基于ANSYSLSDYNA的轿车车门碰撞仿真模拟毕业论文 定稿(可编辑).doc
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1、基于ANSYSLS-DYNA的轿车车门碰撞仿真模拟毕业论文 定稿 基于ANSYS/LS-DYNA的轿车车门碰撞仿真模拟 摘 要 碰撞问题属于冲击动力学的研究范畴,其过程具有高速、高温、高压等基本特性。因为加载速率高、变形大、接触物体间的侵彻贯入作用,在高速碰撞过程中材料内呈现明显的应变率及绝热温升效应,甚至发生相变。 高速汽车碰撞对车身结构带来的破坏一直受到交通部门的关注,数值模拟因其经济性和高效性日益成为碰撞问题的重要研究手段。它可以节省试验的巨大投入,方便地描述和动态显示问题的整个过程。本文运用ANSYS/LS-DYNA对汽车车门被撞进行了动力学仿真,讨论了多种速度和碰撞角度情形下轿车门被
2、碰撞的情况,对仿真中的各种情况进行的初步分析并对车门设计提出了一些直观建议。 关键词:有限元方法;ANSYS/LS-DYNA;碰撞仿真 Abstract Collision problem belongs to the research areas of impact dynamics,the basic characteristic of its process means to be high speed , high voltage and high temperature. Because of the load of high speed, large deformation, ef
3、fect of penetration between objects, material shows obvious strain rate and adiabatic with temperature rising, even phase changing in the process of high-speed collision. That high-speed collision between automobile damages the body structure is concerned by the traffic departments for a long time.
4、Numerical simulation with the character of economy and efficiency becomes more and more important research method for collision problem. In this paper, a vehicle will run in a door at certain speed and angle, that is based on the analysis ability of ANSYS/LS-DYNAKeywords: Finite element method; ANSY
5、S/LS-DYNA; Collision simulation 目 录 第1章.绪言1第2章.ANSYS/LS-DYNA简介3第3章.问题描述与建模5 3.1分析过程规划5 3.2建立几何模型6 3.3划分有限元网格 11 3.4建立PART11 3.5定义接触信息 12 3.6定义边界条件及约束 13 3.7定义保险杠的初始速度 13 3.8施加保险杠面载荷 14第4章.求解 17 4.1求解设置 17 4.2输出关键字文件Collision.K 18 4.3向LS-DYNA求解器递交求解 19第5章.结果分析 21 5.1观察碰撞过程 21 5.2观察车门内的等效应力分布 22 5.3观察
6、速度值改变后的碰撞结果 24 5.4观察速度方向改变后的碰撞结果 24 5.5小结 27参考文献30 第1章.绪 言1.1工程背景及选题意义 现代工业的进步,得益于计算机技术的突飞猛进。因此,由20世纪进入21世纪,引导人类科技再次进步的将是与计算机相结合的科技。而计算机软件的应用与发展也得力于计算机技术的进步:将计算机软件用于产品的开发、设计、分析与制造,已成为近代工业提高竞争力的主要方法。计算机辅助设计(Computer-aided Design,CAD),即使用计算机软件直接从事图形的绘制与结构体的设计;计算机辅助工程(Computer-aided Engineering,CAE)是用工
7、程上分析的过程及计算方法来辅助工程师做设计后的分析或进行同步工程;而计算机辅助制造(Computer-aided Manufacturing,CAM)则是直接用计算机来辅助操纵各式各样的精密工具机器以制造不同的零部件。国内最早引进的计算机辅助软件是CAD,然后是CAM,最后是CAE。 CAE的技术种类很多,其中包括有限元法,边界元法,有限差分法等。每一种方法都有其应用领域,而有限元法应用的领域越来越广,现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等领域,而随着其越来越多的发展,加上其结合了不同的领域,像流体与结构力学的耦合,电路学与电磁学的耦合,使得CAE的发展越来越迅速,
8、应用也越来也广泛。 碰撞问题属于冲击动力学的研究范畴,其过程具有高速、高温、高压等基本特性。因为加载速率高、变形大、接触物体间的侵彻贯入作用,在高速碰撞过程中材料内呈现明显的应变率及绝热温升效应,甚至发生相变。高速汽车碰撞对车身结构带来的破坏一直受到交通部门的关注,数值模拟因其经济性和高效性日益成为碰撞问题的重要研究手段。它可以节省试验的巨大投入,方便地描述和动态显示问题的整个过程。本文即是应用数值仿真软件ANSYS/LS-DYNA对汽车碰撞中车门的变形仿真,通过对不同速度不同碰撞角度下的碰撞仿真,为车门设计提供初步的建议。 1.2 文章的主要内容和结构 我们在第二章主要介绍了仿真软件ANSY
9、S/LS-DYNA,重点介绍了它处理问题的特点和所适用的求解问题。在第三章和第四章,我们主要介绍了应用ANSYS进行车门建模和用LS-DYNA进行碰撞仿真;在第五章我们分析了多种情形下的仿真结果,并给出了初步分析结论。 第2章ANSYS/LS-DYNA简介2、4 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS
10、是一个应用非常广泛的工程分析软件包。ANSYS软件在工程上的应用相当广泛,包括机械、电机、土木、航空及电子等不同领域,而且在这些方面的应用都能达到相当程度的可靠度,颇获各界好评。计算机辅助工程分析是利用有限元法及数值分析的结合来完成分析工作的。使用该软件可以降低设计成本,缩短设计时间。 LS-DYNA是分析功能最全面的显示分析程序,其前身为美国Lawrence Livermore国家实验室/.lquist博士于1976年主持开发完成的DYNA程序系列,DYNA程序时域积分采用显示的中心差分格式,可用于分析爆炸与高速冲击等过程中的大变形动力响应问题,当时开发DYNA程序的主要目的是为武器设计提供
11、分析工具。1988年,/.lquist创建LSTC公司,推出LS-DYNA程序系列,主要包括显示的LS-DYNA2D、LS-DYNA3D,隐式的LS-NIKE2D、LS-NIKE3D、热分析LS-TOPAZ2D、LS-TOPA3D,前后处理程序LS-MAZE、LS-ORION、LS-INGRID、LS-TAURUS等商用程序,逐步规范和完善程序的分析功能,增加了汽车安全分析、金属板的冲压成形分析以及流固耦合分析等功能,使得LS-DYNA程序系列的应用范围不断得到扩大,并建立起完备的软件质量保证体系。 LS-DYNA是功能齐全的非线性分析程序包,可以处理各类复杂的非线性问题。其显示算法特别适合于
12、分析各类冲击、爆炸、结构撞击等动态非线性问题,同时还可以求解热传导、流体动力学以及流固耦合问题。其算法特点是以Lagrange为主,兼有ALE和Euler算法;以显示求解为主,兼有隐式求解功能;以结构分析为主,兼有热分析、流固耦合功能;以非线性动力分析为主,兼有静力分析功能。 在LS-DYNA发展历程中,与ANSYS的合作是具有重要意义的事件之一。1996年,LSTC公司和ANSYS公司开始进行技术和市场方面的合作,共同推出了ANSYS/LS-DYNA的第一个版本5.5(版本号同ANSYS版本号)。ANSYS/LS-DYNA结合了ANSYS界面的前后处理功能与LS-DYNA的求解器强大的分析能
13、力。对于熟悉ANSYS基本操作的用户而言,使用ANSYS/LS-DYNA来处理各种高度非线性的动态问题是一个很理想的选择。目前,ANSYS/LS-DYNA的最新版本是12.0,其前处理器支持LS-DYNA求解器971版本的大部分分析功能。 LS-DYNA自20世纪90年代引入国内以来,迅速在相关的工作领域中得到广泛的应用,目前该程序已成为国内科研和工程人员开展数值实验以及仿真分析的强有力工具之一。 LSTC公司和ANSYS公司合作推出的ANSYS/LS-DYNA结合了LS-DYNA强大的显示动力分析能力与ANSYS方便易用的前后处理功能,对于熟悉ANSYS结构分析的工程人员,ANSYS/LS-
14、DYNA无疑是最容易使用的显示分析工具。 第3章.问题描述与建模 3.1分析过程规划 如图1所示,车门高1.2m,宽1m,最厚处为0.05m,内材质为空,保险杠截面为0.1m的正方形,取长为1m,略有弧度。保险杠最底部高出车门下边缘0.25m。保险杠将以一定的速度和不同的角度碰撞车门,本论文即分析这一动力过程。 图1 保险杠碰撞车门示意图 车门采用Thin Shell 163壳单元划分网格,为节省机时,车门上的玻璃材质将不予考虑。保险杠模型采用三维实体显示单元SOLID164进行网格化分。车门采用双线性弹塑性模型,因为本文主要分析碰撞过程中车门的变化,故保险杠的材料模型选择为刚体。 为了接近事
15、实,在车门前端上下两点处约束所有自由度,整个车门的边缘施加固定Z向约束边界条件。保险杠与车门之间的接触采用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_AUTOMATIC接触算法。整个建模过程采用kg-m-s国际单位制。 计算结束时间取0.05s,每隔0.001s输出一个结果数据文件。 进入ANSYS/LS-DYNA的程序界面后,通过菜单项Utility MenuFileChange Jobname,指定分析的工作名称为Bumper to Door;通过菜单项Utility MenuFileChange Title,指定图形显示标题为Analysis of Collision。 3.
16、2建立几何模型 3.2.1定义单元类型 选择菜单项Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit /Delete,在弹出的Element Type对话框中,单击ADD按钮,出现Library of Element Types对话框,如图2所示,定义两种所需单元类型。 3.2.2定义材料模型及实常数 选择菜单项Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Models,出现Define Material Model Behavior窗口,如图3所示定义两种材料模型,材料2密度为7.8E3,杨氏模量为2.07E11,泊
17、松比为0.25;材料1参数如图4所示。图2 定义单元类型 图3 定义材料模型 上述材料模型1和2将在后面的建模操作中分别用于车门以及保险杠的单元网格划分。 图4 车门材料各项参数 实常数的定义只需针对Shell 163单元,输入壳单元的厚度为0.0025,剪切参数为5/6,点击OK按钮关闭对话框。 3.2.3建立车门几何模型 在ANSYS的命令窗口输入以下命令即可建立车门的模型:/PREP7K,K,2,1K,3,1,0.6K,4,1.2K,5,0.4,1.1 L,1,2L,2,3LARC,3,4,5L,4,1K,6,0.05K,7,0.8,0.05K,8,0.6,0.05LARC,4,6,7L
18、ARC,6,2,8L,1,6A,1,2,3,4AL,5,6,2,3AL,4,7,5AL,1,7,6K,9,0.05,0.6K,10,0.95,0.6K,11,0.05,1.12K,12,0.4,1.05L,9,10L,11,9LARC,10,11,12AL,8,10,9K,13,0.1L,1,13VDRAG,5,11ASBA,1,5ASBV,2,1L,9,18L,10,17L,11,19AL,9,12,20,14AL,8,12,18,13AL,10,13,19,14 3.2.4建立保险杠几何模型 首先旋转坐标系,在命令窗口输入:WPROTA,-90。然后通过选择菜单项Main MenuPrep
19、rocessorModeling Create AreasRectangleBy Dimensions,在弹出的Create Rectangle by Dimensions对话框中输入保险杠截面尺寸,如图6所示,单击OK按钮。 在命令窗口中输入WPROTA,90,将坐标系归于原来位置。依旧采取命令流的方式建立保险杠模型: 图5 建立保险杠截面K,21,0.5,0.35,0.15K,22,1,0.35,0.2 LARC,20,22,21VDRAG,7,22 LDELE,22,13.3划分有限元网格 分别采用壳单元SHELL163及显示体单元SOLID164对车门和保险杠进行网格的划分,按如下的操
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