基于ANSYSLSDYNA的轎車車門碰撞仿真模擬本科畢業(yè)論文

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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)顯示問題的整個(gè)過程。 本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYN對(duì)汽車車 門被撞進(jìn)行了動(dòng)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(duì)仿真中的各種情況進(jìn)行的初步分析并對(duì)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AbstractCollision 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 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 simulation 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; Collision 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(duì)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　⒖s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?jī)?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(duì)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(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日學(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(guó)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(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)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(shí)、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(shí)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？?jī)?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）？?jī)?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？?jī)?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(jī)：優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“ V"）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年 月 日評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)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？?jī)?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）？?jī)?yōu)良中及格不及格二、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？?jī)?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(jī)：優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“ V”）評(píng)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(píng)價(jià)：一、答辯過程1畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)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？?jī)?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(píng)定成績(jī)：優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“ V"）教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）：（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(jiǎn)介,13第3章問題描述與建模,53.1 分析過程規(guī)劃,53.2 建立幾何模型,63.3劃分有限元網(wǎng)格,113.4 建立 PART,113.5 定義接觸信息,123.6定義邊界條件及約束,133.7定義保險(xiǎn)杠的初始速度,133.8施加保險(xiǎn)杠面載何,14第4章'求角經(jīng)"J r1 4、川丁 j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j)174.1 求解設(shè)置,174.2 輸出關(guān)鍵字文件 Collision.K ,184.3 向 LS-DYNA求解器遞交求解,19第 5 章結(jié)果分析,215.1 觀察碰撞過程,215.2觀察車門內(nèi)的等效應(yīng)力分布,225.3觀察速度值改變后的碰撞結(jié)果,245.4觀察速度方向改變后的碰撞結(jié)果,245.5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(jìng)爭(zhēng)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 形的繪制與結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer-aidedEngineering ，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(guó)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CAECAE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(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、 電路學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域，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(dòng)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(duì)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(dòng)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變形仿真，通過對(duì)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?cè)诘诙轮饕榻B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(jiǎn)介2、4ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(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(jí) 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(píng)。 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(guó)Lawrenee Livermore 國(guó)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?zèng)_擊等過程中的大變形動(dòng)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(dòng)態(tài)非線性問題，同時(shí)還可以求解熱傳導(dǎo)、流體動(dòng)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(dòng)力分析為主，兼有 靜力分析功能。在LS-DYNA發(fā)展歷程中，與ANSYS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(chǎng) 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(hào)同ANSYSK本號(hào)）。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(duì)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(dòng)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(guó)內(nèi)以來，迅速在相關(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(guó)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(dòng)力分析能力與ANSYS?便易用的前后處理功 能，對(duì)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(zhǎng)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 角度碰撞車門，本論文即分析這一動(dòng)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?jiǎng)澐志W(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(guó)際單位制。計(jì)算結(jié)束時(shí)間取0.05s，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)UtilityMen u>File>Cha nge Job name,指定分析的工作名稱為Bumper toDoor；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(duì)話框中，單擊 ADD按鈕，出 現(xiàn)Library of Element Types對(duì)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(duì)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(duì)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:/PREP7K,K,2,1K,3,1,0.6K,4,1.2K,5,0.4,1.1L, 1,2L,2,3LARC,3,4,5L,4,1K,6,0.05K,8,0.6,0.05LARC,4,6,7LARC,6,2,8L, 1,6A,1,2,3,4AL,5,6,2,3AL,4,7,5AL,1,7,6K,9,0.05,0.6K,10,0.95,0.6K,11,0.05,1.12K,12,0.4,1.05L, 9,10L,11,9LARC,10,11,12AL,8,10,9K,13,0.1L, 1,13VDRAG,5,11ASBA,1,5ASBV,2,1L,9,18L,10,17L,11,19AL,9,12,20,149吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文AL,8,12,18,13AL,10,13,19,143.2.4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(duì)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,21,0.5,0.35,0.15K,22,1,0.35,0.2LARC,20,22,21VDRAG,7,223.3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、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(duì)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 Parts Data Written for LS-DYNA 對(duì)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。37ANSYSHAY .2 3Anlysiv 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(duì)話框，在 Con tact Type 中選擇 Surface to Surf 和 Automatic , 即面一面自動(dòng)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(duì)話框的OK按鈕，彈出Con tact Optio ns對(duì)話框，接觸部件和目 標(biāo)面部件號(hào)分別選擇2和1，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)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(duì)象拾取對(duì)話框中選擇L1-L4，出現(xiàn) Apply U，ROT on Nodes 對(duì)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(duì)象拾取對(duì)話框中單擊 車門最前部的上下兩點(diǎn)，出現(xiàn) Apply U，ROT on Nodes對(duì)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(duì)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(duì)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(huì) 發(fā)生反彈。實(shí)際情形中，車體會(huì)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.TIMEFORCE105000020.0550000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(duì)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L(zhǎng)oad。Specify Loads for LSDTSA ExplicitEDUJAIlJ Loa.diOpli ons for LS-DtMA Expli aitLoidL Op I ionsTdd LoiiTLoa.d LibelsFEESRBUX RE UY RBUZRBVXsyetem/Surface KeyComponent n>ame or FA£T number:F u«4t w :f qf筍 vJiUe e iP al- in* I er naiTie for 4al& values :Analysis type for l«ad curves:|ljOai* Tr 0X1=14111 enly r-' Dynami c relaxTr ana an.d DTiamTo use gn exi stinff laadl curve:eurvt IDSc aI o- f-actor £or 1 & ad curv*BTIME Birth timaActivate imposeDTIME Death timft-Reaove imposed.OKApplyC-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(duì)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(zhǎng)因子選擇菜單項(xiàng) Main Menu>Solution>Time Controls>Time StepCtrls，彈出 Specify Time Step Scali ng For LS-DYNA Explict 對(duì)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(duì)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>Time Con trols>Solution對(duì)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(zhǎng)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(duì)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,單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)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>OutputFile Types，在 Specify Output File Types for LS-DYNA 對(duì)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(duì)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>WriteJobname.k，輸出模型關(guān)鍵字文件 Collision.K到工作目錄。上述工作完成后，通過菜單項(xiàng) Utility Me nu>File>Exit推出ANSYS4.3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(dòng)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 put 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 XnodenLLnbert36269deletedtine4.61910Et8isolid elenent 132219failed attine4.619105*01nodsnunberN42619deletedtine4.65UBEteisolid elenent t337S5failed attin4.650e8E*mnodenLLJibert42886deletedtine札制44WnodenLLnbert36255deletedtine4.679445*01nodenunbepI4288? deletedtine4*6?M4E*mnodenunber13621«deletedtine4.67944E*fllsolidelerteott32819Failed attine4.6?9HEt8inodenLLnbert36fKdeletedtine札韶H2E咆nodeown her143668deletedtine4.68D42E4Usolid elenentr32980 failed attine4.68B4SE*aion deOLLrabert43783deletedtine4,60431nodenLLnbert36957 deLetedtine4.68434E刑solid, elerremt t33612 failed attine4.68434E*fllnodeviunbBPi43590 deletedtin4.68532EteinodeowrabBrt36904deletedtine4<G8532Et&Lnodemuunbert36 90Sdeletedtine4.68532Et0inodenunbETt43629deletedtine4.685325*01solil elenenti32979failed atline4.6e532E*eisolid elenent 132195failed attinenoden ull hert36955deletedtine.?2i54E*8inodenunbert43VKdeletedtine4.72154E*81solid elenenti32S88failed attine4.72154E4Usolid eleoentr33KB failed attine4<?3524E*fllT圖12單元失效時(shí)的輸出信息第5章.結(jié)果分析通過 LS-PREPOS菜單項(xiàng) File>Open>Binary Plot ，在彈出的 對(duì)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(dòng)畫播放控制臺(tái)，可觀察碰撞的整個(gè)動(dòng)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(dòng)畫控制臺(tái)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>NANAL YSIS Q# C0UISK)M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 COI11SIQNANALYSIS OF COLLISIOMANALYSIS OF COI 11SI0NANAI.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(duì)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(duì)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PartSelection 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FringeComponent面板中選擇 Stress 和 Von Mises Stress，單擊 Apply 按鈕；利用動(dòng)畫播放控制臺(tái)，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 mixft clemf 47?&Fringe J cvrls ).«78«*07 1220eMT 巴驕兀訶F | 7.S04U/|:'.H/irtiirl l7eirtO/ 111,0門胡1 7J55ctO6|3.S78efO66J?<e-01 _ANAIYSinrCOUJSION CnnibursIfEnective Stiet p mJ ntftx Ipl. Ullueatdcml F 海0Fringe J evels M93e+07 MUc+D? h旳滋川 iSO/ciOfl ii.nBt+itrl1 h'?i rill/ kojiriurl|0ei06 T0Me+06_Mrctivr StnFringe Levels &.150et0Z FJWe 冊(cè)：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 SticksFringe LtveltS.73OC+O7 5.219e*0?i.H/dli/l d hintrtll/l li. I/hi: I IM I |ts?r tn; I thill： Hi / °IlJOeiO?"ANAL1 Conloul rnjKiifl. min-k (RtKS,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»D75輙収 met 07149e4Dr 丿33只0】_IMctOfiS QPOr+UOrlngc 讓vds_.&茁9?t»Q/ I8Htr07 I，門血MJ I初切|I3；e«k|mmAWAITS OF COLLISFO Cdfltoiir ol EVc max ipt. vihe ffllfi'L at rlc mvx=ri&MANMVStSOFCOLHSI Canituu ul CHe max ipt v»ltie min=L ul ck maw-7,11 ：<1Hngr Levt帕 UU«*T r.335e*07" l5ZDcD；|.辭聰訓(xùn)4*.SctO?l I 6J00| liOetOfillOUOetMhinf 7S49IO7eiO7. Al clrm»«3«2ANALYSIS OFJUSIOK CoRtowrs ol Jrr rtFWf 虧tfr和 p m (n«x 曾minDi rnw-5ANALYSIS OF COLLtSdCuntaiHS of tttcctivrjl mnx lot.的hn/ihi-Ei.t 也土ndf 聲#g mu-M trciDf5165Fringe Levels I 5J30tt0J iSJS7e»0J_ U.5B4mD?二 h D!mQ7|師目丹光血 E*4SMd/1KjDmOG 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，可見高速碰撞對(duì)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(duì)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?.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, 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 CpnlQurumax iat v«l m«x-3.SBZUSIONEle<07. vl r柜54(11dngr Levels3.5S?c*Q7 J.23le+07_ ?.BJ3c*D7|I腫"訓(xùn)川<1?<c+n6CDIrtaFringe Lrvtls5J21e*075.34*47 4.7WCW74.l9let07 IBISetOF3.a38e*0LUSJOHANAJ YSIS 0 Contours si max ipt vl mEn-i rntxS.SZl*llh. al rk6*0/.刖 elenwrw74.46100U85ctO7 IJCSctD?M15c#061J4»c*06&<Frinigt Levels 9ll珀吋 8L991ciO7 6LKae*D?MZSe«076,19?et07< 0r. »1 dem IANALYSIS 0 Cpnlquffi； al max ipt vsl min B 9391 mix=S.9?3&竟缸申IKG0r*07.919e*Q6ANALYSIS OF Conigurfi； al I nm iirL wlJ min >017 maxCJS&ElCOLLISION|mn|UEh ftlp*07. fli CleiurwcFringe LevelsG.Mte«076Jllte*07"bJJ19ti0f| p.?20eitJ/| mo川|.79ictor|LU6£#O7_ EJ0«*06 V圖20 45。碰撞正面應(yīng)力云圖ANALYSIS OF COLI IStON Cnlnurs of Ftfcrtlvr Slrci “ max lot value minbl al tlerol iTS4l rntx-S 4B4GItiOf.Kelemi 57J4Fvinge Levels 加MF 93Se*07 - ,3HBe#07| 29le*0?|M94c*07 I.C«e«07 (l/e*07 .485e*ttD.tO<h*0>MULYSIS OF COLLISIONCQnJours af Ffltrtlwc 孰“詞赫廠 max ini. value_min L m elerR-l Z9jritijuc7934Fringe Levs如IlJlOefOa 9J87ei07" n.B77e*07|kM.Hrdfi/1 L/iHr+O/l|.zisctojr|IjinctuZ v K.0Qfle4 0UANALYSIS OF COLI1SIDN Canlourt al Effective Sire max det. value mln-l ti rlem<f J max-9.4 F8 Me*iftge Levt h 9.4； 9c* 07 a.5J1'e*»7 7.Sfl3e*07lU：rk + D/|7.H44« + D/I1 J9«r*or|479f*G5_ iODOetOOANALYSIS OF COLLISION 一 Contours ot Etfcctivt max ipt. valuerliin=ti.砒 hndrf 7*Jl|rhie E,62411?e+OjFal node* 638?Fringe level*|O25ct07 k9E2«*07&3100?O37OD7I 1975c*0/ U12c*07 2.G5fie*07I. 98 fe* 07II. 315«407166Z5c*(M> h.OOflctOO圖21 45 0碰撞內(nèi)側(cè)應(yīng)力云圖從上兩圖對(duì)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(huì)帶來不同的結(jié)果， 速度方向的變化也會(huì)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(duì)車身及人體的傷害是汽車工程師永恒的使命。國(guó)際上著 名的NCAP汽車碰撞測(cè)試的普及也體現(xiàn)出了人們對(duì)汽車安全的高度 關(guān)注。本文基于 ANSYS/LS-DYNA強(qiáng)大的動(dòng)力分析能力，簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)比中，45°碰撞對(duì)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