整车碰撞仿真分析建模的难点和痛点有哪些

在这8节课里面，我的讲课内容从整车碰撞建模要求到白车身等各个总成，从焊点焊缝的处理要求到铰链建模的难点，从车门包边的处理方法到轮胎建模的示范等。通过整车碰撞仿真系列课，我们希望学员能够从整体到细节了解掌握整车碰撞仿真建模的每一个步骤，在以后工作的日子里，能够学以致用。

在接下来的日子里，整车碰撞仿真系列课还有12节课在每周三晚19:00会和大家一一见面。后面这12节课我们会从各大总成建模方法到整车建模组装，从碰撞的常用关键字到关键的截面处理、加速度定义，从全宽正碰建模要求到偏置碰及侧碰的建模要求，以及碰撞后的结果解读给大家进行详细讲解。

借助仿真秀这个学习平台，我们也很期待和大家能够在一起共同探讨整车碰撞仿真建模的难点和痛点。

二、整车碰撞仿真建模难点

整车碰撞模型涉及到总成部件较多，比如白车身，开闭件（前后车门、尾门和前发动机盖板），动力总成、前后悬架、转向系统、仪表板横梁、踏板机构、冷却系统、轮胎、燃油箱、座椅、玻璃以及部分内外饰等。连接关系比较复杂且连接形式多样，比如有焊点焊缝连接，有弹簧连接，也有铰链连接。同时整车碰撞还要考虑材料的非线性。因此，整车碰撞仿真建模的难点比较多，正所谓：难者不会，会者不难，下面我们简单地和大家聊聊碰撞建模过程中一些会遇到的难点问题。

1、包边的处理难点

包边主要存在车门的内外板之间、发动机舱内外盖板之间。常见的包边模型处理方式有2种。

第一种为：包边区域以不同于内外蒙皮厚度的单元组表示，简化方式如下图1所示，包边部分采用1排单元模拟。该层/组的单元厚度为T=2×T1（外板厚度）+T2（内板厚度）。

第二种为：外板的包边部分必须单独分出来，厚度为外板厚度的2倍，内板包边部分可以单独分出来，也可以不分。但内外板的包边部分节点必须一一对应，用刚性单元连接。

图 2‑1  包边的处理方式1

图 2‑2  包边的处理方式2

其实包边处理难点更多是体现在模型的工作量较大，对几何模型正确的认知可以大大减少建模的难度。

2、焊点焊缝的处理难点

焊点焊缝主要存在于白车身以及底盘拼焊部件处，而且焊点多而繁杂，不同的焊接部件，不同的焊接层数（二层焊还是三层焊），不同的焊接直径等等。可以说焊点焊缝是整车碰撞模型中最重要的一种连接方式。其不同的处理方法会对碰撞结果产生明显的影响。

在讲课中，我们详细地对比了焊点三种常见类型：刚性梁模型、可变性梁模型和实体模型，同时对这三种模型根据其建模难易、计算时间、压溃变形以及加速度拟合精度上进行对比分析。

相比于焊点而言，焊缝的处理相对简单一些，更多的工作是对处理后的模型进行网格质量检查调整。

3、轮胎的建模难点

轮胎不仅是整车的重要组成部件，同时也是唯一一个和地面发生接触的部件。由于轮胎的材料特性和结构特性，同时要考虑胎内空腔气体的气压作用，轮胎的模拟精度对整车仿真结果性能起着一定的影响，尤其是对偏置碰撞而言，这是因为在偏置碰撞中，轮胎可能会与可变性壁障发生接触，缓冲冲击，吸收碰撞时的动能。

4、铰链的建模难点

铰链的建模一直都是整车碰撞CAE建模工程师的头痛的地方，这因为是整车碰撞建模过程中遇到的铰链比较多，而且铰链类型也不是单一的，这就要求整车碰撞CAE建模工程师不仅仅要掌握铰链的建模方法，还要将整车模型铰链处的几何模型转换成整车碰撞模型中的CAE铰链模型。

整车碰撞建模中常见的铰链模型主要有球铰、转动副、万向节及柱铰等。

图 2‑9  球铰在底盘上的分布位置

图 2‑10  球铰和万向节单元的处理方法

5、前后悬架的建模难点

在整车碰撞建模中，前后悬架系统建模一直都是一个难点。因为前后悬架在整车碰撞过程中传递各个方向的力和力矩，对碰撞结果有很大的影响。

了解前后悬架的结构、连接方式、各部件之间的相互关系对于整车碰撞建模CAE工程师完成精确的模型是必不可少的，可以适当对系统进行简化，保留主要部件和主要特征，以减少单元数量，提高计算效率。

图 2‑11   前悬架系统的几何模型和有限元模型

图 2‑12   后悬架系统的几何模型和有限元模型

6、转向管柱的压溃建模难点

吸能式转向柱是指除了能满足转向柱常规的功能外，在汽车发生正面碰撞时，能够有效的吸收碰撞能量，防止或减少碰撞能量伤害驾驶员的转向管柱。目前大多数方向盘转向管柱在挤压中都会发生压溃，大多都会做转向管柱的压溃试验，测量得到压溃力-位移曲线，将该曲线用于*MAT_SPRING_INELASTIC中，即LCFD为弹簧的压溃曲线。

转向管柱压溃采用弹簧discrete单元模拟，弹簧的方向与轴的方向一致；采用柱铰定义管柱运动副。

图 2‑13  转向系统几何模型和有限元模型

以上只是我们给大家简单介绍了整车碰撞建模过程中遇到的一些难点问题，这些难点问题已经在前期的课程中给大家进行详细讲解。有需要详细了解的可以参阅我们仿真秀官网上发布的相关课程《一套新手自学整车碰撞仿真分析的奥秘》。

当然我们还会遇到各种各样的难点问题，比如加速度单元如何设置、截面的定义、碰撞台车的位置调整、碰撞结果（变形和加速度）的解读等等不一而足。还是那句话，难者不会，会者不难，但愿我们整车碰撞仿真系列课能够将你的这些难点问题都能一一解决。

以上聊完了难点问题，下面我们在来聊聊整车碰撞仿真建模的痛点。

二、整车碰撞仿真建模的痛点

痛点1——缺少材料参数及应力应变曲线

有个成语说的很好，“巧妇难为无米之炊”，其实对我们CAE仿真工程师来说也是一样。我们做仿真分析需要大量的输入，包括三维几何模型、材料参数、工况受力情况等等。

一般来说，三维几何模型输入基本都会有。材料参数尤其材料的应力应变曲线等让设计人员提供基本没戏，网上费力的搜索也仅能查到一些简单的弹性模量、泊松比、密度、屈服强度和抗拉强度等一般参数，要想找到一条完整的静态应力应变曲线我看比登天还难，更不要说动态的应力应变曲线了。纵然天从人愿，网上找到一条应力应变曲线，但可信度多大，能不能完整反映你想要的还要打一个很大的问号！

但我们所面对的老板（或领导）大多也都一样，只关注结果，不会关注过程。交给你的仿真分析任务能不能按时完成，仿真分析结果能不能对设计提供合理的改进建议。至于输入内容有没有，输入内容全不全完全不在他的考虑范围内。

作为一名CAE仿真工程师来说，想要一条能够反映材料特性的应力应变曲线的要求是合情合理的，因为只有这样才能让你的仿真分析结果更加接近实际状态，但你了解过做一条静态应力应变曲线拉伸试验的价格吗？更不要说考虑应变率的动态应力应变曲线了。

据我了解，目前做一条静态的应力应变曲线的费用大概是1万元人民币，也就是说一条曲线1万元，根据不同仿真模型，可能需要十几条甚至上百条的应力应变曲线，这个费用一般公司是很不愿意出的。

为了解决缺少材料参数及应力应变曲线的这个最大的痛点，我们整个系列课会给大家免费提供一套完整的材料参数，这套材料参数基本上包括了市面上常见的一些材料，比如DC01、DC03、B250P1、HC420_780DP、H220YD、铝合金6063_T6、塑料PP等等，而且其中大多都是考虑应变率的动态应力应变曲线。下面给大家简单看一下常见材料的动态应力应变曲线。

图 3‑1  H340LAD的动态应力应变曲线

图 3‑2  H400LAD动态应力应变曲线

图 3‑3  AL6063_T6动态应力应变曲线

图 3‑4  塑料PP的动态应力应变曲线