CAE仿真计算：汽车碰撞仿真中的网格划分技巧

一、引言

在汽车碰撞仿真的CAE计算中，网格划分是一个至关重要的环节。合理的网格划分直接影响到仿真结果的准确性、计算效率等多方面性能。汽车碰撞是一个复杂的物理过程，涉及到材料的大变形、接触和能量的传递等多种现象，因此，在进行网格划分时需要考虑众多因素。

二、网格划分的基本概念

  1. 网格类型
    • 四面体网格
      • 四面体网格在处理复杂几何形状时具有优势。在汽车碰撞仿真中，对于一些不规则形状的零部件，如汽车内部的一些小的塑料件或者具有复杂曲面的金属结构件，四面体网格可以很好地贴合其几何形状。然而，四面体网格的计算精度相对较低，并且在同等计算资源下，计算量可能会较大。
    • 六面体网格
      • 六面体网格的计算精度较高，并且在计算过程中能够更好地模拟材料的应力和应变状态。对于汽车的主要结构件，如车架、车身大梁等规则形状的部件，六面体网格是比较理想的选择。但是，六面体网格的生成难度较大，尤其是对于复杂几何形状，需要更多的人工干预。
    • 棱柱体网格
      • 棱柱体网格通常用于连接不同类型的网格，例如在汽车碰撞仿真中，当需要将四面体网格和六面体网格进行过渡连接时，棱柱体网格可以起到很好的过渡作用，保证计算的连续性。
  2. 网格密度
    • 网格密度直接影响仿真结果的精度和计算资源的消耗。在汽车碰撞仿真中，关键区域（如汽车的碰撞吸能区、驾驶舱等）需要较高的网格密度，以准确捕捉应力和应变的变化。例如，在计算汽车碰撞时驾驶舱的变形情况时，如果网格密度过低，可能会导致无法准确模拟驾驶舱内的空间变化，从而影响对驾驶员和乘客安全性的评估。
    • 确定网格密度的方法
      • 基于经验公式：对于一些常见的汽车结构件，可以根据以往的经验公式来初步确定网格密度。例如，对于汽车车架的某类钢材，根据材料的弹性模量、屈服强度等参数，结合经验公式计算出在一定精度要求下的网格尺寸范围。
      • 自适应网格划分：在一些先进的CAE软件中，采用自适应网格划分技术。以汽车碰撞过程中的能量变化为依据，在能量集中的区域自动加密网格。例如，在汽车前部碰撞时，前部吸能区的能量变化剧烈，自适应网格划分会在该区域自动增加网格密度，以更准确地模拟吸能过程。

三、汽车碰撞仿真中的网格划分技巧

  1. 复杂几何形状的处理
    • 汽车的外形和内部结构往往具有复杂的几何形状，如汽车的发动机舱内有各种形状不规则的零部件。对于这些复杂几何形状的部件，首先要进行几何简化。例如，在不影响碰撞仿真主要性能的前提下，将一些细小的圆角、倒角等进行简化处理，以便于网格划分。
    • 分块划分网格
      • 将复杂的几何形状分解成多个相对简单的块进行网格划分。以汽车车身为例，可以将车身按照车门、车顶、车身侧面等不同区域进行分块。对于每个块，根据其形状特点选择合适的网格类型。例如，车门内部结构复杂，可以先采用四面体网格进行初步划分，然后在与车身连接的部位采用棱柱体网格进行过渡，最后在车身主要框架结构上采用六面体网格。
  2. 考虑材料特性
    • 汽车由多种材料组成，不同材料在碰撞过程中的力学行为不同。例如，汽车的车身外壳可能是铝合金材料，而车架是高强度钢。在网格划分时，对于铝合金材料，由于其相对较软，在碰撞时变形较大，需要在变形较大的区域适当增加网格密度，以准确捕捉其变形过程。对于高强度钢，由于其主要承受较大的应力，在应力集中区域（如车架的连接部位）要保证足够的网格密度。
    • 材料的各向异性
      • 一些汽车材料具有各向异性，如碳纤维复合材料。在对这种材料进行网格划分时，要考虑其各向异性的力学特性。根据材料的纤维方向，调整网格的方向，使网格的划分能够更好地反映材料在不同方向上的力学性能差异。
  3. 接触处理
    • 在汽车碰撞仿真中，存在大量的接触问题，如汽车与障碍物的接触、汽车内部零部件之间的相互接触等。在网格划分时，要确保接触面上的网格质量。对于接触区域，网格尺寸要尽量保持一致，避免出现过大的网格尺寸差异导致接触计算的不准确。
    • 接触算法与网格划分
      • 不同的接触算法对网格划分有不同的要求。例如，罚函数法对网格的连续性要求相对较低，但需要注意罚因子的选择与网格尺寸的关系。而拉格朗日乘子法对网格的协调性要求较高，在网格划分时要保证接触面上的网格能够很好地协调变形。

四、案例分析

  1. 汽车前部碰撞仿真中的网格划分
    • 某汽车制造商在进行汽车前部碰撞仿真时，面临着如何准确模拟碰撞过程中汽车前部结构变形和能量吸收的问题。
    • 初始网格划分
      • 最初，工程师采用了较为简单的四面体网格对整个汽车前部结构进行划分，网格密度均匀。在进行碰撞仿真时，发现计算结果显示汽车前部的吸能效果与实际测试结果相差较大。主要原因是四面体网格在模拟高强度钢车架的应力和应变时精度不够，并且均匀的网格密度无法准确捕捉碰撞时能量集中区域的变化。
    • 改进后的网格划分
      • 工程师对汽车前部结构进行了重新分析，将车架部分采用六面体网格进行划分，根据车架的应力集中区域（如车架的连接处）的力学分析结果，确定了不同区域的网格密度。对于汽车前部的塑料保险杠等不规则形状部件，采用四面体网格，并在与车架连接的部位采用棱柱体网格过渡。同时，在碰撞吸能区根据能量变化采用自适应网格划分技术。经过这些改进后，再次进行碰撞仿真，计算结果与实际测试结果的误差在可接受范围内，准确地模拟了汽车前部碰撞时的结构变形和能量吸收情况。

五、结论

在汽车碰撞仿真的CAE计算中，网格划分技巧是提高仿真精度和计算效率的关键。通过合理选择网格类型、确定网格密度、处理复杂几何形状、考虑材料特性和接触问题等多方面的技巧，可以得到更加准确的汽车碰撞仿真结果。实际案例也表明，科学的网格划分能够有效解决汽车碰撞仿真中遇到的各种问题，为汽车的安全性设计和优化提供有力的技术支持。在未来的汽车研发过程中，随着CAE技术的不断发展，网格划分技术也将不断改进和完善，以适应更加复杂的汽车结构和性能要求。