CAE仿真计算在汽车碰撞模拟中的应用

一、引言

汽车行业的快速发展使得汽车安全性成为了至关重要的考量因素。汽车碰撞模拟计算是评估汽车在碰撞情况下的性能表现、保护车内乘客安全以及优化汽车结构设计的关键手段。CAE（计算机辅助工程）仿真计算在汽车碰撞模拟领域发挥着不可替代的作用，它能够在汽车实际制造和测试之前，通过计算机模型模拟汽车碰撞过程，预测碰撞结果，从而节省大量的时间、成本和资源。

二、CAE仿真计算的基本原理

（一）有限元方法

有限元方法是CAE仿真计算的核心技术之一。在汽车碰撞模拟中，汽车的结构被离散化为大量的小单元（如四面体单元、六面体单元等），这些单元通过节点相互连接。通过对每个单元建立力学平衡方程，可以得到整个汽车结构的总体平衡方程。

单元刚度矩阵对于一个典型的三维实体单元，其刚度矩阵的计算涉及到材料的弹性模量、泊松比等力学参数。例如，对于线性弹性材料，单元刚度矩阵可以通过以下公式计算：其中，是应变 - 位移矩阵，是弹性矩阵，是单元的体积。
总体刚度矩阵的组装将各个单元的刚度矩阵按照节点的连接关系组装成总体刚度矩阵。在汽车碰撞模拟中，由于汽车结构复杂，这个组装过程需要精确处理单元之间的连接关系，以确保总体刚度矩阵的准确性。

（二）材料模型

弹塑性材料模型汽车结构中的金属材料在碰撞过程中通常会经历弹塑性变形。弹塑性材料模型能够准确描述材料在不同应力状态下的力学行为。例如，常用的Johnson - Cook材料模型，其屈服应力可以表示为：其中，、、、、是材料常数，是等效塑性应变，是无量纲的应变率，是无量纲的温度。
复合材料模型随着汽车轻量化的发展，复合材料在汽车结构中的应用越来越广泛。复合材料的力学行为比金属材料更为复杂，需要专门的材料模型来描述。例如，层合板理论可以用于模拟纤维增强复合材料的力学性能，考虑纤维方向和基体的力学特性。

三、汽车碰撞模拟的CAE计算流程

（一）几何模型建立

简化与理想化汽车的实际几何结构非常复杂，在建立CAE模型时，需要对其进行适当的简化和理想化。例如，忽略一些对碰撞结果影响较小的细节结构，如小的装饰件、螺栓孔等。同时，对于一些复杂的曲面结构，可以采用适当的几何近似，如用平面来近似小曲率的曲面。
模型修复与清理从CAD模型转换到CAE模型时，可能会出现几何缺陷，如面与面之间的间隙、重叠等。这些问题需要通过专门的几何修复工具进行处理，以确保模型的质量，便于后续的网格划分。

（二）网格划分

网格类型选择在汽车碰撞模拟中，常用的网格类型有四面体网格和六面体网格。四面体网格具有良好的适应性，能够处理复杂的几何形状，但计算成本相对较高；六面体网格在计算效率和精度方面具有优势，但对几何形状的要求较高。对于汽车的大部分结构，通常采用混合网格划分的方法，在关键部位（如汽车大梁、发动机舱等）使用六面体网格，在其他复杂形状区域使用四面体网格。
网格尺寸控制网格尺寸的选择直接影响计算的精度和效率。在汽车碰撞模拟中，需要根据不同的结构部件和计算要求来确定网格尺寸。例如，对于汽车的薄壁结构（如车身外壳），可以采用相对较大的网格尺寸，而对于关键的承载部件（如车架），则需要使用较小的网格尺寸以保证计算精度。

（三）边界条件和加载设置

碰撞边界条件汽车碰撞模拟的边界条件包括碰撞速度、碰撞角度、碰撞壁的特性等。例如，在正面碰撞模拟中，通常设置汽车以一定的速度（如50km/h）垂直撞击刚性壁。碰撞壁可以根据实际情况设置为刚性壁或可变形壁，可变形壁更接近实际的碰撞情况，但计算成本也更高。
约束条件汽车在碰撞过程中，部分结构会受到约束。例如，汽车的底盘与地面之间存在约束关系，可以通过设置适当的约束条件（如固定某些节点的位移）来模拟这种约束关系。

（四）求解计算

求解器选择在CAE仿真计算中，有多种求解器可供选择，如显式求解器和隐式求解器。对于汽车碰撞这种涉及到大变形、高速冲击的问题，显式求解器更为合适。显式求解器采用中心差分法等时间积分方法，能够有效地处理动态问题。
计算参数设置计算参数包括时间步长、收敛准则等。时间步长的选择需要考虑碰撞过程中的最高频率成分，以确保计算的稳定性。一般来说，时间步长要小于结构中最小单元的临界时间步长。收敛准则则根据具体的计算要求和求解器的特性来设置。

（五）结果分析

变形和应力分析通过CAE仿真计算，可以得到汽车在碰撞过程中的变形情况和应力分布。例如，可以观察汽车车身的变形模式，确定哪些部位发生了较大的变形，以及这些变形是否会对车内乘客的生存空间造成威胁。同时，应力分析可以帮助识别结构中的薄弱环节，为汽车结构的优化设计提供依据。
能量分析能量分析是汽车碰撞模拟结果分析的重要内容。在碰撞过程中，汽车的初始动能会转化为内能（塑性变形能）、弹性应变能和摩擦能等。通过分析能量的转换和分布，可以评估汽车结构的吸能特性，判断汽车的碰撞安全性。

四、实际案例分析

（一）案例背景

某汽车制造企业计划推出一款新型轿车，在汽车设计阶段，需要对汽车的碰撞安全性进行评估和优化。传统的物理碰撞试验成本高、周期长，因此决定采用CAE仿真计算进行汽车碰撞模拟。

（二）CAE模型建立

几何模型根据汽车的设计图纸，建立了包含车身、车架、发动机、内饰等主要部件的几何模型。在建立过程中，对一些细节结构进行了简化，如省略了一些小的装饰件和内部线缆等。
网格划分采用混合网格划分方法，对车架等关键部件使用六面体网格，平均网格尺寸为5mm；对车身外壳等复杂形状部件使用四面体网格，平均网格尺寸为10mm。总共划分了约50万个单元。
材料模型车身结构主要采用高强度钢，使用Johnson - Cook弹塑性材料模型，根据材料的实际力学性能确定了材料模型中的参数。发动机等部件采用铝合金材料，使用相应的弹塑性材料模型。

（三）碰撞模拟计算

正面碰撞模拟设置汽车以56km/h的速度垂直撞击刚性壁。采用显式求解器进行计算，时间步长设置为1e - 6s。计算过程中，监测汽车的变形、应力和能量变化。
侧面碰撞模拟模拟汽车以35km/h的速度受到侧面撞击的情况。侧面撞击壁设置为可变形壁，以更接近实际的碰撞情况。同样采用显式求解器进行计算，根据侧面结构的特点调整了网格尺寸和计算参数。

（四）结果分析与优化

正面碰撞结果通过分析正面碰撞的结果，发现汽车的前部结构在碰撞过程中发生了较大的变形，吸收了大部分的碰撞能量。但是，车内驾驶员的腿部空间受到了一定程度的压缩，存在安全隐患。进一步分析应力分布发现，汽车大梁的某些部位应力集中较为严重。
侧面碰撞结果在侧面碰撞中，汽车的侧门变形较大，对车内乘客的侧面保护不足。同时，B柱的应力分布不均匀，存在局部应力过大的情况。
结构优化根据CAE仿真计算的结果，对汽车的结构进行了优化。对于正面碰撞问题，加强了汽车大梁的结构设计，调整了大梁的截面形状和厚度，以减少应力集中。同时，优化了汽车的前部吸能结构，增加了吸能盒的长度和吸能效率，以减少车内腿部空间的压缩。对于侧面碰撞问题，加强了侧门的防撞梁设计，增加了防撞梁的厚度和强度。同时，对B柱的结构进行了优化，改善了应力分布。

（五）物理试验验证

在完成结构优化后，进行了物理碰撞试验。试验结果表明，汽车的碰撞安全性得到了显著提高，与CAE仿真计算的结果基本一致。这证明了CAE仿真计算在汽车碰撞模拟中的准确性和有效性。

CAE仿真计算在汽车碰撞模拟中具有重要的应用价值。通过准确的几何建模、合理的网格划分、正确的边界条件和加载设置以及有效的求解计算和结果分析，可以在汽车设计阶段对汽车的碰撞安全性进行评估和优化。实际案例表明，CAE仿真计算能够有效地解决汽车碰撞安全性评估等实际问题，节省成本和时间，为汽车的设计和制造提供有力的支持。随着计算机技术和CAE软件的不断发展，CAE仿真计算在汽车碰撞模拟中的应用将更加广泛和深入。