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LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)

发布日期:
2024-04-11

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LS-DYNA是著名的通用显式有限元分析软件,凭借其优秀的精度、稳定性和计算效率,LS-DYNA在碰撞、冲击等非线性问题领域(如汽车碰撞)一直是行业标准解决方案。而在One Code Strategy的战略下,LS-DYNA在其传统的显式动力学算法基础上,不断加入并完善隐式、频域、流体、电磁、热、粒子法等功能和算法,使得LS-DYNA成为能够在一套代码下解决多物理场、多尺度复杂工程问题的工具,在不同行业领域都有着广泛的应用。


本文系列将主要介绍:

● LS-DYNA软件介绍(上篇)

● LS-DYNA在汽车零部件行业中的应用

   ◆安全气囊、安全带、座椅、转向系统、轮胎等应用介绍(本篇)

   ◆电池、内饰、玻璃、油箱、车用电子电器及钣金加工成型等应用介绍




汽车零部件行业典型应用


汽车零部件的种类众多,一辆汽车通常由数以万计的零件组成,包括数十种大的总成。在开发过程中或设计过程中的问题分析数量巨大。


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


汽车零部件种类繁多,由几十个系统组成。按功能可分为以下几大类:

● 发动机系统:包括发动机、涡轮增压器、曲轴箱气体再循环装置、点火装置、催化转化器、氧传感器、空气流量计、化油器、汽油泵、汽油滤清器等;

● 底盘系统:包括离合器、变速箱、传动轴、驱动桥、悬架、转向系统、制动系统等;

● 车身系统:包括车架、车门、车窗、车顶、后视镜、保险杠、车灯等;

● 电器仪表系统:包括蓄电池、发电机、起动机、点火线圈、火花塞、继电器、开关、保险丝、线束、仪表盘、音响系统等;

● 空调系统:包括空调压缩机、冷凝器、蒸发器、干燥器、膨胀阀等;

● 安全系统:包括安全带、安全气囊、防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)、电子稳定程序(ESP)等汽车零部件;

● 内饰外饰系统:包括仪表板、副仪表板、管梁支架(CCB)、空调风道、顶棚、地毯、隔热垫、车门饰板、侧围饰板等内饰件,以及内外后视镜、前后保险杠、遮阳板、扰流板、行李架等外饰件;

● 座椅系统:包括主副驾驶座椅以及二三排座椅,可能具有加热通风按摩等功能


※ 安全气囊应用


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)

LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


以安全系统中的安全气囊为例,LS-DYNA气囊仿真应用十分成熟,从起初人们只关心气囊完全展开后假人膨胀响应,到现在越来越关注不同折叠方式的影响、不同泄气孔大小形状位置的影响、以及气囊展开时对周围零部件的冲击,甚至是非正常坐姿下(Out of Position)的气囊展开模拟等,这些问题都可以应用LS-DYNA提供的多种安全气囊方法分析方法进行模拟。


三种安全气囊分析方法介绍

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LS-DYNA中最先提出的气囊分析方法为CV方法(Control Volume),其特点是假设气囊中的气体压力是均匀分布的,然而现在我们知道,气囊在展开过程中,不同区域的压力其实并不均匀,因此传统的CV方法适用于模拟气囊展开后的特性,却可能无法完全准确地模拟气囊展开的过程。


随后LS-DYNA开发出ALE方法Arbitraty Lagrangian Eulerian),以任意拉格朗日欧拉算法计算气囊中气体的流固耦合过程,相对CV方法更加准确与真实。


近年来,LS-DYNA加入CPM方法Corpuscular Particle Method),进一步强化了该领域的分析能力,CPM方法的特点是使用粒子来模拟气囊中的气体。


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CV方法的关键字为*AIRBAG,假定气囊中的气体压力均匀分布,求解热力学平衡方程,压力施加在气囊织物单元的法向上,然后将整个气囊撑开。其优势是计算成本低,稳定性高,且气囊参数定义非常简单,但模拟气囊展开的过程有时候并不是特别准确。


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ALE方法关键字为*AIRBAG_ALE,气体使用ALE单元,气囊织物及周边结构使用拉格朗日单元,进行流固耦合计算。其优势是ALE方法属于真实的流固耦合模拟,可以准确地模拟气囊展开过程,但其往往需要相对复杂的模型设置(需要定义域,材料等一系列参数),且由于涉及流固耦合计算需要定义大量的耦合点计算,以避免出现泄露问题,因此计算时间也相对较长。


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CPM方法基于分子动理论(Kinect molecular),其关键字为*AIRBAG_PARTICLE,分子动理论存在某些基本假设,如气体由大量的粒子(称为分子)组成,分子之间的距离远大于自身大小,假设气体分子在不断进行快速随机运动,分子之间彼此碰撞,或与容器气壁进行碰撞,这些碰撞均可视为弹性碰撞。分子的平均动能仅依赖于系统温度,分子的速度符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布,使用相对较少的粒子模拟大量的分子,以保证统计学上的分布与实际保持一致。通过粒子与织物相碰撞计算压力。其优势是可相对准确的模拟气囊展开的过程,计算速度更快,稳定性好,且可以简便的从*AIRBAG_HYBRID模型转换。也正是基于分子动理论,而非实际的流体计算,因此有时候不能精确地模拟实际的局部流场。


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


综合计算时间、稳定性及准确性来看,CPM方法适用于汽车碰撞过程中的气囊仿真,其效率比ALE更高,但是比传统CV方法计算速度稍长,因此LS-DYNA中的CPM方法性能也在不断优化,目前版本已支持计算过程中对粒子自动重新分区,从而使得 MPP计算资源更加均衡,以及更效率的周边搜索方法,处理器之间的数据交互性能提升。


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


LS-DYNA R12版本相对于R7版本中处理粒子与粒子、粒子与织物之间的计算,速度提升了约3倍,总体计算提升约为30%。


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


对比三个基准气囊模型侧气帘Curtain Airbag(CAB),驾驶员安全气囊Driver Airbag(DAB),副驾驶安全气囊Passenger Airbag(PAB)展开,三个模型分别用不同CPU的R11和R9.1计算,有着15%到45%的速度提升,且计算核数越多,提升速度越快。CPM方法更推荐R11以上版本。


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


模拟安全气囊折叠状态,LS-PrePost中基于网格模拟气囊的过程相对简单。另一种方法是,通过LS-DYNA计算压平、卷绕的过程,如上图中左下角案例所示,可考虑不同折叠方法带来的不同影响。LS-PrePost中airbag及网格折叠方法可通过“Occupant Safety”中“Airbag Folding”进行查看。


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


侧气帘折叠,除了上文所提压平与卷绕之外,还需模拟其真实的安装方式,在LS-PrePost中可使用Morph方法来进行。


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为精确模拟安全气囊的过程,这里还需要进行参数标定,主要包括针对气体发生器的Tank实验对标(如速率曲线),针对织物的材料实验对标(如针对力学性能的单向拉伸、双向拉伸、剪切实验、以及透气性的气体泄漏实验对标),基于气囊总成的低速冲击、中速冲击和高速冲击对标。


※ 安全带应用


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标准的三点式安全带构造,由织带、锁扣、滑环、预紧器、卷收器等构成。


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LS-DYNA针对每个零部件都有专门的单元可模拟,例如安全带&带扣可使用关键字*ELEMENT_SEATBELT,安全带材料则可使用*MAT_SEATBELT,支持1D或2D单元。卷收器可利用关键字*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR来模拟,其特点是可以将安全带单元组合进入卷收器位置后,移除掉该单元,也可生成安全带单元。滑环可利用关键字*ELEMENT_SLIPRING,预紧器对应关键字*ELEMENT_SEATBELT_PRETENSIONER。


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安全带模拟的重要过程之一,是将安全带连接到假人上,点击“Application” – “Occupant Safety” – “Seatbelt Fitting”工具即可轻松完成该步骤,如右图案例所示。

LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)

安全带的开发过程中,往往需要进行滑台实验以验证其性能。LS-DYNA可以精确的模拟整个滑台实验过程,视频中展示了实验和仿真的假人姿态是吻合度非常高。


※ 座椅应用

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约束系统中除安全带与气囊分析外,座椅分析有着同样重要的位置,如法规规定的行李箱撞击分析(动态过程),安全带固定点强度分析(准静态过程,可以使用LS-DYNA隐式求解器分析),儿童座椅ISOFIX强度分析,鞭打工况,HPM模拟,儿童提篮和座椅模拟等,常规的强度分析,如侧面强度,极限强度,座椅的模态分析都能在LS-DYNA中实现。


※ 转向系统

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转向系统方面,LS-DYNA可进行模态分析,强度分析如刚性弯曲力和扭转力加载,法规规定的胸碰头碰分析等。


※ 轮胎


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当轮胎在含有积水层的路面上滚动时,会对积水层进行排挤,于是轮胎与路面接触区前部的水便会因为惯性而产生动压力(与速度平方成正比)。当轮胎转速的提高,动压力会使轮胎与路面的直接接触面减小。而当转速到达一定程度时,动压力的升力与垂直向下的载荷相平衡,此时轮胎将完全失去与路面间的接触,而漂浮在水膜上。这种汽车等交通工具通过有积水层的路面时,轮胎失去与路面接触的现象,称为水漂Hydroplanning,又称为水翔、水滑、滑水。当滑水现象发生时,行驶时的附着能力显著降低,严重影响行车安全,容易发生危险。


LS-DYNA中ALE方法可用来模拟轮胎的滑水特性,视频中案例为韩泰轮胎基于ALE方法的滑水仿真,其过程是在ALE中定义路面,水的输入区域,空气域等,随着水逐渐流入空气域中,轮胎在空气域中和水进行流固耦合的过程。


LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


上图案例为利用LS-DYNA轮胎滑水仿真,改善轮胎胎纹形状设计实例。改善之后的接触力比原先相同速度下的接触力显著提升。


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LS-DYNA中的显式SPH求解功能非常适合求解涉及超高速撞击、爆炸和其他瞬态事件等问题,但在涉及诸如涉水等较慢的流体流动仿真时仍需优化。在此基础之上,不可压缩SPH (ISPH)功能是专门为处理诸如涉水、电机冷却、齿轮润滑等大型不可压缩流体仿真而开发,它允许比通常的显式SPH仿真更大的时间步长,同时避免了对流体不可压缩性的妥协。与显式SPH和其他FVM方法相比,ISPH方法具有更少的仿真时间。

LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)


在进行碰撞仿真时,LS-DYNA提供多种轮胎有限元模型,且均已针对法规要求进行标定。


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