一套新手自学整车碰撞仿真分析的奥秘
作者 | 李老师 仿真秀科普作者
首发 | 仿真秀 （ID:fangzhenxiu2018）
众所周知，CAE仿真分析已经成为整车研发过程中不可或缺的一部分。整车CAE仿真分析通常包括模态分析、刚度分析、强度分析、疲劳分析、碰撞分析、乘员约束系统分析、NVH分析以及CFD分析等。而整车碰撞仿真分析是一项难度较大，需要多个CAE仿真工程师人员共同进行配合完成的一项工作。
对一个新手来说，要想自学整车碰撞仿真分析是一项很艰难的事情。对主机厂而言，培养一个合格的碰撞仿真工程师，就需要一个有多年碰撞仿真分析经验的工程师来指导，再加上实际动手操作，才有可能成为一名合格的碰撞仿真工程师。
本课程就是结合我多年的碰撞仿真分析经验，希望能够深入浅出地把在整车碰撞仿真分析中有可能所遇到的问题和难点一一给大家讲解。当然，大家如果要想真正地理解、掌握整车碰撞仿真分析，还需要大家能够多学、多练、多思考。下面我就带大家来初步了解一下整车碰撞仿真分析的奥秘。
一、整车几何模型及参数的输入
要想做一款整车碰撞仿真分析，无论是正碰、偏置碰还是侧碰，当然整车的几何模型是必须的。俗话说巧妇难为无米之炊，没有整车的几何模型输入，在厉害的碰撞仿真工程师也做不出整车碰撞仿真模型来。
那么整车几何模型通常包括那几个部分？一般来说，整车几何模型主要包括白车身、底盘、开闭件、内外饰及电器系统等。有了整车几何模型，那么我们就可以开始启动网格划分工作。网格划分只是整车碰撞仿真分析万里长征的第一步。
当然，整车碰撞仿真分析除了需要整车几何模型以外，还需要整车BOM表，焊点、焊缝、及胶粘等信息，相关材料的性能参数及应力应变曲线，整车的质量和质心统计表等等。通常整车碰撞仿真分析输入涉及到整车研发过程中的多个部门。
整车碰撞仿真分析输入内容及要求详见表1所示。
表1 整车碰撞仿真分析输入内容及要求
二、网格划分
网格划分只是整车碰撞仿真分析工作的第一步。我们通常采用Hypermesh软件进行网格划分。
由于整车几何结构大多是钣金冲压件，辅以少量的铸件，其中，钣金件主要集中在白车身和开闭件上，铸件主要集中在底盘和动力总成上。
目前，各大主机厂和汽车研究院都有一套自己的网格划分标准和网格质量检查标准，但差不多都大同小异。对于白车身和开闭件等这种钣金冲压件来说，我们通常采用壳单元进行网格划分。网格大小目前基本以10mm为标准进行划分。
下面我们就来简单了解一下整车碰撞仿真分析网格划分的基本原则。
1、保留主要几何型线，网格要与几何保持良好的贴合。
2、碰撞网格划分应该依据正交原则进行单元网格划分，特别在碰撞吸能区要按照应力波传递方向进行网格布置，网格密度均匀分布，不能过于稀疏与过于集中。
3、整个模型中三角形单元不允许超过总单元数的5%；每个部件中三角形单元不能超过该部件单元数的10%。
4、防止集中出现翘曲单元和三角形单元的区域。
5、干涉检查，每个part之间不允许有初始穿透干涉。
6、在整个模型中最小单元尺寸不应该小于3mm。
7、每个零件要进行法向、自由边检查，法向一致，每个部件不能有自由边。
图1 白车身及开闭件网格划分图
整车碰撞仿真分析中壳单元的网格质量检查标准见表2所示。
表2 壳单元的网格质量检查标准
限于篇幅的原因，对重点区域的网格划分标准我们在此不做详细介绍。重点区域网格划分主要包括以下几个方面：
① 倒角处的网格划分标准
② 几何孔（包括螺栓孔）处的网格划分标准
③ 翻边处的网格划分标准
④ 包边（主要位于开闭件处）的网格划分标准
三、整车碰撞模型建模的关键技术
各总成网格划分完成后，可以先通过nastran或者optistruct等软件进行模态计算来验证各总成连接是否存在问题，以防出现网格质量问题和自由部件。各总成通过模态计算完成后，就可以进行整车碰撞模型的建模工作了。
1、连接方式处理
在整车碰撞模型中，存在各种各样的连接方式，主要有以下几种常见的连接方式：焊点连接、焊缝连接、胶粘连接、螺栓连接以及铰接等。比如白车身的连接方式主要是焊点连接和焊缝连接为主；车门及发动机盖板有大量的胶粘连接。见下图2和图3所示。
图2 白车身焊点示意图
图3 车门上胶粘示意图
铰接主要在转向系统、前后悬架以及车门铰链等处。见下图4和图5所示。
图4 车门铰链示意图
图5 转向系统铰链示意图
在整车建模过程中使用最多铰链主要为球铰、柱铰、万向铰、平动铰和转动铰。由于铰链要实现其自身的转动关系，所以在运动过程中铰链自身不能变形，即要求铰链所有节点为刚性体节点。所以在刚性体上建立铰链可以利用刚性体自身的节点，在可变形体上建立铰链则一般需要使用rigidbody，或其他刚性体网格来连接节点和可变形体网格节点。在可变形体上建立铰链通常也可将部分可变形网格转化为刚性体网格，然后在转化后的网格上建立铰链。
2、前后悬架及轮胎模型
前后悬架系统及轮胎涉及到许多运动部件，这就要求我们碰撞仿真工程师不仅要理解各个运动部件的运动关系，还要将运动关系用合理的方法反映到整车碰撞模型上。也可以这样说，前后悬架及轮胎建模也算是整车碰撞建模过程中最难的部分。
前悬架装置包括前副车架总成、前悬架横向稳定杆装置、支柱总成、下摆臂总成、前副车架加强板以及前车轮等。某前后悬架的CAE模型见下图6和图7所示。
图6 前悬架系统及前轮CAE模型
图7 后悬架及后轮胎CAE模型
3、加速度
加速度是重要的输出内容，在前处理中需预先定义加速度计的位置和输出。加速度计一般布置在不发生变形，有一定平面的地方。汽车碰撞试验中会布置很多的加速度传感器，分析模型中可以根据试验时布置传感器的地方建立加速度传感器。见下图8所示。
图8 B柱加速度计设置位置
4、截面布置
截面力是考察汽车碰撞过程中力传递方向和大小的有效方法，输出截面力的截面一般设置在车身主要的吸能部件，如正碰中的吸能盒、前纵梁、A柱和门槛梁等；侧碰中的门槛梁、B柱、顶横梁、座椅安装横梁等部位，可根据需要输出各部位的截面力。见下图9所示。
图9 某车身截面设置位置
四、整车碰撞工况简介
1、基于C-NCAP 2018正面100%重叠刚性壁障碰撞
试验车辆100%重叠正面冲击固定刚性壁障。碰撞速度为
2、基于C-NCAP 2018正面40%重叠可变形壁障碰撞试验
试验车辆40%重叠正面冲击固定可变形吸能壁障。碰撞速度为
3、基于C-NCAP 2018可变形移动壁障侧面碰撞试验
移动台车前端加装可变形吸能壁障冲击试验车辆驾驶员侧。移动壁障行驶方向与试验车辆垂直，移动壁障中心线对准试验车辆R点向后250mm位置，碰撞速度为
图10 整车碰撞CAE模型（正碰、偏置碰和侧碰）
五、整车碰撞结果后处理
在整车碰撞仿真分析过程中，其实我们更关心的是整车碰撞仿真结果，因为只有获得了整车碰撞仿真结果，我们才能了解我们所做的这款车的一些基本耐撞性能，才来根据整车的碰撞仿真分析目标提出合理的优化建议。当然这一切都要确保在前面的整车建模是准确合理的。
一般来说，我们基于C-NCAP来做的整车碰撞仿真分析，都是为了实现我们在整车研发初期所定的目标：星级评价。同样的情况下，碰撞星级评价越高的车在市场上的竞争力就越强。针对碰撞星级评价，就需要对整车耐撞性的一些指标进行量化。
对正碰和偏置碰来说，这些量化指标主要包括车身最大加速度、回弹时刻、整车压溃量、前围板侵入量、离合踏板安装点、刹车踏板安装点的变形量等等。
对侧碰来说，这些量化指标主要包括B柱不同高度测点的侵入量，B柱腰线处的侵入速度等等。
我们会根据不同星级评价制定相应的可量化的评价指标。我们会在后期推出的课程中进行详细讲解。当然不同的车型，评价指标会有所不同。
图11 整车碰撞仿真结果变形图（正碰、偏置碰和侧碰）
来源：仿真秀
