使用Oasys与LS-DYNA实现汽车行人保护仿真分析

CAE(Computer Aided Engineering）从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程。

随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，LS-DYNA是显示动力分析系统的卓越代表，广泛应用于汽车行业，是汽车碰撞安全性能分析的必不可少的工具。

我从事汽车碰撞安全性能分析工作十余年，深知汽车碰撞CAE分析的艰难，从模型搭建的技巧、控制参数的设置、结果后处理的剖析都需要大量的实践经验，本课程我将多年的行人保护CAE分析经验分享给大家，希望大家的勤勉练习，相信每个人都能够熟练掌握行人保护CAE分析技能。

行人保护是汽车碰撞CAE分析中对分析精度要求比较高的一个专业领域，读过C-NCAP（2018版）法规的朋友都知道，法规要求主机厂提供行人保护预测得分，而且将行人保护的预测得分与实际试验得分相比较得出修正系数修正行人保护得分，一个行人保护分析需要打击近200个点位，全部依赖于试验的周期和费用是相当巨大的，因此各大主机厂通常都是进行CAE仿真分析得到所有打击点的伤害值，再通过2-3轮试验进行修正。

本课程采用LS-DYNA进行分析求解工具，使用Oasys系列软件作为前后处理工具。Oasys系列软件广泛应用于各大主机厂，其操作便捷、简单易学、纠错功能强大、100%支持LS-DYNA关键字，在汽车碰撞专业备受欢迎，掌握该软件能够大幅度提升汽车碰撞模型前后处理速度和模型准确度。

一、法规介绍

汽车行人保护仿真分析系列课程从法规介绍开始，国内整车碰撞多以C-NCAP（2018版）法规为主，其中关于行人保护部分的试验和评价方法是我们进行汽车行人保护仿真分析的法规依据。多数车型将整车安全目标定义为C-NCAP五星，按照法规要求，行人保护部分得分要大于等于65%，行人保护总分为15分（头型12分+腿型3分），即行人保护得分大于等于9.75分，进一步可以分解为头型得分目标为6.75分，腿型得分目标3分（按C-NCAP官网统计及以往项目经验，通过优化和项目开发过程控制，腿型通常能够得到满分3分）。

C-NCAP进行行人保护测试大约需要45个工作日，分为头型试验和腿型试验，头型试验中撞击速度为40km/h，儿童头型撞击角度为50度，成人头型撞击角度为65度；腿型撞击速度为40km/h，撞击角度为90度。

根据是否提供试验样品及车辆信息，行人保护试验可分为3中情况：

1、有试验样品有车辆信息：头型网格点法，随机验证8次+无法预测≤8次+生产企业增加申请≤8次；腿型网格点法；

2、有试验样品无车辆信息：头型均分区域法，选取最差性能位置12次+生产企业增加申请≤8次；腿型网格点法；

3、无试验样品无车辆信息：头型均分区域法（选取最差性能位置），选取最差性能位置6次；腿型网格点法，选取最差性能位置2~3次。

4、头型试验区域由发动机罩前缘基准线、发动机罩侧面基准线、发动机罩后面基准线围成，从包络线1000开始，每隔100mm一个撞击点（去除距离侧面基准线小于50mm的点），通常一个整车头型部分可以划分出150~200个撞击点；

腿型试验区域由保险杠上、下部基准线及保险杠角确定，撞击点之间间隔100mm，通常一个整车腿型部分可以划分出10~20个撞击点；

头型总分12分，通过头型伤害值（HIC）进行计算点数分，再通过修正系数计算头型得分。腿型总分3分，评价指标包括弯矩和合力，通过插值计算可以得到撞击点的点分数，未试验的网格点与相邻结果较差的网格点分数一致。

二、Oasys软件界面及基本操作介绍

Oasys软件针对LS-DYNA有限元求解器开发，包括PRIMER（前处理软件） 、THIS（曲线后处理）、D3PLOT（结果3D可视化后处理软件）、REPORTER（报告制作程序）组成，囊括了LS-DYNA求解器的从错误检查的前处理过程一直到自动生成报告并统计的全部分析过程，大幅提高了模型分析效率。本课程将结合行人保护仿真分析过程一起来学习PRIMER、D3PLOT和THIS的用法。

Oasys软件在行人保护分析方面具有独特的优势，具有自动划线功能，撞击点的自动定位，自动递交LS-DYNA计算，自动后处理。极大的缩短分析时间和减少工程师人为失误，从而使工程师的精力更专注于改进设计，提供性能。

三、行人保护分析流程及建模规范

行人保护CAE分析首先需要明确模型输入需求，以风挡玻璃后沿线向后约200mm为界限，在此界限前的部分是行人保护CAE分析的重点区域。

进行CAE分析可依据下列表格进行准备数据及相关文件，基本的行人保护分析流程如下图，行人保护CAE分析网格尺寸标准为5mm，最大最小尺寸控制在2~8mm之间，翘曲度需小于18度，雅各比建议达到0.6，三角形单元比例不超过5%。模型按照编号规则进行总成划分和编号，装配遵循先装配子总成再进行总装的次序进行，随后进行控制卡和边界条件的设置，最后进行模型调试和计算。

四、发动机罩建模方法

发动机罩（发罩）是行人保护分析中极其关键的子总成，发罩的结构特征、材料特征、连接关系均直接影响行人保护分析的精度，初学者务必按照建模规则完成。

发罩通常由发罩内板、发罩外板、发罩加强板、发罩锁、气撑、发罩铰链、密封条、减震垫、堵盖等结构组成，通过粘胶、点焊、螺栓连接、卡扣连接等连接形式进行连接，这些结构均需要进行建模，为保证模型精度，建议发罩使用5mm网格标准进行网格划分，发罩包边使用共节点方法处理，粘胶、焊点以及各种连接关系通过软件生成，减震垫和密封条采用实体建模，通常设计师提供的密封条是未被压缩状态的，这就需要CAE工程师通过LS-DYNA软件或Oasys进行预压缩处理，气撑通过实际结构和铰接运动关系表征，整个发罩模型中均使用柔性体表征，不建议刚体替代。

五、前保险杆及前照灯建模方法

前保险杠、前格栅结构是行人保护腿型分析的关键结构，前照灯则同时影响头型和腿型分析结果，通常前保险杠和前格栅采用非金属材料，建议在进行有限元网格划分时网格尺寸在2~6mm之间，结构上的筋也要体现出来，这些结构细节对模型精度有较大的影响，前照灯也需要体现出灯壳内部包含的结构，前照灯的支架也需要体现出细节结构，在课程中将给出细节特征保留或去除的建议，请大家认真学习。

六、雨刮及机舱饰盖建模方法

雨刮和机舱饰盖对行人保护头型分析有较大影响，是需要详细建模的几大总成之一。雨刮结构需要按照设计位置进行摆放，雨刮电机可以使用刚体替代，其他结构建议按照实际材料表征，对于可压溃式雨刮，需要通过弹簧单元和铰接配合进行模拟。机舱饰盖与前保险杠网格要求一致，需要留意的是流水槽盖板上面的密封条，它和发罩上的密封条一样需要进行预压。

七、其他总成建模方法

行人保护CAE分析中还需要白车身、动力总成、前悬、机舱内的蓄电池、洗涤液罐以及冷却系统等结构，这些结构通常由整车模型截取获得，截取后需要对模型进行清理，并检查模型连接是否存在问题，CAE工程师需要对这些结构和连接关系非常熟悉，在整车碰撞分析中不关心的结构可能存在丢失的情况，这在做行人保护分析时需要补充上去，例如机舱底护板、轮罩、小腿支撑支架等等。

八、模型装配

各个子总成模型搭建完成之后，需要进行模型总装，每个子总成有自己的编号范围，总成之间采用成对的刚片进行连接，总成之间连接完成后需要进行控制卡设置、边界条件设置、头型腿型划线、壁障模型定位、撞击点分布、计算文件夹创建等工作。

九、模型检查及调试

模型装配完成后需要进行细致的模型检查，从网格质量到连接关系，从模型完整性到模型精细度都要进行检查，Oasys提供了便捷的模型检查工具，能够识别出大部分的模型错误，同时对模型不规范的地方给出了警告。当然了，进行模型检查时不可完全依赖与软件，还需要结合工程师的经验进行判断，模型试算也是帮助我们检查模型的重要手段，通过调试消除模型错误，并观察模型运动姿态是否存在异常、能量曲线是否平衡，各伤害值输出曲线是否合理。

十、头型后处理及结果分析

头型结果后处理需要提取头型伤害值HIC、头型伤害曲线、头型动画、剖面图等信息，根据头型伤害值计算点数分以及头型总得分，课程中将以最典型的网格点法为例进行得分计算演示。

十一、腿型后处理及结果分析

小腿结果后处理需要提取弯矩T1、T2、T3、T4，以及膝部韧带伸长量MCL、ACL、PCL。其中小腿弯矩最高可得点数分0.500，评分时取四个弯矩值中最差的一个；膝部韧带伸长量最高可得点数分0.500，在ACL、PCL值均小于限值10mm的前提下，根据MCL进行评分，若ACL或PCL值大于等于限值10mm，则膝部韧带伸长量得零点数。

十二、优化方向及软件实现

行人保护法规通常头型得分不容易满足目标要求，这就需要整车项目在开发早期时就进行性能控制，在造型阶段需要提出整车布置要求、造型要求，在设计数据发布后根据CAE分析结果进行优化，在试验阶段也需要根据试验结果不断地修正模型以及同步优化。CAE工程师需要了解汽车结构，有一定的汽车结构设计经验，这些都是需要日积月累的。

头型撞击区域可以划分为流水槽影响区、发罩影响区、发罩锁影响区、发罩铰链影响区、前照灯影响区、玻璃影响区，对不同撞击区域优化方向不同。例如水槽盖板可采用压溃式设计方案，结合开孔位置优化和断面优化，使其达到理想得分；发罩锁则建议通过布置进行避让，发罩铰链的加强板设计通常需要多轮优化使其达到最优状态，前照灯若采用可压溃式大灯支架通常可以减少对行人的伤害，在课程中将为大家展示相应的典型结构，让大家在进行行人保护优化时方向明确，思路清晰。