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2017-01-05 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應用研究
王 楠1 張君媛1 葉 威2 金景旭1
1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130022;
2.ESI中國,北京,100080
摘 要:汽車碰撞仿真分析主要方法分為有限元法和多剛體動力學法,有限元法中常使用的軟件有HYPERMESH、LS-DYNA和PAM-CRASH等,多剛體動力學法中常使用的軟件為MADYMO。為了實現模型在不同仿真軟件之間的轉換,避免重復的建模工作,提高研發的效率,本文研究了PAM-CRASH與HYPERMESH、LS-DYNA以及MADYMO軟件之間的接口,旨在為不同研究機構間的交流提供便利。
關鍵字:PAM-CRASH;汽車碰撞;仿真分析;軟件接口
1 引言
在車輛的設計開發中,運用計算機模擬碰撞,不僅可以節約試驗費用,縮短開發周期,而且具有可重復性,能夠方便地進行許多在現實中很難完成的試驗模擬。因此,計算機模擬碰撞的研究方法正越來越多地受到汽車企業及研究部門的重視。
PAM-CRASH是ESI公司開發的基于顯式有限元算法的計算機三維碰撞沖擊仿真模擬系統,是一個應用于汽車、航空、電子和材料生產等專業領域,有關沖擊、碰撞、安全性虛擬測試等問題解決的實用工具,能夠對大位移、大旋轉、大應變、接觸碰撞等問題進行十分精確的模擬,能夠簡便地處理異常復雜的邊界約束。
PAM-CRASH不僅具有乘員約束系統建模所需的主要工具,可以快速地建立安全帶、安全氣囊、座椅等模型,還具有豐富的假人庫(包括前碰撞假人、后碰撞假人、側碰撞假人以及其他人體模型),能夠精確計算碰撞過程中的人體傷害。另外,PAM-CRASH還具有豐富的碰撞障礙模型庫,可以通過輸入碰撞類型(正碰、側碰等)、法規規程(FMVSS、IIHS等)以及壁障類型(剛性墻、移動可變形壁障等)快速地建立碰撞障礙模型。
此外,PAM-CRASH與其他常用的汽車碰撞仿真分析軟件有著非常良好的接口。因此,本文針對PAM-CRASH與其他汽車仿真碰撞分析軟件之間的接口進行了研究,旨在為汽車碰撞仿真分析提供方便。
2 汽車碰撞仿真分析方法及常用軟件
常用的汽車碰撞仿真分析方法有多剛體動力學法和有限元法。在汽車仿真分析過程中,多剛體動力學法以剛體來代表分析和受力的對象,用來評價乘員在特定碰撞狀態下的響應,常用的多剛體分析軟件為TNO公司開發的MADYMO軟件;有限元法被廣泛用來進行整車或結構的碰撞分析以及乘員碰撞響應的求解,常用的有限元分析軟件包括HYPERMESH、LS-DYNA、PAM-CRASH等。
由于多方面原因,各研究機構使用的仿真軟件不盡相同,實際應用過程中不同軟件模型之間的轉換問題不可避免。而PAM-CRASH不僅可以讀取HYPERMESH等軟件的文件,還可以與MADYMO的假人耦合進行碰撞仿真分析。此外,PAM-CRASH還可以通過一系列接口實現與LS-DYNA模型的轉換。常用汽車碰撞仿真軟件與PAM-CRASH之間的關系如圖1所示。
圖1 常用汽車碰撞仿真軟件與PAM-CRASH之間的關系
3 PAM-CRASH與有限元仿真軟件的接口
3.1 PAM-CRASH與HYPERMESH的接口
HYPERMESH可以將劃分好的網格文件以.pc格式輸出,進而在PAM-CRASH中添加材料、接觸、載荷、約束以及連接等信息,以建立完整的有限元模型;HYPERMESH也可以直接建立完整的有限元模型并以.pc格式輸出,然后在PAM-CRASH中進行求解計算。同樣,HYPERMESH也可以查看由PAM-CRASH輸出的.pc格式的文件。因此,PAM-CRASH可以與HYPERMESH進行文件的交互,為模型的前處理提供了便利。
3.2 PAM-CRASH與LS-DYNA的接口
LS-DYNA的有限元模型可以通過一系列方法轉換成PAM-CRASH模型。常用的轉換方法有兩種,一種是以HYPERMESH為接口的模型轉換方法,另一種方法是通過PAM-CRASH自身的快速轉換命令實現LS-DYNA有限元模型向PAM-CRASH模型的轉換。
3.2.1 基于HYPERMESH的模型轉換方法
首先將LS-DYNA模型的K文件導入HYPERMESH,然后以PAM-CRASH的模板格式輸出,實現自動轉換。自動轉換可以將模型的節點,單元和部件的基本信息正確實現,但對于兩種軟件不能兼容的信息,還是需要根據模型對應轉換關系手動進行操作,具體的轉換過程如圖2所示。
圖2 基于HYPERMESH的模型轉換流程圖
3.2.2 基于PAM-CRASH快速轉換命令的模型轉換方法
首先將LS-DYNA模型的K文件在PAM-CRASH的VISUAL-CRASH模塊中打開,在菜單欄的TOOLS選項中選擇CONVERT DYNA TO PAM,模型便會根據一定的信息對應關系進行自動轉換,該轉換關系可以在幫助文檔中查看。同樣,該自動轉換可以將模型的節點、單元和部件的基本信息正確實現,但仍然存在兩種軟件不能兼容的信息,需要依次通過菜單的CHECK選項中的DATA CHECK、KINEMATIC CHECK、PENETRATION/ INTERSECTION CHECK進行查找和修改。然后將模型提交PAM-CRASH SOLVERS進行求解,并在VISUAL-VIEWER中查看DSY文件,再將計算結果與LS-DYNA進行比較,以驗證轉換結果的準確性,其模型轉換流程如圖3所示。
本文以薄壁梁撞擊剛性墻為例,對上述轉換方法的準確性進行了驗證,驗證結果(圖4)表明,原LS-DYNA模型與轉換得到的PAM-CRASH模型中薄壁梁的壓潰變形過程基本一致。
該方法僅通過PAM-CRASH自身的快速轉換命令,無需第三方軟件為接口,就能夠實現有限元模型的轉換,不僅減少了工作量,節省了時間,而且降低了對開發人員的要求,減弱了模型轉換的難度。
實現LS-DYNA與PAM-CRASH模型的轉換,能夠避免重復的建模工作,從而提高研發的效率,并且能夠為不同研究機構之間的交流提供便利。
圖3 基于PAM-CRASH快速轉換命令的模型轉換流程圖
圖4 薄壁梁LS-DYNA模型與PAM-CRASH模型變形對比
4 PAM-CRASH與多剛體仿真軟件的接口
PAM-CRASH可以實現有限元模型與MADYMO多剛體假人的耦合計算。在進行耦合計算前,要保證PAM-CRASH和MADYMO(6.x版本)已經裝在同一臺電腦上,并且已經在PAM-CRASH中設置好與MADYMO軟件及其假人庫的鏈接路徑。準備工作完成后,就可以進行PAM-CRASH與MADYMO的耦合了,具體過程如下:首先依次在PAM-CRASH中打開.pc格式的有限元模型以及.xml格式的MADYMO多剛體假人模型,如圖5所示;然后通過SAFE TOOLS中的耦合選項,將MADYMO的多剛體假人作為一個部件導入到PAM-CRASH有限元模型中,此時該多剛體假人模型部件具有默認的材料屬性,可以對材料中的密度、楊氏模量以及泊松比等參數進行修改;再將假人擺放到合適的位置,如圖6所示,并建立相應的接觸;最后將耦合后的文件以.pc格式輸出,即可提交計算。
圖5 有限元模型以及多剛體假人模型
圖6 擺放好的多剛體假人與有限元耦合模型
PAM-CRASH與MADYMO軟件的接口,實現了多剛體?有限元耦合仿真技術,采用該方法可以進行基于人體損傷特征的模塊化的局部有限元假人建模,對需要詳細分析的人體部位用精細的有限元模型來代替常規的多剛體模型,在滿足損傷分析對模型精度要求的前提下,確保一定的計算效率。
5 結論
PAM-CRASH不僅可以讀取HYPERMESH輸出的文件,還可以與MADYMO的假人耦合進行碰撞仿真分析,同時,PAM-CRASH能夠通過一系列接口實現與LS-DYNA模型的轉換,為不同研究機構之間的交流以及汽車碰撞仿真分析提供了方便。
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本文摘自《ESI虛擬樣機技術及應用—2014年ESI中國&中航伊薩用戶峰會論文選集》知識產權出版社ISBN 978-7-5130-3037-3
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