CAE仿真计算：汽车碰撞模拟中的网格划分计算

一、引言

在汽车工程领域，汽车碰撞模拟是确保汽车安全性的重要环节。而CAE（计算机辅助工程）仿真计算在汽车碰撞模拟中发挥着不可替代的作用。其中，网格划分计算是CAE仿真计算的关键步骤之一，它直接影响到模拟结果的准确性和计算效率。本文将详细介绍汽车碰撞模拟中的网格划分计算，包括其基本概念、重要性、计算方法以及实际案例分析。

二、网格划分计算的基本概念

（一）网格的定义

在CAE仿真计算中，网格是将连续的几何模型离散化为有限个单元的集合。这些单元通过节点相互连接，形成一个能够被计算机处理的离散模型。对于汽车碰撞模拟而言，网格划分就是将汽车的几何模型（包括车身结构、内饰、发动机等部件）划分成一个个小的单元。

（二）网格类型

四面体网格四面体网格是一种较为简单且常用的网格类型。它由四个三角形面组成一个四面体单元。四面体网格的优点是能够适应复杂的几何形状，在汽车碰撞模拟中，对于一些具有复杂曲面的部件（如汽车的前脸、内饰的不规则形状部分），四面体网格能够较好地贴合其几何形状。
六面体网格六面体网格是一种形状规则的网格，由六个四边形面组成一个六面体单元。六面体网格的优点是计算精度高、计算效率相对较高。在汽车碰撞模拟中，对于一些形状规则的部件（如汽车的大梁等结构件），采用六面体网格可以获得更准确的计算结果。

三、网格划分计算在汽车碰撞模拟中的重要性

（一）影响计算精度

网格密度与精度网格的密度直接影响计算精度。如果网格划分过于稀疏，在汽车碰撞模拟中，可能会导致模拟结果无法准确反映汽车结构在碰撞过程中的变形、应力分布等情况。例如，在计算汽车车身在碰撞时的应力集中区域，如果网格太粗，可能会错过一些应力峰值点，从而低估了该区域的危险程度。
网格质量与精度除了密度之外，网格质量也对计算精度有着重要影响。高质量的网格（如单元形状接近理想形状、单元扭曲度小等）能够更好地模拟汽车结构的力学行为。低质量的网格可能会导致数值计算的不稳定，进而影响计算精度。

（二）影响计算效率

网格数量与计算时间网格数量越多，计算所需的时间就越长。在汽车碰撞模拟中，如果不合理地划分网格，导致网格数量过多，会大大增加计算成本。例如，对于一个复杂的汽车模型，如果采用过于精细的网格划分，可能会使计算时间从几个小时增加到几天甚至几周。
网格类型与计算效率不同类型的网格在计算效率上也有所不同。如前面所述，六面体网格在计算效率上相对较高，但对于复杂几何形状的适应性较差；四面体网格虽然能适应复杂形状，但计算效率相对较低。因此，在汽车碰撞模拟中，需要根据不同部件的特点选择合适的网格类型，以平衡计算精度和计算效率。

四、汽车碰撞模拟中网格划分计算的方法

（一）几何模型准备

简化几何模型在进行网格划分之前，需要对汽车的几何模型进行简化。汽车几何模型通常包含大量的细节（如细小的螺栓、螺母、装饰线条等），这些细节在汽车碰撞模拟中对整体结果影响较小，但会增加网格划分的难度和计算量。因此，需要根据模拟的目的和要求，对几何模型进行适当简化，保留关键的结构部件。
修复几何缺陷汽车几何模型在设计过程中可能会存在一些几何缺陷（如面与面之间的间隙、重叠等），这些缺陷会导致网格划分失败或产生低质量的网格。在进行网格划分之前，需要使用专门的CAD软件对几何模型进行修复，确保几何模型的完整性和准确性。

（二）确定网格划分策略

整体与局部网格划分对于汽车碰撞模拟，可以采用整体与局部相结合的网格划分策略。首先对整个汽车模型进行较为粗略的网格划分，确定整体的网格布局。然后，针对汽车碰撞过程中的关键区域（如汽车的防撞梁、驾驶舱等）进行局部细化网格划分，以提高这些区域的计算精度。
基于部件特性的网格划分根据汽车不同部件的结构特性和力学行为，选择合适的网格类型和网格密度。例如，对于汽车的发动机等内部刚性部件，可以采用相对较粗的六面体网格；对于汽车的车身外壳等薄壁结构部件，可以采用四面体网格，并适当增加网格密度以准确模拟其变形情况。

（三）网格划分工具

主流CAE软件中的网格划分功能目前，许多主流的CAE软件（如ANSYS、ABAQUS等）都提供了强大的网格划分功能。这些软件能够根据用户设定的参数自动进行网格划分，并且提供了多种网格划分算法（如映射法、扫掠法等）以满足不同的需求。
网格划分插件除了CAE软件自带的网格划分功能外，还有一些专门的网格划分插件（如HyperMesh等）。这些插件在网格划分方面具有更加专业和灵活的功能，能够对复杂的几何模型进行高质量的网格划分。

五、实际案例分析

（一）案例背景

某汽车制造企业在进行新款汽车的安全性设计时，需要通过CAE仿真计算来模拟汽车的正面碰撞情况。该汽车的几何模型较为复杂，包含多种不同材料和结构的部件。

（二）网格划分过程

几何模型简化首先，工程师对汽车的几何模型进行了简化。去除了一些对碰撞模拟结果影响较小的装饰性部件，如车门上的小装饰条、后视镜外壳等。同时，对一些细小的结构连接部分进行了合理简化，将其简化为等效的连接结构。
确定网格划分策略采用整体与局部相结合的网格划分策略。对于整个汽车模型，先使用ANSYS软件进行初步的四面体网格划分，网格尺寸设置为10mm。然后，针对汽车的防撞梁、驾驶舱等关键区域，将网格尺寸细化到2mm，并将部分区域的网格类型转换为六面体网格，以提高计算精度。
网格质量检查与优化在完成网格划分后，对网格质量进行了检查。发现部分四面体网格存在较大的扭曲度，通过调整节点位置和重新划分部分网格的方式对网格质量进行了优化。

（三）碰撞模拟计算结果

经过网格划分优化后的汽车碰撞模拟计算结果与实际的汽车碰撞试验结果相比，在车身变形、驾驶舱内人员伤害指标（如头部伤害指数、胸部加速度等）等方面具有较高的吻合度。这表明合理的网格划分计算能够为汽车碰撞模拟提供准确的计算结果，为汽车安全性设计提供可靠的依据。

在汽车碰撞模拟的CAE仿真计算中，网格划分计算是一个至关重要的环节。它不仅影响计算精度，还影响计算效率。通过合理的几何模型准备、确定正确的网格划分策略以及使用合适的网格划分工具，可以得到高质量的网格，从而为汽车碰撞模拟提供准确的计算结果。实际案例也证明了这一点，通过优化网格划分计算，能够使CAE仿真计算结果与实际试验结果高度吻合，为汽车安全性设计提供有力的支持。在未来的汽车工程领域，随着汽车技术的不断发展和对汽车安全性要求的不断提高，网格划分计算在汽车碰撞模拟中的重要性将更加凸显，需要不断地进行研究和优化。