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使用LS-Dyna进行汽车碰撞侧翻分析的接触定义及沙漏控制

2019年05月18日 CAE 阅读 1,769 views 次

在使用LS-Dyna进行汽车碰撞侧翻分析时,接触的定义应注意以下几点:防止边对边的渗透;防止所有的初始渗透;接触厚度尽量采用实际的壳厚度;有充分的网格密度来正确的处理接触的压力分布和防止初始渗透。

LS-DYNA中有很多接触类型,用户在做分析时面临一个选择合适接触类型的问题。在进行汽车碰撞侧翻分析时,接触类型的选择应注意以下几点。

1. 建议总是使用AUTOMATIC接触类型,AUTOMATIC类型的接触是比较新的接触方式,由于在汽车碰撞过程中,很难人工判断壳单元发生接触的方向,而AUTOMATIC接触方式是自动从壳单元的两边进行接触检测,所以适合各种复杂的接触行为。

2. Singe Surface接触类型广泛应用于汽车碰撞分析中,由于软件历史发展的原因,以前开发很多的接触类型用于各种接触中,为了简化接触的建模、数值计算的稳定性和计算的效率,建议使用单面接触来处理汽车碰撞事件中所有PARTS的接触。

3. 对于汽车碰撞分析,一般设置一个总体单面接触,用于所有汽车部件可能发生的接触检测(包括部件自身的接触行为),然而总体接触有时在一些局部区域发生失效,所以常对一些特殊局部的接触设置局部的接触类型(如气囊本身的接触、安全带与假人的接触等)。

4. 在Singe Surface 接触类型中,一般有三种:*CONTACT_SINGLE_SURFACE、*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE、*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL。*CONTACT_SINGLE_SURFACE接触是比较老的接触方式,现在一般不再用它。常用的是后面的两种总体接触方式,这两种接触方式的差别如下。

*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE接触类型通过系列版本的改进(950d 版本以后),成为一种非常稳定和精确的接触类型,其中一个优点就是对网格划分中的尖角接触处理更好和对三角形及四面体网格的接触更稳定,推荐应用于汽车总体接触定义中,但*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL 接触能自动处理壳边对壳边、梁单元对梁单元的接触,所以在有壳边接触和梁单元接触情况时,通常在有这些接触的局部区域设置用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL 接触类型。并且在970 版本中自动单面接触中的一些改进会添加到*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL 接触类型中。

5. 局部接触设置

常见的局部接触设置有:气囊自身接触,气囊与假人、方向盘的接触,安全带与假人的接触,泡沫、蜂窝、橡胶等非金属材料与钢材的接触(侧碰移动壁障与汽车接触等)。

气囊部件本身的特性决定了必须对它的接触进行特殊处理:

高的气囊节点速度(>100m/s);

软的纤维材料特性(E<50Mpa);

小的壳单元厚度(<0.5mm);

在气囊折叠后常有初始渗透及气囊折叠层的接触处理;

对于这样的部件把它自身的接触及与周围部件的接触分开定义,改进稳定性和精度:

(1)气囊自身接触

使用CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE接触类型,该接触类型专门开发用于气囊自身接触处理。在SMP版本上设置SOFT=2(*CONTACT 关键字中的可选卡片A中的第一个参数)激活段对段的接触算法。在MPP 版本(960)中不支持SOFT=2,所以必须设置SOFT=1(软的纤维材料特性)。

由于在气囊折叠后常有初始渗透,有两种方法处理该问题:一种就是定义一条曲线,指定气囊壳单元的厚度与时间相关,即随气囊的展开,厚度从非常小的值增加到大的值,从而使气囊在折叠和展开后都有非常好的接触行为(接触厚度对时间的曲线由可选卡片A 中的LCIDAB 指定)。另一种方法就是使用可选卡片C 中IGNORE 参数(960 版本后),设置IGNORE=1 就可以消除气囊的初始渗透。

(2)气囊与假人、方向盘的接触

在气囊展开过程中和展开后,气囊将与假人、方向盘等部件发生接触,这种接触方式建议使用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 接触类型。处理该类接触最大的问题就是相互材料特性差异太大(纤维和钢材杨氏模量相差1000 倍)、气囊的厚度太小(<0.5mm),所以建议总是使用SOFT=1及在*CONTACT第3 张卡片中人工设置气囊的接触厚度SST=1mm,得到更好的接触行为,防止接触节点从接触行为中过早释放。

(3)安全带与假人的接触

同样安全带的材料非常软,厚度比较小,并且还包含1D 的单元(没有节点厚度)的接触问题,所以需要特别处理:对于1D(一维)安全带单元,总是设置它为从面,假人为主面,使用ONE-WAY的接触方式,如*CONTACT_AUTOMATIC_NODE_TO_SURFACE,由于没有节点厚度,需要人工设置接触厚度,一般设置SST=2-4mm。另外一种可替代的方式就是人为的沿1D安全带单元创建空的梁单元(*ELEMENT_BEAM,*MAT_NULL,设置梁直径为2mm,密度非常小,空梁单元不提供任何结构刚度),然后使用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL来定义与假人的接触。对于2D 安全带单元,建议使用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触类型,并设置SOFT=1 和SST=2-4mm 来代替单元的真实厚度。

(4)泡沫、蜂窝橡胶等非金属材料与钢材的接触(侧碰移动壁障与汽车接触等)

对于这种软的非金属材料与钢材的接触,在汽车中应用很多,如上面提及的安全带、气囊,还有坐垫等,需要进行特殊的接触处理,否则会出现负体积或节点速度无限大等问题。对于这类接触,总是设置参数S0FT=1,同时避免使用刚度沙漏公式(4 或5),因为刚度沙漏公式虽然可以消除沙漏能,但同时硬化了材料响应。同时可以创建空单元来处理他们自身及与邻近部件的接触,已被证明是非常有效的一种处理方式。

6. 接触对象的设置

从上面的描述可知,分别定义了全局接触和局部接触,在这里要注意的是在定义全局接触时,不能把所有的部件PART 都包含进行,应该把需要局部设置的部件排除在外,如安全带,假人,气囊等部件,可以把SSTYP 设置为SSTYP=6 来选择接触对象。同时还可以针对不同的碰撞方式(正碰、侧碰等)来设置接触定义的区域(通过定义接触BOX,*DEFINE_BOX)减少接触搜索的区域,降低CPU 计算时间。

7. 接触阻尼设置

粘性接触阻尼参数VDC(*CONTACT 中的第2 张卡片)缺省是0,该参数刚开始是用来在冲压成型中消除接触法向的高频振荡,后来发现在碰撞分析中能有效的降低接触力的高频振荡部分,一般设置VDC=20。

8. 接触摩擦设置

如果摩擦问题必须考虑的话,建议使用*PART_CONTACT 定义摩擦系数的方式对各PART 的摩擦系数进行设置。要注意使用该方式时,必须在*CONTACT 关键字中把FS 设置为-1,这样用PART 设置的摩擦系数才能覆盖掉*CONTACT 中的FS、FD、DC等参数。同时只有定义了衰减系数DC,动态摩擦系数才能起作用。

9. 接触厚度设置

有时为了消除初始渗透,可以改变接触厚度(在*CONTACT 关键字中SST 和MST参数),但一般不能太低,根据经验,一般不能低于0.6-0.7mm。同时,有时部件的厚度太小(如气囊、安全带),需要适当人为增加接触厚度,一般若壳单元的厚度小于1mm,就需要增加他们的接触厚度。

10. 刚体接触处理

对于刚体接触,有专门的刚体接触,但很少使用,因为他们是比较早的接触定义,常用的是自动接触类型,他们处理刚体与刚体,刚体与变形体其实与变形体之间的接触处理是一样的,不同的是刚体没有变形。但建议刚体的网格划分应该尽可能的细密,这样能很好的在刚体上分配接触力,而刚体网格的增加对时间步和CPU时间影响很小。对于从MADYMO 这样的刚体动力学软件输入的刚体假人,使用*CONTACT_ENTITY这样的接触类型来处理刚体假人与汽车结构之间的接触定义。

11. 接触界面属性的输出

当定义了接触关系后,有时需要输出接触界面合力的大小,接触界面能、接触应力来了解接触行为及验证结果的准确性。

  • 对于非单面接触(Singe Surface),程序按接触界面编号自动把主从面的合力写入到ASCII 文件RCFORC 中(由*DATABASE_RCFORC 定义)。由LS-PREPOST读入就可以画力-时间曲线。
  • 对于单面接触,程序则没有输出接触力,想要输出某部件所收接触力,需要用到*CONTACT_FORCE_TRANSDUCER_PENALTY 关键字来定义一个力传感器接触方式,该接触方式不产生任何实际的接触行为,只用来输出关心部件所受的接触力(把关心部件设置成为从接触面,主接触面不设置)。
  • 接触界面每个节点上的接触力输出到ASCII 文件NCFORC 中(由*DATABASE_NCFORC 定义),同时必须在相关*CONTACT 关键字中设置SPR=MPR=1)。
  • 接触界面能由*DATABASE_SLEOUT 输出,同时在GLSTAT 中也包含总体接触界面能。
  • 有时需要显示接触表面的法向和切向的接触应力,需要使用*DATABASE_BINARY_INTFOR关键字文件来输出一个二进制文件,并必须在相关*CONTACT 关键字中设置SPR=MPR=1,同时在LS-DYNA 的递交命令行中添加一个S=filename 用来指定二进制文件的名字,该文件可以用LS-PREPOST来显示接触应力。

12. 沙漏(HOURGLASS)控制

在进行沙漏控制设置时应注意以下几点:

(1)当使用了*CONTROL_HOURGLASS 时,它控制全局的沙漏,同时若使用*HOURGLASS关键字对指定的PART 进行沙漏控制,则将覆盖全局的沙漏控制类型。

(2)对于泡沫材料,建议使用粘性沙漏控制公式(公式2 或3)

(3)对于大变形问题,刚度公式(4,5,或6)可能会使响应过于刚硬。

参考文献

【1】 赵海鸥 邵仁兴, LS-DYNA 动力学分析指南, 机械工业出版社

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