【難點(diǎn)總結(jié)】汽車碰撞CAE技術(shù)中幾個(gè)尚未解決的問題！

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

文章綜述了汽車碰撞及汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)研究概況,介紹了常用CAE軟件的基本情況,從汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)的角度出發(fā),提出了汽車碰撞CAE技術(shù)中存在的幾個(gè)沒有解決好的問題,包括殼單元的畸變、復(fù)雜模型中單元積分的階、材料的開裂準(zhǔn)則及沖壓成形過程對(duì)材料性能的影響等問題。這已經(jīng)影響了汽車碰撞CAE的應(yīng)用,希望這些問題能夠早日得到解決。

1 汽車碰撞CAE技術(shù)與汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)研究概況

汽車的碰撞安全性是非常重要的基本屬性,在許多國(guó)家,所有上市的汽車必須滿足嚴(yán)格的碰撞安全性法規(guī)要求,它同時(shí)也是消費(fèi)者十分關(guān)注的重要指標(biāo),已成為汽車公司拓展產(chǎn)品市場(chǎng)的關(guān)鍵。但因汽車碰撞涉及大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大應(yīng)變及未知接觸界面等問題,在1985年以前,出于理論水平的無奈,對(duì)它的研究幾乎都靠實(shí)驗(yàn)室的手段來實(shí)現(xiàn)。在1985年以后,Bathe、Hallquist、Simo、Hughes、Belyt schko、Flanagan、Benson及鐘志華教授等一大批杰出科學(xué)家的長(zhǎng)期努力與創(chuàng)造性研究成果——汽車碰撞CAE技術(shù)的日益成熟,人們才能完全從理論上開展汽車碰撞安全性研究,從而開創(chuàng)了汽車碰撞安全性研究的新紀(jì)元。我國(guó)也非常重視對(duì)它的研究,盡管起步晚,但也具備了基本條件,早在1992年,清華大學(xué)就擁有了初步的試驗(yàn)研究能力,隨后,中國(guó)汽車技術(shù)研究中心在青年學(xué)者朱西產(chǎn)教授的努力下,后來居上,建立了一套國(guó)內(nèi)最完備的汽車碰撞試驗(yàn)裝置。同時(shí),湖南大學(xué)等單位也相繼建立了頗具特色的汽車碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)。然而,由于汽車碰撞CAE技術(shù)的發(fā)展需要更加深厚的理論基礎(chǔ),我國(guó)的汽車碰撞CAE技術(shù)直到最近才取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,需特別指出的是,湖南大學(xué)鐘志華教授不僅以其創(chuàng)立的防御節(jié)點(diǎn)法、“級(jí)一域”法及交叉降階積分法而享譽(yù)世界,為汽車碰撞CAE技術(shù)的發(fā)展奠定了新基礎(chǔ),而且,是在他的直接推動(dòng)下,我國(guó)才擁有了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套的汽車碰撞CAE技術(shù),其主要成果包括國(guó)內(nèi)唯一的自主開發(fā)的汽車碰撞仿真軟件及獲教育部科技進(jìn)步1等獎(jiǎng)的成果“汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)與改進(jìn)理論、方法及關(guān)鍵技術(shù)”,作者作為該成果的第2號(hào)研究人員,從中更學(xué)到了不少新知識(shí)。同時(shí),作者主持完成的交通部重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“在用汽車高速碰撞安全性改進(jìn)技術(shù)研究”,通過了交通部科教司主持的鑒定,結(jié)論為國(guó)際先進(jìn)水平。該成果應(yīng)用在上汽通用五菱汽車股份有限公司新產(chǎn)品N1的碰撞安全性設(shè)計(jì)及老產(chǎn)品X477的碰撞安全性改進(jìn)中,解決了產(chǎn)品安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問題,使它們成為完全依靠國(guó)內(nèi)技術(shù)而滿足碰撞法規(guī)的國(guó)內(nèi)微型車產(chǎn)品中最早的兩個(gè)產(chǎn)品。

實(shí)際上,汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)與汽車碰撞CAE技術(shù)是同宗共源的。也是在1985年以后,人們才能完全從理論上實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車覆蓋件沖壓成形過程的分析。同樣地,我國(guó)在汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)方面也取得了大量成果,其中最突出的代表人物仍然當(dāng)數(shù)鐘志華教授,在他的直接參與與帶領(lǐng)下,課題組成員經(jīng)過近4年的潛心研究和聯(lián)合攻關(guān)取得了一系列研究成果,其中的“薄板沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和關(guān)鍵技術(shù)及在車身制造中的應(yīng)用”,還獲得了國(guó)家科技進(jìn)步1等獎(jiǎng),作者有幸成為該成果的研究人員之一,從中獲益良多。此外,吉林大學(xué)的胡平教授也在這一領(lǐng)域取得了可喜的成績(jī),他們依靠自己的力量,獨(dú)立開發(fā)出了集成化的覆蓋件彈塑性變形有限元仿真與模具設(shè)計(jì)CAE
軟件系統(tǒng),并與已有的CAD和CAM軟件相互集成,基本實(shí)現(xiàn)了從模具設(shè)計(jì)曲面造型到成形性分析,直至模具NC加工軌跡形成的一體化,目前該系統(tǒng)可以模擬各種沖壓件的成形過程以及卸載回彈和切邊回彈。而作者主持完成的湖南省中青年基金項(xiàng)目及上汽通用五菱汽車股份有限公司攻關(guān)項(xiàng)目“汽車覆蓋件沖壓成形CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)及應(yīng)用研究”,則立足重大工程應(yīng)用,解決了汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)在重大工程應(yīng)用中存在的12個(gè)技術(shù)難題,取得了6項(xiàng)新的突破,已通過湖南省科學(xué)技術(shù)廳主持的鑒定,得到與會(huì)專家的高度評(píng)價(jià),一致認(rèn)定該研究成果處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。該成果應(yīng)用在上汽通用五菱汽車股份有限公司,解決了該公司新產(chǎn)品N1的覆蓋件模具設(shè)計(jì)與工藝分析問題,改變了企業(yè)向國(guó)際公開招標(biāo)的計(jì)劃。

2 汽車碰撞及覆蓋件沖壓成形分析常用的軟件

顯式有限元方法是求解大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形問題的最有效方法,已在沖壓成形、碰撞、穿甲、爆炸等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。分析軟件也十分豐富,工程上常用的有LS-DYNA、ANSYS/LS-DYNA、DYNAFORM、OPTRIS、DYTRAN、AUTOFORM、CFORM等。其中,應(yīng)用最早也最為廣泛的則非LS-DYNA莫屬。

LS-DYNA的雛形是由美國(guó)Lawrence Livermo re National Laboratory的Hallquist J 0博士于1976年主持研制完成的DYNA3D。到1988年,Hallquist J 0博士創(chuàng)立了Livermore Software Technology Cooporation(簡(jiǎn)稱LSTC公司),經(jīng)過多次擴(kuò)充和改寫的DYNA3D,其功能得到大幅度提升,此時(shí)則更名為L(zhǎng)S-DYNA3D。到1996年,更是將LS-DYNA3D與LS-NIKE3D進(jìn)行了完整的融合,分析軟件也就不得不再一次更名,即廣為人知的LS-DYNA,從而奠定了LS-DYNA在有限元軟件中的霸主地位,顯式加載隱式卸載、復(fù)雜多步成形分析、沖壓分析結(jié)果的網(wǎng)格粗化與裁剪、形形色色的接觸類型、寬松的模具網(wǎng)格形狀(可以全部采用三角形單元)等功能,一直是許多軟件追逐的目標(biāo)。一些軟件更是全部引進(jìn)LS-DYNA作為其本體的一個(gè)組成部分,以達(dá)到迅速提升其技術(shù)水平的目的,ANSYS/LS-DYNA就是一個(gè)典型的例子。而由Engineering Technology Associates,Inc.開發(fā)的,在沖壓成形分析領(lǐng)域最負(fù)盛名的沖壓分析軟件DYNAFORM,從本質(zhì)上看,只是為L(zhǎng)S-DYNA提供了1個(gè)專門針對(duì)沖壓分析的前處理軟件及2個(gè)通用后處理軟件。

LS-DYNA本身也帶有功能強(qiáng)大的前后處理軟件,LS-INGRID及FEMB就是LS-DYNA自身帶有的前處理軟件,HYPERMESH等專用前處理軟件也都有很強(qiáng)的LS-DYNA前處理能力。LS-DYNA仿真分析的結(jié)果,可以用LS-DYNA的專用后處理軟件LS-POST或LS-TAURUS處理,也
可以用其它任何一種能夠處理LS-DYNA輸出數(shù)據(jù)文件的后處理軟件進(jìn)行后處理,如eta/Post GL,eta/Graph等專用后處理軟件,還可以應(yīng)用LS-DYNA本身的前處理軟件FEMB進(jìn)行后處理。

在LS-DYNA中,單元類型眾多(如四邊形及三角形殼單元、膜單元、六面體厚殼單元、三維實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧?、安全帶單元、彈簧阻尼單元、平面?yīng)力及平面應(yīng)變單元、2D軸對(duì)稱單元等),各類單元又有多種理論算法供選用,這些單元基于Lagrangian表述,有一點(diǎn)積分、全階積分、選擇性降階積分等積分格式,對(duì)一點(diǎn)積分,還發(fā)展了粘性阻尼與剛度公式等用于解決零能量變形模式(即砂漏)的技術(shù)。此外,還有Eulerian六面體單元、Eulerian邊界單元及ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)六面體單元,可用于流固耦合問題分析。

LS-DYNA有100多種材料模型,如彈性、彈塑性、超彈性、泡沫、玻璃、地質(zhì)、混凝土、復(fù)合材料、炸藥及引爆燃燒、剛體等,還留有用戶自定義材料接口,并可考慮材料失效、損傷、各向異性、粘性、蠕變、溫度效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)等性質(zhì)。

LS-DYNA的接觸處理類型達(dá)20多種,可處理變形體之間的接觸、變形體與剛體的接觸、單一面接觸、粘接、流固接觸等接觸類型。接觸力的計(jì)算有罰參數(shù)法、軟約束法及基于接觸片的pinball方法,不論相互接觸界面的彈性模量是相近還是相距很大,都能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出接觸界面上的接觸力。還可以考慮接觸界面的摩擦特性,可用于汽車碰撞安全性研究、乘員與氣囊及安全帶的匹配研究、沖壓研究、水下爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)影響的研究等。同時(shí),LS-DYNA采用材料失效和浸蝕接觸(eroding contact)可進(jìn)行高速彈丸對(duì)靶板的穿甲研究。此外,還專門針對(duì)沖壓?jiǎn)栴},開發(fā)了不要求接觸界面連續(xù),對(duì)主接觸面網(wǎng)格形狀無特殊要求(可以全部為三角形單元)的成形專用接觸類型,即FORMIN GONE-WAY-SURFACE-TO-SURFACE,該接觸類型與向前自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法的聯(lián)合使用,不僅降低了對(duì)坯料初始網(wǎng)格尺寸的要求,而且使接觸搜尋采用單向搜尋時(shí)的可靠性得到進(jìn)一步提高,大大降低了計(jì)算費(fèi)用。

LS-DYNA的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)(Adaptive meshing),允許用戶劃分相對(duì)粗糙、大小均勻的網(wǎng)格作為變形體(如沖壓中的坯料)的初始網(wǎng)格,在分析中,LS-DYNA能根據(jù)需要自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格尺寸。

LS-DYNA還可以直接讀入CAD表面,目前也支持VDA及IGES格式。

LS-DYNA可以在大多數(shù)MPP計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行,可以將計(jì)算任務(wù)分配給多個(gè)CPU同時(shí)進(jìn)行處理。同時(shí),LS-DYNA在微機(jī)上也能夠運(yùn)行,并能解決相當(dāng)復(fù)雜的分析問題。

LS-DYNA的最大特色也許就在于將LS-DYNA3D與LS-NIKE3D的完整融合。LS-NIKE3D也是Hallquist J 0博士主持開發(fā)的,它與LS-DYNA3D的區(qū)別就在于它是用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件的隱式方法,而LS-DYNA3D則是用于瞬態(tài)大變形載荷條件下的顯式方法。這兩個(gè)軟件的完整融合,使LS-DYNA成為目前世界上功能最強(qiáng)大的軟件,不論是單個(gè)的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)、流體、固體、氣體、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)問題,還是它們的耦合問題,LS-DYNA都能給出滿意的答案。

從宏觀上看,動(dòng)態(tài)顯式有限元方法已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)非常完美的境界;但仔細(xì)推敲卻會(huì)發(fā)現(xiàn),受以往專業(yè)劃分的制約,應(yīng)用動(dòng)態(tài)顯式有限元方法進(jìn)行汽車碰撞分析仍然存在一些問題。

3 汽車碰撞CAE技術(shù)中存在的問題

3.1殼單元公式中存在的問題

3.1.1單元的畸變問題

在汽車碰撞分析過程中,對(duì)那些需要計(jì)算應(yīng)力與應(yīng)變的單元,單元的形狀非常重要,一般而言,除非單元扭曲具有明顯的優(yōu)點(diǎn),否則采用沒有扭曲的等參元通常是最好的。例如,矩形元應(yīng)該是“真正的矩形”,即單元內(nèi)角都是直角、單元的每一邊都是直邊。在這種情況下,自然坐標(biāo)系和實(shí)際坐標(biāo)系之間的雅可比算子是常元素的對(duì)角矩陣,因此不影響應(yīng)變插值的階。同時(shí),目前的單元公式雖然能夠包容一定的扭曲,但這種包容是十分有限的。一般情況下,單元的尺寸應(yīng)控制在如下范圍內(nèi)才能獲得可靠的計(jì)算結(jié)果:①單元長(zhǎng)寬比≤10;②單元內(nèi)角≥30°;③單元翹曲角≤20°。

扭曲的單元對(duì)分析結(jié)果精度的影響,在很大程度上與所研究的問題及所選用的單元有關(guān)。雖然我們不希望出現(xiàn)扭曲單元,但實(shí)際上這是不可避免的。如邊界與過渡區(qū)域的單元就是這種情況,而對(duì)汽車碰撞類大變形問題而言,雖然零件(指可變形零件)的初始網(wǎng)格可能是理想的網(wǎng)格形狀,但在碰撞過程中這些網(wǎng)格也會(huì)出現(xiàn)大扭曲等畸變現(xiàn)象。如果要求在這些區(qū)域中的分析結(jié)果也非常精確,則必須提高網(wǎng)格密度,用大量的單元來建立這些區(qū)域的模型,以彌補(bǔ)扭曲單元給有限元分析結(jié)果帶來的損失。

雖然從理論上說,一個(gè)區(qū)域內(nèi)的扭曲單元對(duì)其它區(qū)域分析結(jié)果的影響,由圣維南原理可知,這種影響在這些扭曲單元“合適”距離以外應(yīng)該是很小的,這個(gè)“合適”的距離,通常與所研究的問題及采用的單元和網(wǎng)格形狀有關(guān),但只有與一個(gè)更精確的解進(jìn)行比較以后,才能確定實(shí)際的影響。在汽車碰撞問題中,結(jié)構(gòu)的塑性變形吸能是確保汽車安全性能的重要手段,吸能構(gòu)件在吸能過程中將出現(xiàn)大量的折疊區(qū)域,折疊區(qū)域存在大量嚴(yán)重扭曲的單元,雖然折疊區(qū)域的這些單元扭曲不會(huì)明顯影響“合適”距離以外區(qū)域內(nèi)的分析結(jié)果,但正是這些折疊區(qū)域的模擬決定了整個(gè)分析結(jié)果的可靠性,因?yàn)槠嚊_擊動(dòng)能的約70%就是由這些折疊區(qū)域來吸收的

細(xì)化網(wǎng)格是獲得更可靠結(jié)果的重要途徑,因?yàn)榫W(wǎng)格細(xì)化后就能夠?qū)卧某叽缈刂圃谏鲜鰵卧揭蟮姆秶鷥?nèi)。

自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)是細(xì)化網(wǎng)格的最有效手段,已經(jīng)在汽車覆蓋件沖壓成形分析中得到廣泛應(yīng)用,但該方法卻不適合于汽車碰撞分析,因?yàn)樵跊_壓分析中,坯料是典型的大變形構(gòu)件,因此,坯料必須采用精細(xì)的網(wǎng)格模型,而且單元形狀必須盡量采用“真正的矩形”形狀,至少要保證盡量采用四邊形單元。相反,模具的變形要小得多,但模具的形狀卻是非常復(fù)雜的,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,模具通常作為剛體處理(即采用剛體材料模型)。由于在有限元分析中,剛體不存在應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算,且剛體網(wǎng)格尺寸的大小也不參與CAE分析過程中臨界時(shí)間積分步長(zhǎng)的確定,即模具網(wǎng)格的細(xì)化,不會(huì)影響系統(tǒng)的臨界時(shí)間積分步長(zhǎng),因此,細(xì)化模具網(wǎng)格幾乎不會(huì)影響沖壓成形分析過程對(duì)CPU的要求。因此,模具網(wǎng)格的中心內(nèi)容是如何精確模擬模具的幾何形狀?？傊?模具采用細(xì)密的網(wǎng)格,不會(huì)因影響系統(tǒng)臨界時(shí)間積分步長(zhǎng)而增加計(jì)算費(fèi)用,卻可以大大提高模型的精度。即:既可以獲得更接近模具真實(shí)幾何形狀的模具有限元模型,又可以使模具的網(wǎng)格尺寸接近坯料網(wǎng)格的尺寸(因?yàn)榕髁鲜谴笞冃瘟慵?其單元尺寸細(xì)化能夠提高計(jì)算結(jié)果的精度,故坯料網(wǎng)格尺寸通常都是非常小的),使接觸力的分布更加精確。因此,模具網(wǎng)格可以在計(jì)算初期即劃分得非常細(xì)密,在計(jì)算過程中,只需對(duì)坯料使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù),而不必理睬模具單元的情況。

這樣,計(jì)算過程中雖然沖壓系統(tǒng)中單元的數(shù)目在不斷增加,但實(shí)際上只有坯料上的單元在增加,增加的單元數(shù)目不會(huì)十分龐大。

在汽車碰撞分析中卻不同,此時(shí)參與變形的零件數(shù)量很多,如果應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù),就會(huì)顯著增加碰撞系統(tǒng)中的單元數(shù)目,使本來就需要大量CPU時(shí)間的分析過程變得更加難以接受。

可見,如何處理碰撞中單元發(fā)生畸變的問題,將是一個(gè)不容忽視的研究?jī)?nèi)容。

3.1.2復(fù)雜模型中單元積分的階

在汽車碰撞分析中,使用高階積分不僅增加分析成本,而且雖然計(jì)算結(jié)果能夠滿足收斂性準(zhǔn)則,但由有限元分析的位移公式只能給出所研究問題的“精確”應(yīng)變能的一個(gè)下界,即從物理概念上說,位移公式將導(dǎo)致偏高的系統(tǒng)剛度。因此,實(shí)際上只要數(shù)值積分中的誤差能夠適當(dāng)補(bǔ)償由于有限元離散化所導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的過高估計(jì),則用數(shù)值積分不太精確地計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚲湍軌虻玫捷^好的結(jié)果。換言之,采用比精確計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃囁蟮碾A更低的數(shù)值積分的階,在許多情況下會(huì)使計(jì)算結(jié)果得到改善。當(dāng)然,除了采用降階積分的辦法外,采用選擇性降階積分,即用不同的積分階來積分不同的應(yīng)變項(xiàng)也是很有利的。

而使用過低的積分階,則可能使積分結(jié)果很不精確,實(shí)際上不可能得到問題的解。例如,在隱式有限元分析中,計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚂r(shí),如果積分的階太低,則矩陣零特征值的個(gè)數(shù)會(huì)多于實(shí)際剛體位移的個(gè)數(shù),即出現(xiàn)所謂的零能量變形模式,也稱砂漏。因此,為了得到一個(gè)單元集合平衡微分方程組的成功解,就必須適當(dāng)約束有限元集合中對(duì)應(yīng)于所有零特征值的變形模式,即必須應(yīng)用所謂的砂漏控制技術(shù),不然的話,結(jié)構(gòu)剛度矩陣將會(huì)是奇異的?？傊?如果計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚨姆e分階降低到不能包括全部位移模式的話,則單元矩陣的秩就會(huì)小于精確計(jì)算時(shí)的秩。而如果在單元集合中沒有給單元以足夠的剛度約束,就會(huì)引起求解困難,即單元集合的總剛度矩陣常常是病態(tài)的,并且可能是奇異的。雖然已經(jīng)發(fā)展了一些砂漏控制技術(shù),能夠在一定程度和范圍內(nèi)保證解的不穩(wěn)定性不會(huì)進(jìn)一步發(fā)展,但對(duì)復(fù)雜的邊界條件和用不同類型單元建立的有限元模型的實(shí)際分析中,這些砂漏控制技術(shù)的功效仍然是很有限的。

一般而言,收斂性所要求數(shù)值積分的最低階就是無誤差地計(jì)算該單元體積所用的階,但必須謹(jǐn)慎地運(yùn)用這一規(guī)則。例如,在3節(jié)點(diǎn)桁架單元的公式中,用一點(diǎn)高斯積分就可以精確地求出體積,但在剛度矩陣的計(jì)算中,如果采用一點(diǎn)高斯積分,則對(duì)應(yīng)于單元中央節(jié)點(diǎn)的自由度的行和列均為零向量,從而可能使結(jié)構(gòu)剛度矩陣成為奇異的。

綜上所述,運(yùn)用降階積分和選擇性降階積分時(shí),對(duì)任一種具體的積分格式主要應(yīng)滿足兩個(gè)條件:①單元不含有任何偽零能模式(即單元?jiǎng)偠染仃嚨闹炔荒苄∮诰_計(jì)算的秩);②單元含有要求的常應(yīng)變狀態(tài)。條件①保證了有限元方程的求解過程得以完成,且在解中不產(chǎn)生假機(jī)構(gòu);如果也滿足條件②,則滿足了完備性條件,此時(shí),收斂是意料中的事。因此,要獲得可靠的有限元分析結(jié)果,通常應(yīng)該滿足上述兩個(gè)條件。對(duì)具有豐富計(jì)算經(jīng)驗(yàn)或擁有大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果做依托的研究人員,使用不滿足上述條件的降階積分或選擇性降階積分格式有時(shí)也可獲取可靠的有限元分析結(jié)果,但必須特別謹(jǐn)慎?？梢赃@么說,在實(shí)際分析中,如果采用選定的積分階卻不能得到合適的剛度矩陣,則意味著所選的積分階太低了。

對(duì)于單元力向量,采用與計(jì)算剛度矩陣相同的積分格式和積分階通常是一個(gè)很好的辦法。但在計(jì)算單元質(zhì)量矩陣時(shí)應(yīng)注意,對(duì)集中質(zhì)量矩陣,只需正確算出單元的體積,而對(duì)一致質(zhì)量矩陣,則通常需要一個(gè)比計(jì)算剛度矩陣更高階的積分。

可見,單元積分的階,特別是一個(gè)模型中包括不同類型的單元時(shí),單元積分階的選擇仍然十分重要,因?yàn)閷?duì)復(fù)雜的邊界條件和用不同類型單元建立的有限元模型進(jìn)行分析時(shí),一旦出現(xiàn)砂漏現(xiàn)象,那么目前的砂漏控制技術(shù)就有可能起不了什么作用。

3.2材料模型中存在的問題

3.2.1材料的開裂準(zhǔn)則問題

在汽車碰撞中,目前關(guān)于材料開裂的問題,只有CDM(Continium Damage Mechanics)模型中進(jìn)行了考慮,是從積累損傷塑性應(yīng)變(damage accumulated plastic strain)的角度提出的,它利用等效塑性應(yīng)變并獲得用于判斷材料是否開裂的損傷值,然后比較該損傷值是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的臨界損傷值(Criticaldamage value)。該方法不僅相當(dāng)麻煩,而且從沖壓成形的實(shí)際情況來看,采用此方法判斷材料的開裂與否并不合適。因?yàn)殚L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明,在沖壓過程中,材料的開裂與否只與平面內(nèi)的兩個(gè)應(yīng)變?cè)诓牧铣尚螛O限圖(FLD)中的位置有關(guān),而與這兩個(gè)應(yīng)變的等效塑性應(yīng)變的大小無關(guān),只要這兩個(gè)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的位置位于FLD的開裂曲線之下方,則不論其等效塑性應(yīng)變有多大,材料也不會(huì)開裂;相反,只要這兩個(gè)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的位置位于FLD的開裂曲線之上方,則不論其等效塑性應(yīng)變有多小,材料照樣開裂。

在目前的材料模型中,雖然有一些帶FLD的材料模型,但這些材料模型并不適用于實(shí)體及梁。而材料一旦開裂,就會(huì)影響碰撞過程中的接觸狀況,從而影響碰撞的結(jié)果。顯然,在材料模型中如何正確考慮材料的開裂準(zhǔn)則是一個(gè)非常重要的研究課題,尤其是提出一種既適用于薄板也適用于實(shí)體及梁開裂的準(zhǔn)則,不僅十分重要,而且迫在眉睫。

3.2.2沖壓成形過程對(duì)材料性能的影響問題

材料經(jīng)沖壓成形后,不僅使厚度變得不均勻,而且使同一零件上不同部位的材料經(jīng)歷了不同程度的塑性變形(即不同部位的材料經(jīng)歷了不同程度的塑性硬化),雖然由此而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐步消失,但零件上不同部位的塑性硬化使不同部位的材料具備了不同的力學(xué)性能,且不同部位所允許的繼續(xù)變形能力也受到不同程度的限制。

顯然,材料沖壓前的力學(xué)性能及可變形能力與沖壓后是不同的,即汽車碰撞過程中材料具有的性能可能與沖壓過程中的性能不同,于是就存在兩個(gè)問題,其一是那些用于沖壓前的材料模型是否仍然適用于沖壓后的材料;其二是如果那些適用于沖壓前的材料模型不再適用于沖壓后的材料,應(yīng)如何在材料模型中正確考慮沖壓后材料的力學(xué)性能、可繼續(xù)變形能力對(duì)屈服準(zhǔn)則及硬化模型的影響。這些問題實(shí)際上對(duì)汽車碰撞分析中材料模型的可靠性提出了挑戰(zhàn)。

4 結(jié)語

汽車碰撞CAE技術(shù)與汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù),具有相同的理論基礎(chǔ),但又是兩個(gè)完全不同的專業(yè)領(lǐng)域。受專業(yè)劃分的制約,對(duì)碰撞與沖壓的研究往往不能協(xié)調(diào)發(fā)展,即使是同一個(gè)分析軟件,受軟件研制人員本身專業(yè)知識(shí)的限制,也難以將兩者有機(jī)地整合起來。作者在鐘志華教授的指導(dǎo)下,幸運(yùn)地涉足了這兩個(gè)領(lǐng)域,發(fā)現(xiàn)了其中的一些問題,并借此文予以披露,希望這些問題能夠早日為人們所克服,以利進(jìn)一步提高汽車碰撞CAE技術(shù)的水平。

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