基于ADAMS的车身碰撞简化模型研究

娄臻亮，曹广军，谢旭海，冯晓龙

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

1 引言

车身结构设计过程中，要同时满足多学科如NVH、空气动力学等性能要求［1-2］。而结构耐撞性受限于计算资源等问题，更多是在其他多目标优化工作基本完成后才考虑，使车身耐撞性设计只能在后期针对局部结构进行修改和调整，导致设计的自由度小、成本高。因此，开发用在整车早期设计阶段，能够快速分析和修改设计的高精度、高计算效率和稳健性好，并适用于碰撞工况的仿真简化模型，对汽车结构设计具有重要意义［3-7］。

基于传统整车多体简化模型建模理论和多体离散理论，基于MSC ADAMS软件平台，采用绝对节点坐标算法和非线性元件替换方法，建立了整车多体简化模型。通过与经实验验证的有限元精细模型在正碰工况下进行对标，验证了简化模型的精度、简化模型建模方法的正确性和有效性。最后，通过在正碰工况下的对标，进一步验证了简化模型求解的稳健性。

2 多体动力学理论与建模方法

2.1 多体动力学理论

多体动力学是虚拟样机技术的核心理论，也是多体动力学建模仿真软件平台的开发设计基础［8-11］。多体动力学描述构件时，引入了全局坐标系和局部坐标系.全局坐标系可以看作是固定在大地上的，主要用于描述刚体的形状、位置和相对其他构件的距离等信息；而局部坐标系是建立在部件上的，随构件运动的，用于描述构件的受力和约束.对于刚体构件，选用质心为原点的局部坐标，引入质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角组成构件广义坐标，如式(1)、式(2)所示。

式中：qi—第i号刚体的广义坐标；x，y，z—位置坐标；ψ，θ，φ—x，y，z三个方向上的方位角；q—系统广义坐标矩阵.由此可得：

式中：T—系统动能；qj—广义坐标(j=1，2，3，…6)；Qj—对应的qj方向上的广义力，方程(3)最后一项涉及约束方程和拉格朗日乘子，表达了qj方向的约束反力。

2.2 多体建模方法

在多体系统建模过程中，主要通过采用各种形式的铰连接多体的方式，实现对各构件的运动约束.面向碰撞工况的传统整车多体简化模型则主要采用刚体与塑性铰等元素进行模型构建。但该方法仍然存在建模过程中数据处理量大，仿真结果精度低等问题.针对这些问题，结合传统整车多体简化建模思想，综合利用了多刚体离散法、基于绝对节点坐标算法的FE Part建模方法，以及非线性弹性元件替换法等多种建模方法进行碰撞简化模型构建.同时对模型进行了合理简化，保证了碰撞简化模型的仿真精度、求解效率和数值稳健性。

3 整车碰撞简化模型

基于ADAMS软件平台，采用刚柔耦合方法开发整车简化模型。以板梁结构相结合、柔性体和刚性体相结合的整体思路进行整车建模，代替通常采用的有限元模型进行碰撞仿真计算，以实现提高计算效率的目的。文中以某款车为建模对象及对标车型。为实现简化建模，首先将复杂的整车结构简化分解为四部分，根据各部分结构特点，利用ADAMS软件建立相应简化模型如下：

3.1 框架梁结构建模

采用ADAMS提供的离散梁单元对框架梁结构建模。根据相应位置梁截面属性确定离散梁各段柔性连接力的相关属性，如等效截面面积、切变模量和弹性模量等，使离散梁模型结构特性逼近实车结构特性。这里分别采用空心圆形和空心矩形两种截面的离散梁单元建立框架梁结构模型，不同离散梁之间采用刚体耦合方法连接，不考虑梁在碰撞中的断裂，采用离散梁单元建立的整车框架梁结构，如图1所示。

图1 基于离散梁方法建立的整车框架结构Fig.1 Frame Structure Model of Car Based on Discrete Beam Modeling Method

3.2 板材结构建模

根据整车碰撞工况中车身板壳件的变形特点，采用基于绝对节点坐标算法的FE Part建模方法对车身板材结构建模.通过定义FE Part截面形状、板厚，以及材料泊松比、弹性模量、密度和阻尼比等参数，模拟板材的几何大变形，建立完成的整车板材结构简化模型，如图2所示。

图2 基于FE Part方法建立的整车板材结构模型Fig.2 Covering Parts Model Base on FE Part Method

3.3 刚性结构建模

在汽车碰撞过程中，发动机、变速箱和传动轴等部件刚性较大，变形很小，可在碰撞仿真中作为刚体处理，因此，直接采用ADAMS提供的多刚体建模方法对上述刚性部件建模。将发动机和变速箱简化为矩形刚体块，其他刚性部件简化为质量点，并赋予相应的质量和转动惯量参数。最后，通过调整刚性结构位置和方向使得整车重心位置与实车保持一致，进一步提高模型的准确性.建立完成的刚性部件碰撞简化模型，如图3所示。

图3 刚性部件碰撞简化建模Fig.3 Rigid Parts’s Modeling

3.4 其他弹性结构建模

对于吸能盒等其他弹性体结构，采用非线性弹簧元件简化建模。通过有限元仿真实验提取吸能盒在碰撞中的碰撞力和变形关系曲线，赋予非线性弹簧元件，使其能精确模拟吸能盒在碰撞过程中的溃缩响应。轮胎在汽车碰撞中具有重要的缓冲吸能作用.在简化模型中，采用ADAMS提供的UA轮胎模型模拟轮胎的变形吸能响应.根据对标车型轮胎的具体参数设置UA模型参数，包括轮胎半径、扁平比、胎宽、径向阻尼和刚度等.轮胎与车架主体部分采用旋转铰约束。保险杠一般为弧形梁或直梁结构，其在正面碰撞中，直接接触障碍物，变形较大，故采用FE Part建模方法来模拟其在碰撞中的非线性变形。完成各部分简化建模后，在ADAMS中建立的整车多体碰撞简化模型，如图4所示。

图4 整车多体碰撞仿真简化模型Fig.4 The Simplified Multi-Body Car Model for Crash Simulation

4 碰撞仿真与对标

为验证多体碰撞简化模型建模方法的准确性和有效性，需要将简化模型仿真结果与实验结果对标，但考虑到实车实验成本过高，不可重复等因素，采用间接对标方法.首先，完成有限元精细模型仿真结果与实验结果对标，然后将简化模型与有限元精细模型仿真结果对标，最后验证简化模型的有效性和稳健性.简化模型与有限元精细模型对标工况根据C-NCAP测试要求设定为50km/h初速度100%正面撞击刚性墙，仿真时长设定为150ms.根据经验，车身B柱加速度可在很大程度上反映乘员所经受的加速度载荷；另外，整车动能变化可以反映碰撞过程中的能量转化速度，二者均与乘员碰撞伤害程度密切相关，因此，将二者作为输出参量进行对标验证。

4.1 有限元模型仿真与对标

基于LS-DYNA软件平台上完成正碰过程有限元仿真计算有限元方法建立整车精细模型，如图5所示。模型共包括283，859个节点和270，768个单元。由于建立的有限元模型为NCAP测试车型，故设定NCAP正面测试碰撞工况进行仿真实验，与试验结果对标。定义车辆初速度为56km/h，即15.556m/s，100%正面撞击前方刚性壁障。仿真和实验结果分别，如图6、图7所示。

图5 正碰工况中的有限元精细模型Fig.5 The FE Model under Frontal Crash Simulation

图6 有限元模型仿真结果Fig.6 Simulation Result of the FE model

图7 NCAP实验结果Fig.7 Test Result from NCAP

由结果可以看出，仿真中整车变形模式与实验高度吻合。

图8 有限元模型整车质心加速度与实验结果对比Fig.8 Comparison of the Car’s Acceleration Between Text and Simulation

图9 有限元模型整车动能与实验结果对比Fig.9 Comparison of the Car’s Kinetic Energy Between Text and Simulation

与试验方法保持一致，仿真分析中在整车B柱与门槛连接位置(碰撞变形较小)设置传感器测量整车质心速度与加速度。有限元模型整车质心加速度及动能变化与试验结果对比，如图8、图9所示。通过有限元仿真结果与实验结果对比可以看出，仿真结果与实验结果在碰撞变形方面具有高度的近似性。并且二者在整车质心加速度变化和整车动能变化方面也具有一致性，表明有限元模型仿真具有可靠性及准确性。

4.2 简化模型对标

多体简化模型仿真结果与有限元精细模型仿真结果对比，如图10、图11所示。由图10可以看出，简化模型与有限元模型仿真得到的B柱加速度随时间变化趋势完全一致，最大值接近，主要峰值出现时刻一致，对标良好。图11表明在整车动能变化方面简化模型与有限元模型预测结果也基本一致.在有限元模型中，由于完整地考虑了各种材料的弹塑性、阻尼、应变率等因素，并且详细定义了界面的接触和摩擦吸能特性，使得整车动能变化曲线较为平顺，且最后阶段基本不存在“回弹效应”，与汽车碰撞时动能变化的真实情形更为一致.与有限元模型不同，多体简化模型中主要采用弹性体单元，在变形过程中回弹较为明显，使得整车动能在最后时刻有一定量的回升.从整体上看，简化模型得到的整车最终动能与有限元模型预测值的误差控制在5%以内，表明简化模型具有较高的仿真精度。

图10 50km/h正碰下多体模型与有限元模型的B柱加速度对比Fig.10 Comparation of B pillar’s Acceleration Between the Mutibody Model and FE Model(50km/h)

图11 50km/h正碰下多体模型与有限元模型的整车动能对比Fig.11 Comparation of Car’s Kinetic Energy Between the Mutibody Model and FE Model(50km/h)

5 简化模型与有限元模型建模及计算效率对比

表1对比了用于碰撞仿真的有限元精细模型和多体简化模型相关信息。可以看出，与有限元精细模型相比，多体简化模型避免了数量众多的单元与节点划分等耗时工作，建模时间不到有限元建模时间的六分之一。更为重要的是，多体简化模型的仿真求解时间大大缩短，计算成本明显降低。以文中的正面碰撞仿真为例，有限元精细模型和多体简化模型仿真计算分别用时约16.2h和5min，后者为前者的0.5%，多体碰撞仿真简化模型的高效性使得碰撞安全性被纳入车身多目标优化设计框架中成为可能。

表1 正碰工况下有限元精细模型与多体简化模型对比Tab.1 Comparison between the simplified multibody model and the integrated FE model

6 结论

(1)针对由于有限元精细模型仿真时间过长而无法将碰撞安全性纳入车身多目标优化设计框架这一技术难题，开发出了一种基于多体动力学理论和MSC ADAMS软件平台的整车刚柔耦合碰撞仿真简化模型建模方法。

(2)将建立的简化模型和已完成与实验对标的有限元精细模型仿真结果对标，整车动能变化与B柱加速度等指标误差在5%以内，验证了简化模型的精确性。

(3)简化模型相对有限元精细模型建模时间缩短80%以上，求解时间由16.2h缩短为5min。基于简化模型方法可以实现整车开发早期的快速设计与优化。