的问题,由于两个软件关于 材料种类及其设置的诸多不同,经常会导致部 分 PART 在转换中无法被识别,甚至材料类型 不兼容, 比如, LS-DYNA 中可以单独设定单 在 元属性,而在 PAM-CRASH 中对单元属性的定 义在部件 (PART) 和材料里分别设定, PART 在 选项中设定厚度和积分点数,在材料参数中设 定单元的积分方式和沙漏控制模式,因此对于 参数设置目前尚没有很好的快速转换方式。在 PAM 会 转换模型的过程中, 一旦遇到上述情况, 自动为无法识别的 PART 生成一个新 PART, 并 且重新给定材料的类型及基本设置。虽然利用 Visual for DYNA 新模块可以将部分材料进行成 功转换,但是由于两款软件参数设定仍然存在 很多不同,对于大部分材料参数的转换还是需 要手动进行操作。 根 据 PAM-CRASH 操 作 手 册 与 LS-DYNA 用户手册的研究对比以及相关文献中研究分析 所得的对应关系, 常用材料在两种软件中的对应 关系如表 1 所示。 表1
序号 1 2 3 4 材料类型 弹性材料 刚性材料 弹塑性材料 粘弹性材料 图3 PAM-CRASH 中转换的 103 号材料 图2 LS-DYNA 中的钢材材料

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1.2

焊点与刚体连接 在 LS-DYNA 中,焊点的定义是通过定义 2

个节点的约束来实现的, 而在 PAM-CRASH 中, 单元连接、 刚体连接和节 则可以通过部件连接、 点约束等多种方式实现。在本文中对于 PAM-CRASH 有限元模型的焊点的转换直接利 用 Visual for DYNA 将 k 文件中的 焊 点 转 换 成 PAM-CRASH 中的 RB (rigid body , ) 这样可以方 便地解决焊点在 PAM-CRASH 中的布置问题。 值得注意的是,由于兼容问题, PAM-CRASH 中 的焊点 RB 需要重新选取质心节点 NCOG 点, 否 则这个刚体是无效的。对于整个计算模型来说, 上万个焊点的 NCOG 点工作量相当大,这个工 作可以通过 MATLAB 编程自动实现。 LS-DYNA 中 刚 体 连 接 的 转 换 则 可 以 使 用 Visual for DYNA 解决。 其次, 需要注意焊点失效问题, 由于统一转 换过来的焊点默认为 regular rigid body,这个类 型的焊点是不考虑失效形式的, 所以需要对焊点 进一步处理。在焊点修改界面中, 打开 ITRB 选 即 项, 将焊点类型改为 1, rigid body spotweld(2 · 27 ·

材料对应关系
具体材料编号 LS-DYNA MAT_001 MAT_020 MAT_024 MAT_006 PAM-CRASH 101 号材料 100 号材料 102/103 号材料 121 号材料

在实际操作过程中,一般可以在 PAM-CRASH 中 将 钢 材 更 改 为 103 号 ELASTIC_PLASTIC_ITERATIV_HILI 可迭代的弹塑性 材料,弹簧单元可以使用 203 号非线性杆材料, beam 单元则可以使用 201 号 弹 性 梁 材 料 或 者 203 号非线性杆材料。塑料件则同样可以使用 103 号材料, 只要设置材料参数和更改材料曲线 即可 (见图 2、 3 。 图 )
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or 3 nodes , ) 在这种类型的焊点中可以添加焊点 的失效形式, 诸如失效剪切应力、 失效时间等等 因子, 在此根据原始模型中所获得的关于焊点失 效特性来设置上述参数, 就可以保证焊点模拟的 真实性。 1.3 定义接触和边界条件 参考 PAM-CRASH 用户手册,根据 LS-DYNA 与 PAM-CRASH 中 接 触 的 对 应 关 系 , 在 PAM-CRASH 中以 36 号自接触代替 LS-DYNA 中 的 整 车 自 接 触 , 以 33 号 面 对 面 接 触 代 替 LS-DYNA 中局部 single surface 接触控制局部接 触, 诸如设定车头与前部墙体的接触等等。不同 的是, PAM-CRASH 中特别提供了 34 号 、 号 21 接触类型, 2 个接触的用途分别是: 34 号点 这 以 对面接触控制轮胎与地面的接触,以 21 号假人 体专用接触解决假人与车内部件的接触情况。

实体单元 3840 个, beam 单元 壳单元 580295 个, 356 个。 由于 LS-DYNA 模型中 Spring 单元在 PAM 中没有相对应的使用价值,且不影响计算结果, 可在转换过程中省去,因此 PAM-CRASH 中有 限元计算模型的单元总数减少了很多。

图4

PAM-CRASH 中整车有限元计算模型

利用 shell 单元建立地面与墙体,然后将其 用以代替 LS-DYNA 中 赋予 Rigid Body 的属性, 常用的无限大刚性墙。

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在 PAM-CRASH 中 以 36 号 自 接 触 代 替 LS-DYNA 中的整车自接触,选择所有车体部件 IREMOV 并 设 定 摩 擦 系 数 FRICT 的 值 为 0.15, 开关设为 1, 可以自动消除几何穿透。 以 34 号点对面接触控制轮胎与地面的接 触,以 4 个轮胎外层及侧面为 slave 面,地面为 master 面, 参数设定同上, 以完成定义轮胎与地 面的摩擦力。 以 33 号面对面接触控制车头与前部墙体的 接触,以车头各部件为 slave 面,前部墙体为 master 面,并设定摩擦系数 FRICT 的值为 0.2, IREMOV 开关设为 2, 消除穿透。 1.4 模型结算的控制参数 模型转换时,结算的控制参数需要重新设 定, 主要包括计算时间、 计算步长控制、 输出信息 控制等。

3 PAM-CRASH 整车有限元计算 模型的验证
为了验证整车有限元模型从 LS-DYNA 向 PAM-CRASH 转换的有效性, 分别在 2 个软件环 境下对模型进行正面碰撞, 对车身耐撞性、 乘员 的生存空间以及乘员安全性分析进行比较验证, 探讨本文涉及的转换方法是否成功。 3.1 车身耐撞性变形分析 图 5、图 6 中分别列出了模型在 LS-DYNA 和 PAM-CRASH 环 境 下 进 行 正 面 碰 撞 过 程 中 0ms, 20ms, 40ms, 60ms, 80ms 以及 100ms 时的结 构变形。在整个碰撞过程中, 发动机前舱变形基 本一致, 20ms 时车辆前部开始变形, 在 进入吸 能区段; 40ms 时保险杠、 引擎盖变形明显, 压迫 后面的部件; 60ms 时, 车身前部变形剧烈, 引擎 盖及翼子板扭曲, 前车门变形, 进入乘员座舱保 护区域; 80ms 时碰撞变形达到最大,车辆反弹, 这时车辆的 A 柱、 车顶、 车门、 柱等乘员舱零 B 部件也有了一定的变形, 100ms 时碰撞结束。 从图 7、 8 可以看出, 图 发动机前舱零部件 碰撞后变形结果基本一致。 40ms 后, 燃料电池车
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2 正面碰撞整车有限元计算模型的 建立
至此, PAM-CRASH 中不带乘员约束系统的 整车有限元计算模型已转换完成 (见图 4 。整个 ) 模型共计节点 613203 个, 单元数 584491, 其中 · 28 ·

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图5

LS-DYNA 中整车计算模型正面碰撞过程

图8

PAM-CRASH 中模型正面碰撞俯视图

图6

PAM-CRASH 中整车计算模型正面碰撞过程

前舱中部分部件 (特别是些塑料件, 如高压接线 盒、 低压接线盒和启动蓄电池壳) 由于碰撞力的 作用, 发生严重压溃变形, 同时连接部位也都由 于受力过大 (8720.4N>8324N 而产生了失效。 ) 从零件变形来看, 以副车架为例, 两款软件 环境下的计算结果同时表明, 在正面碰撞过程中 副车架同时参与了承载与受力。 副车架最前部的 横梁由于有了中部加强结构的缘故, 变形并不是 ) 但是这导致副车架中部受 很明显 (见图 9 所示 , 力较大, 因此中部的变形比较严重, 副车架纵梁 发生了扭曲变形。 碰撞能量经由前部横梁结构传 递到其后的加强筋部分, 通过加强筋传递过来的 能量使得中部相对比较薄弱的弯管发生了弯折 变形。可见, 个模型中局部零件的变形情况也 2 基本一致。 3.2
图9 副车架变形情况

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从上述几个方面来看, 两个模型仿真碰撞后 的结构变形和过程都有较高的拟合度, 基本都是 在相同时刻发生相似变形,可见 LS-DYNA 和 PAM-CRASH 环境下的计算模型的建立在结构 变形方面的表现相当接近, 令人满意。 为了进一步验证 PAM-CRASH 环境下建立 起来的整车计算模型的有效性, 我们考虑前围板 入侵量和 B 柱减速度作为进一步验证的指标。 乘员的生存空间分析

图 10

前围板侵入量

从图 10 的前围板侵入量对比图中可以看
图7 LS-DYNA 中模型正面碰撞俯视图

2 到, 个模型的前围板侵入量最高峰 值 出 现 在 · 29 ·

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60~80ms 左右, 数值也相当接近, 均在 80mm 上 下, 误差在 5%左右, 是相当小的, 100ms 以后的 误差有变大的迹象,但是 100ms 后正碰已经停 止, 所以此时较大的误差不影响整个结果。

模型的精准度基本一致,因此笔者认为从 LS-DYNA 到 PAM-CRASH 计 算 模 型 的 转 换 是 成功的。

4
3.3 乘员安全性分析 在碰撞过程中,车身至 B 柱以后的部分变 形量较小, B 柱获得的减速度曲线较稳定, 在 因 此在无假人和乘员约束系统的车身耐撞性模拟 分析中, 常将这一减速度作为乘员头部所承受的 减速度, 间接地评价对乘员的伤害程度。





本 文 研 究 得 到 了 有 限 元 模 型 从 LS-DYNA 到 PAM-CRASH 的转换方法和流程,利用该方 然后 法成功实现了某车型整车碰撞模型的转换。 分别在两种软件环境在对模型进行正面碰撞模 拟, 通过车身结构变形、 发动机前舱零部件变形、 前围板侵入量以及 B 柱减速度的对比,发现转 换后模型的仿真变形结果与原模型吻合良好, 模 型准确有效。 本文所研究的模型转换方法和流程可以为 类似模型的转换提供参考, 具有重要的工程应用 价值。 本文所建立的整车计算模型为后续对正面 碰撞乘员约束系统分析研究做了准备。 参考文献
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图 11

LS-DYNA 与 PAM-CRASH 模型 B 柱减速度曲线比较

观察图 11 中所显示的 0~100ms 时间段的 B 柱减速度曲线,我们发现 PAM-CRASH 中 B 柱 减 速 度 曲 线 最 高 值 为 t=40ms 左 右 出 现 的 392 而 m/s , LS-DYNA 的最高峰值则出现在 t=70ms
2

左右的 345 m/s2, 两者间存在 11.9%的误差, 但是 两条曲线的基本走势相同, 主要波峰位置也基本 相近, 笔者认为, 鉴于两种软件之间的不同, 必定 使得计算模型存在一定的差异性, 模拟结果存在 一定范围内的误差。 综上所述, LS-DYNA 计算模型转换而来 自 的 PAM-CRASH 计算模型在模拟正面碰撞后得 到的仿真变形结果与原模型相当接近, 个计算 2

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(上接第 25 页 )
出版社. 2005. [2] 许亮, 胡宁, 陈真.基于 LS-DYNA 的 薄 壁 梁 仿 真 优 化 .上海工程技术大学学报.2006. [J] [3] 高晓庆, 尤国武, 谢禹钧.车辆典型薄壁梁碰撞性能的研 究 .辽宁石油化工大学学报.2006. [J] [4] 刘中华, 程秀生, 杨海庆, 柴晓磊, 刘兴兴.薄壁直梁撞击 时的变形及吸能特性 .吉林大学学报.2006. [J] 收稿日期: 2008-07-17 [5] 廖兴涛, 张维刚, 李青, 钟志华.响应表面法在薄壁构件 耐撞性优化设计中的应用研究 .工程设计学报.2006. [J] [6] 亓文果, 金先龙, 张晓云, 孙奕.汽车车身碰撞性能的有 限元仿真与改进 .上海交通大学学报.2005. [J]

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