RADIOSS 整车碰撞模型转换方法

    行业：汽车

    挑战：整车被动安全性研究在工程实 际中经常遇到不同软件有限元 模型之间的转化问题。

    Altair 解决方案：整车碰撞模型从 LS-DYNA 格 式向 RADIOSS 格式的转换， 并利用 RADIOSS 显式求解器 对整车碰撞各工况的仿真分析 计算结果与整车试验测试数据 进行比较分析。

    优点：采用RADIOSS显式求解器得 到的整车碰撞仿真结果与试验 结果吻合较好，计算精度较高， 验证了模型的转化方法的可行 性和合理性。

    背景介绍 

    仿真分析是汽车碰撞安全性研究的重要手段。在汽车被动安全性整车仿真 分析中，常用的有限元仿真分析求解器软件有 LS-DYNA、RADIOSS、 PAM-CRASH、ABAQUS 等。整车被动安全性研究是汽车研发领域中的重点， 工程实际中经常遇到不同软件有限元模型之间的转化问题。 

    针对上海汽车某项目，探讨某轿车从 LS-DYNA 向 RADIOSS 的转换方法， 然后针对 RADIOSS 格式的模型仿真分析结果与工程上的应用，利用整车 64KPH 偏置碰、50KPH 全宽正碰、以及 50KPH 的可移动变形壁障等试验测试 数据进行了比较。验证了 RADIOSS 求解器计算结果的在工程上的可行性，以 及与试验结果的一致性。   

    挑战 

    整车碰撞模型主要包括白车身、座椅、底盘、转向、动力总成等结构。针 对不同的碰撞规则，又带有可移动壁障、固定壁障以及刚形体台车等。整车有 限元模型，节点总数为 1289275，单元总数为 1332879，其中壳单元总数为 1280025，实体单元总数为 40606，一维单元总数为 12248，二维单元的平均 尺寸为 8mm。

     

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    “从对比结果可以看出，采用 RADIOSS 显式求解器得到的整车碰撞仿真结果与试验结果吻合较好，计算精 度较高，从而验证了新转化的 RADIOSS 模型的有效性，并进一步验证了模型的转化方法的可行性和合理性。” 

                                                                                                                            摘自 Altair 技术论文 

                                                                                                                           作者周会锋 杜汉斌 王大志 汤晓东 该案例荣获“2012中国CAE应用最佳实践案例”                                                                                                                

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    解决方案

    软件自动转换 

    在某轿车碰撞安全性研究过程中，以此轿车完善的整车碰撞有限元模型为基础，进行从 LS-DYNA 格式到 RADIOSS 格式的转换。 

    首先，打开 HyperWorks 的 HyperCrash 模块，选择 RADIOSS 格式，导入 LS-DYNA 格式的整车子模型文件。 导入成功后，采用 Model Checker 功能对模型进行初步的检查，查看转化成 RADIOSS 格式的模型是否有错误，并 检查 Warning 信息主要内容，然后再将此模型用指定的 RADIOSS 格式导出，形成*.RAD 文件，从而实现模型文件 格式上的自动转换。 

    LS-DYNA 代码格式默认为每行 80 个有效字符，RADIOSS 代码格式则默认是每行 100 字符，且控制卡片的组 合形式均不一样。自动转换过程可以将模型的 PART、NODE、ELEMENT 等信息的格式，以及常用的零部件材料特 性、厚度特性的基本格式转换为相应的模式。通过软件自动转换过来的基本参数格式一致，但是二者之间的转换仍存 在不能完全自动实现的情况，这些情况需要通过手动方式进行调整。 

    材料模型和单元的属性 

    由于 LS-DYNA 和 RADIOSS 对零部件的材料和单元属性的定义方式不同，计算时对应的各项最佳参数也不同， 需要手工调整的内容主要有材料的各项参数、单元属性各项参数。 

    对于具体的材料参数的设定，在本次模型转换中，选用了在不同应变速率下定义多个应力应变曲线的方法。 

    整车模型中常的转动副、阻尼、弹簧、球铰，以及焊点、包边、粘胶等特征，在 LS-DYNA 和 RADIOSS 中均用 一维单元来模拟，其区别在于 LS-DYNA 格式的模型将分别对一维单元赋予单元属性卡片和材料属性卡片，而 RADIOSS 格式的模型中，一维单元的所有属性均通过一张卡片来实现，其中还包含所有可能的失效方式，不需要再 单独赋予其材料特性。 

    焊点和刚体连接 

    在 LS-DYNA 中，焊点的定义是通过 beam 一维单元及其两个节点与相关零部件之间的 tie 接触来实现的。在 RADIOSS 中，焊点的定义是通过 spring beam 一维单元，同时对于每组 spring beam 单元的上下节点分别与对应的 零部件生成一个 type2 接触来实现的。 

    本模型中，刚体的属性体现在 RBODY 中，如发动机、变速器刚体的属性，如质心、转动惯量等，其材料选用普 通的弹性体材料，目的在于体现带网格的刚体与周围零部件发生接触时的有效接触刚度。对于螺栓形式的刚性体连接， LS-DYNA 和 RADIOSS 均可以对相应零部件采用 rigid body 来实现。对于刚性体与刚性体之间的连接，如子模型之 间的连接，在 LS-DYNA 中，各子总成之间的连接均通过刚性片以及*CONSTRAINED_RIGID_BODIES 控制卡片将 两个刚体连接在一起。而在 RADIOSS 中，则采用一个 RBODY，所选择的节点通过 group by part 的形式将两个片 体的所有 node 组合在一起，从而实现将两个刚性片连接在一起，而这两个片体均设置为弹性体材料，如表 1 所示。

    以上特点可以总结为，DYNA 中所有的刚体属性单元，可以不参加计算。RADIOSS 中刚体特征均采用 RBODY 和一般弹性材料组合来模拟，所有信息均参与模型计算，所以对模型质量要求比较高。

    边界条件的加载 

    整车模型边界条件的加载包含整车基本模型、壁障的加载及相关设置、整车自接触以及与壁障/地面之间的接触 设置、整车模型需要重点研究的截面力、加速度、应力、应变以及零部件能量变化等信息要求的设置和输出。不同软 件均有其独自的设置方式，且相关的控制参数均具有其软件包含的独自的特性。

    模型计算的控制卡片 

    模型转换时，HyperCrash 会自动生成一个求解计算的 engine 控制文件，根据不同的要求对求解计算控制参数 进行详细设定，主要包括计算时间、计算步长控制、输出信息的类别设定等。LS-DYNA 与 RADIOSS 的不同之处在 于，前者可以单独给予各项时间历程数据信息不同的输出方式和输出时间间隔，而后者对所有的时间历程数据信息只 能采用相同的输出方式和输出时间间隔。RADIOSS 可以通过不同的 engine 文件对模型进行各个时间段的独立求解。 

    在此以常用工况 50FFB、64ODB、50MDB 为例，结合相应的试验数据，经过校核有限元模型中零部件的几何 形状、材料和厚度，调整台车与整车的相对位置，利用 RADIOSS 有限元软件进行计算，得到对标分析结果。 

    壁障台车信息 

    RADIOSS 格式的偏置碰固定壁障为 solid 壁障，总质量为 26.1kg，节点总数为 49180，单元总数为 48311，其 中壳单元总数为 9310，实体单元总数为 39000，并包括一个刚体单元，如图 2 所示。 

    RADIOSS 格式的侧碰可移动变形壁障总质量为 950kg，其中分为前面碰撞块 24kg，台车 926kg。模型的基本 信息中，节点总数为 8629，壳单元总数为 348，实体单元总数为 6300，如图 3 所示。

    能量信息 

    在整车仿真计算过程中，主要包括的物理能量有动能、内能、沙漏能、接触能等能量信息。从图 4 可以看出，整 车 50FFB 正面碰撞使用 RADIOSS 计算仿真过程中，整个模型的物理能量保持平稳下降趋势。动能和内能的变化也 处于合理状态之中，沙漏能占总能量的 3.7%，接触能量占总能量的 14%。  

    计算结果与试验结果的比较 

    在整车正碰中通过考察前围板侵入量、前纵梁变形模式以及 B 柱的加速度等特性来分析车体结构特征。整车侧 碰工况中通常考察 B 柱内板侵入量、门内板关键部位侵入量、门外板变形模式以及 B 柱的速度特性等来分析车体结 构特征。通过采用 RADIOSS 显式求解器，对整车模型上述各工况进行计算和分析，并与相应的物理试验进行比较，从比较结果可以看出，该转换方法在实际应用中是非常有效的。 

    整车关键部位变形图 

    在整车全正碰和 40%重叠偏置碰工况中，前纵梁的变形模式是车体结构考察的重点，同时也是校对模型是否正 确的一个衡量指标。将 100%全正碰工况左右纵梁的变形模式与物理试验进行比较，纵梁的变形模式基本一致。

    整车加速度曲线 

    在整车全正碰和 40%重叠偏置碰工况中，B 柱的加速曲线间接反映出车体结构在碰撞过程中的变形次序以及整车 的碰撞刚度。从图 6 可以看出，曲线的几个波峰和波谷的相位基本吻合，总体变化趋势基本一致。 

    整车侵入量比较 

    在整车全正碰和 40%重叠偏置碰工况中，前围板的侵入量是考察车体结构变形是否合理的一个重点。在整车侧 碰工况中，B 柱内板的侵入量以及门内板关键部位的侵入量是考察侧碰的一个重点。从图 7 比较结果可以看出，B 柱 内板各位置侵入量仿真结果与试验结果最大相差仅在 10mm 左右。

    结论 

    本次模型转换基于某项目整车模型，详细阐述有限元模型从 LS-DYNA 向 RADIOSS 的基本流程以及转换方法， 并利用该方法成功实现整车碰撞模型的转换，证明了此转换方法的可行性。RADIOSS 格式整车模型仿真计算结果与 整车试验测试数据相比较的结果表明，仿真计算结果中整车结构变形模式和整车加速度曲线与实验测试数据具有良好 的一致性。从而再次证明此模型转换方法和基本流程以及 RADIOSS 模型求解器运用于整车碰撞计算的有效性。 

该模型转换方法和流程可以为各工程领域类似 LS-DYNA 模型向 RADIOSS 模型的转换提供有效的参考依据，具 有重要的工程应用价值。    

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