PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應(yīng)用研究

2017-01-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應(yīng)用研究
王楠1 張君媛1 葉威2 金景旭1
1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)法,有限元法中常使用的軟件有HYPERMESH、LS-DYNA和PAM-CRASH等,多剛體動(dòng)力學(xué)法中常使用的軟件為MADYMO。為了實(shí)現(xiàn)模型在不同仿真軟件之間的轉(zhuǎn)換,避免重復(fù)的建模工作,提高研發(fā)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(jī)構(gòu)間的交流提供便利。

關(guān)鍵字:PAM-CRASH;汽車碰撞;仿真分析;軟件接口

1 引言

在車輛的設(shè)計(jì)開發(fā)中,運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬碰撞,不僅可以節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用,縮短開發(fā)周期,而且具有可重復(fù)性,能夠方便地進(jìn)行許多在現(xiàn)實(shí)中很難完成的試驗(yàn)?zāi)M。因此,計(jì)算機(jī)模擬碰撞的研究方法正越來越多地受到汽車企業(yè)及研究部門的重視。

PAM-CRASH是ESI公司開發(fā)的基于顯式有限元算法的計(jì)算機(jī)三維碰撞沖擊仿真模擬系統(tǒng),是一個(gè)應(yīng)用于汽車、航空、電子和材料生產(chǎn)等專業(yè)領(lǐng)域,有關(guān)沖擊、碰撞、安全性虛擬測(cè)試等問題解決的實(shí)用工具,能夠?qū)Υ笪灰?、大旋轉(zhuǎn)、大應(yīng)變、接觸碰撞等問題進(jìn)行十分精確的模擬,能夠簡便地處理異常復(fù)雜的邊界約束。

PAM-CRASH不僅具有乘員約束系統(tǒng)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(cè)碰撞假人以及其他人體模型),能夠精確計(jì)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(cè)碰等)、法規(guī)規(guī)程(FMVSS、IIHS等)以及壁障類型(剛性墻、移動(dòng)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(duì)PAM-CRASH與其他汽車仿真碰撞分析軟件之間的接口進(jìn)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(dòng)力學(xué)法和有限元法。在汽車仿真分析過程中,多剛體動(dòng)力學(xué)法以剛體來代表分析和受力的對(duì)象,用來評(píng)價(jià)乘員在特定碰撞狀態(tài)下的響應(yīng),常用的多剛體分析軟件為TNO公司開發(fā)的MADYMO軟件;有限元法被廣泛用來進(jìn)行整車或結(jié)構(gòu)的碰撞分析以及乘員碰撞響應(yīng)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(jī)構(gòu)使用的仿真軟件不盡相同,實(shí)際應(yīng)用過程中不同軟件模型之間的轉(zhuǎn)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(jìn)行碰撞仿真分析。此外,PAM-CRASH還可以通過一系列接口實(shí)現(xiàn)與LS-DYNA模型的轉(zhuǎn)換。常用汽車碰撞仿真軟件與PAM-CRASH之間的關(guān)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(guān)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(wǎng)格文件以.pc格式輸出,進(jìn)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(jìn)行求解計(jì)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(jìn)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(zhuǎn)換成PAM-CRASH模型。常用的轉(zhuǎn)換方法有兩種,一種是以HYPERMESH為接口的模型轉(zhuǎn)換方法,另一種方法是通過PAM-CRASH自身的快速轉(zhuǎn)換命令實(shí)現(xiàn)LS-DYNA有限元模型向PAM-CRASH模型的轉(zhuǎn)換。

3.2.1 基于HYPERMESH的模型轉(zhuǎn)換方法

首先將LS-DYNA模型的K文件導(dǎo)入HYPERMESH,然后以PAM-CRASH的模板格式輸出,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。自動(dòng)轉(zhuǎn)換可以將模型的節(jié)點(diǎn),單元和部件的基本信息正確實(shí)現(xiàn),但對(duì)于兩種軟件不能兼容的信息,還是需要根據(jù)模型對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系手動(dòng)進(jìn)行操作,具體的轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應(yīng)用研究hypermesh學(xué)習(xí)資料圖片2

圖2 基于HYPERMESH的模型轉(zhuǎn)換流程圖

3.2.2 基于PAM-CRASH快速轉(zhuǎn)換命令的模型轉(zhuǎn)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(xiàng)中選擇CONVERT DYNA TO PAM,模型便會(huì)根據(jù)一定的信息對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換,該轉(zhuǎn)換關(guān)系可以在幫助文檔中查看。同樣,該自動(dòng)轉(zhuǎn)換可以將模型的節(jié)點(diǎn)、單元和部件的基本信息正確實(shí)現(xiàn),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(xiàng)中的DATA CHECK、KINEMATIC CHECK、PENETRATION/ INTERSECTION CHECK進(jìn)行查找和修改。然后將模型提交PAM-CRASH SOLVERS進(jìn)行求解,并在VISUAL-VIEWER中查看DSY文件,再將計(jì)算結(jié)果與LS-DYNA進(jìn)行比較,以驗(yàn)證轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性,其模型轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

本文以薄壁梁撞擊剛性墻為例,對(duì)上述轉(zhuǎn)換方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果(圖4)表明,原LS-DYNA模型與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換命令,無需第三方軟件為接口,就能夠?qū)崿F(xiàn)有限元模型的轉(zhuǎn)換,不僅減少了工作量,節(jié)省了時(shí)間,而且降低了對(duì)開發(fā)人員的要求,減弱了模型轉(zhuǎn)換的難度。

實(shí)現(xiàn)LS-DYNA與PAM-CRASH模型的轉(zhuǎn)換,能夠避免重復(fù)的建模工作,從而提高研發(fā)的效率,并且能夠?yàn)椴煌芯繖C(jī)構(gòu)之間的交流提供便利。

PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應(yīng)用研究hypermesh學(xué)習(xí)資料圖片3

圖3 基于PAM-CRASH快速轉(zhuǎn)換命令的模型轉(zhuǎn)換流程圖

PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應(yīng)用研究hypermesh學(xué)習(xí)資料圖片4

圖4 薄壁梁LS-DYNA模型與PAM-CRASH模型變形對(duì)比

4 PAM-CRASH與多剛體仿真軟件的接口

PAM-CRASH可以實(shí)現(xiàn)有限元模型與MADYMO多剛體假人的耦合計(jì)算。在進(jìn)行耦合計(jì)算前,要保證PAM-CRASH和MADYMO(6.x版本)已經(jīng)裝在同一臺(tái)電腦上,并且已經(jīng)在PAM-CRASH中設(shè)置好與MADYMO軟件及其假人庫的鏈接路徑。準(zhǔn)備工作完成后,就可以進(jìn)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(xiàng),將MADYMO的多剛體假人作為一個(gè)部件導(dǎo)入到PAM-CRASH有限元模型中,此時(shí)該多剛體假人模型部件具有默認(rèn)的材料屬性,可以對(duì)材料中的密度、楊氏模量以及泊松比等參數(shù)進(jìn)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(yīng)的接觸;最后將耦合后的文件以.pc格式輸出,即可提交計(jì)算。

PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應(yīng)用研究hypermesh學(xué)習(xí)資料圖片5

圖5 有限元模型以及多剛體假人模型

PAM-CRASH與其他常用汽車碰撞仿真分析軟件接口的應(yīng)用研究hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片6

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(shí)現(xiàn)了多剛體?有限元耦合仿真技術(shù),采用該方法可以進(jìn)行基于人體損傷特征的模塊化的局部有限元假人建模,對(duì)需要詳細(xì)分析的人體部位用精細(xì)的有限元模型來代替常規(guī)的多剛體模型,在滿足損傷分析對(duì)模型精度要求的前提下,確保一定的計(jì)算效率。

5 結(jié)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(jìn)行碰撞仿真分析,同時(shí),PAM-CRASH能夠通過一系列接口實(shí)現(xiàn)與LS-DYNA模型的轉(zhuǎn)換,為不同研究機(jī)構(gòu)之間的交流以及汽車碰撞仿真分析提供了方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘婷,浦登翔. 從LS-DYNA到PAM-CRASH的模型轉(zhuǎn)換及驗(yàn)證[J]. 北京汽車,2008.
[2] 劉軍,李玉龍.PAM-CRASH應(yīng)用基礎(chǔ). 西安:西北工業(yè)出版社,2008.12
[3] 馬春生,李可瑞,張華坤,張金換,黃世霖. 從LS-DYNA到PAM-CRASH的模型轉(zhuǎn)換及側(cè)面碰撞仿真. 汽車工程,2008.
[4] DONG Guang, WANG Da-zhi, ZHANG Jin-huan, HUANG Shi-lin. Finite Element Model Conversion from PAM-CRASH into LS-DYNA and Validation. The 4th International Forum of Automotive Traffic Safety, 2005.
[5] 法國ESI公司. Visual-Crash PAM v8.0 Tutorials,2012.
[6] 申杰. 汽車—行人碰撞事故再現(xiàn)研究與應(yīng)用[D]. 上海交通大學(xué),2007.

本文摘自《ESI虛擬樣機(jī)技術(shù)及應(yīng)用—2014年ESI中國&中航伊薩用戶峰會(huì)論文選集》知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社ISBN 978-7-5130-3037-3

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