基于ansys-ls-dyna的护栏冲击模拟分析精度研究

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1、万方数据振动与冲击第27卷第4期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVol，”No．42008基于ANSYS／LS—DYNA的护栏冲击模拟分析精度研究张鹏，周德源(同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092)摘要：借助ANSYS／IS—DYNA程序从网格密度、壳单元厚度方向的积分点个数、单元公式、接触类型、沙漏控制等五个方面，对碰撞模拟计算的精度和效率进行了探讨，得出主要结论为：①加密网格、增加壳单元沿厚度方向积分点的个数可以有效评估和提高计算精度，时间成本以N／l、积分点个数的幂函数方式增加；②B—T公式和H—L公式计算结果相差不大，B—w—c公式的

2、计算结果用于指导设计是偏于安全的，计算效率按由低到高的顺序排列为H—L、B—T、B—w—C；③单面接触(AsSc)计算精度相对较高，可以作为接触类型计算结果的参考标准；通过合理设定主、从接触面，采用单向接触类型，可以提高计算效率，并提出了主从接触面的设定原则，结合理论与实践经验给出了相应的解释。关键词t护栏；冲击；分析精度；计算效率；有限单元法；ANSYS；IS—DYNA中图分类号：0242．21。U417．1+2文献标识码：A目前汽车一护栏碰撞安全性能的研究主要有两种方法：实车碰撞试验和数值模拟¨．2J。尽管实车碰撞试验被公认为综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的

3、方法，然而实车碰撞试验费用高昂，由于碰撞过程涉及的因素(碰撞速度、碰撞角度等)较多，为了对碰撞过程进行全面研究，需要进行多次试验，研究往往要受到经济条件的限制。相比之下，数值模拟在时间和经济方面的优势就非常明显。碰撞是一个瞬态的大位移和大变形过程，涉及几何、材料、接触状态等多重非线性，大型复杂结构碰撞过程的模拟计算往往需要耗费很长的机时，如何确保模拟精度(特别是无试验数据比较的情况下的模拟精度)和提高计算效率成为一个值得研究的问题。LS—DYNA程序中，提供了大量的可控变量(如接触类型、单元公式)，ANSYS的参数化语言APDL可以方便地对这些变量进行设定，这些都为工程技

4、术人员评估和提高计算精度与计算效率提供了便利条件。鉴于已有的有限元理论，有限元计算结果精度可以通过以下四种方法进行评估：1)不同的网格形式和不同网格密度的计算结果比较‘3·41；2)同类单元采用不同单元计算公式的计算结果比较：3)非线性问题梁、壳单元厚度方向取不同积分点个数、整体计算采用不同时间步长的计算结果比较；4)采用不同计算控制参数(如沙漏模式、接触类型等)的计算结果比较¨1；本文结合波形梁护栏的冲击数值试验，通过上述基金项目：国家自然科学基金项目(50538050)收稿日期：2007一07—20修改稿收到日期：2007—08—31第一作者张鹏男，博士生，1979年

5、生几种评估手段着重探讨以下两方面的问题：1)在数值分析的范围内，评估和提高计算精度的方法；2)模拟精度和计算效率的平衡问题，即如何在确保模拟精度的条件下尽可能提高计算效率。计算所用计算机主要性能指标：①CPU—IntelPentium4，主频3．0GHz；②内存1GB。1有限元模型描述本文建立的3跨波形梁护栏一冲击块有限元模型如图1所示，跨度为4m。护栏波形梁和立柱的几何尺寸参照规范m1规定，其截面厚度分别为3mm、5mm，详细尺寸见图2，冲击块x,y、彳向的几何尺寸为0．4m×0．2m×0．4m，质量约为2．5t，与一小型轿车质量相当。波形梁、立柱和冲击块材料均采用Q2

6、35结构钢，其主要力学性能参数见表1，真实应力应变曲线如图3。所示。表1材料力学性能参数碰撞过程材料应变变化速率较大，这将对弹塑性材料的硬化行为产生较大影响，本文采用Cowper·Sy-moils模型来考虑材料的塑性应变率效应。其屈服应力值按下式进行确定‘71：盯，(易，易)：盯，(如)【1+(鲁)专】(1)万方数据振动与冲击2008年第27卷图l护栏一撞击块有限元模型复苫穴倒塑性应变图3Q235应力塑性应变曲线)s罗l一≈图4撞击力时程曲线式中：盯，(如。毒台)——考虑应变率影响的屈服应力；如，或广一等效塑性应变和等效塑性应变率；盯，(如)——不考虑应变率影响的屈服应力

7、；C，P—C唧er—Symons应变率参数。对于钢材，可分别取C=40，P=5。撞击块初速度取为56km／h(15．65m／s)。考虑撞击过程中阻尼的影响，按Rayleigh阻尼设定材料刚度阻尼系数为0．01【BJ。2LS—DYNA有限元计算2．1网格形式与密度根据有限元计算误差分析，应力的误差与单元的尺寸成正比，位移的误差与单元尺寸的平方成正比，可见单元划分得越小，计算结果越精确⋯。但在另一方面，单元越多，计算时间越长，要求的计算机容量也越大。LS—DYNA的显式分析求解器采用对时间的中心差分算法，这种算法是条件稳定的。为保