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1、碰撞分析案例：保险杠撞击刚性墙ABAQUS/Explicit显式非线性碰撞分析案例：保险杠撞击刚性墙案例关注重点：焊接和撞击有限元分析模型的定义案例背景随着科学技术的发展，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具。但当今由于交通事故造成的损失日益剧增，研究汽车的碰撞安全性能，提高其耐撞性成为各国汽车行业研究的重要课题。目前国内外许多着名大学、研究机构以及汽车生产厂商都在大力研究节省成本的汽车安全检测方法，而汽车碰撞理论以及模拟技术随之迅速发展，其中运用有限元方法来研究车辆碰撞模拟得到了相当的重视。而本案例就是取材于汽车碰撞模拟分析中的一个小案例保险杠撞击刚性墙。案例分析本案例的几何模型是通过导
2、入己有的*IGS文件来生成的(已经通过专用CAD软件建好模型的)，共包括刚性墙(PART-wall)、保险杠(PART-bumper)、平板(PART-Plane)以及横梁(PART-rail)四个部件，该分析案例的关注要点就是主要吸能部件(保险杠)的变形模拟，即发生车体碰撞时其是否能够对车体有足够的保护能力？其是否能够将撞击瞬间的动能转化为内能吸收掉以保护驾驶等人员的安全？作者这里根据具体车体模型建立了保险杠撞击刚性墙的有限元分析模型，为了节省计算资源和时间成本这里也对保险杠的对称模型进行了简化，详细的撞击模型请参照图49所示，撞击时保险杠分析模型以20OOmm/s的速度撞击刚性墙，其中分析
3、模型中的保险杠与平板之间、平板与横梁之间不定义接触，采用焊接进行连接，对于保险杠和刚性墙之间的接触采用接触对算法来定义。分析模型中各部件的材料参数：刚性墙的材料密度为7.8310-9,弹性模量为2.07X105,泊松比为0.28；保险杠、平板以及横梁的材料密度为7.8310-9,弹性模量为2.07X105,泊松比为0.28,塑性应力一应变数据表：2100.03000.03093140.04093250.053900.1514380.3015050.7015270.91本例单位制为：ton、mm、s。14.4.3案例求解1 .定义部件(Part)第一步启动ABAQUS/CAE,创建一个新的模型数
4、据库，重命名为Thecrashsimulation,保存模型为Thecrashsimulation.caeo第二步通过导入已有的*.IGS文件来创建各个部件，在主菜单中执行【File?Import?Part命令，选择随书光盘中的bumper_asm.igs文件，弹出【CreatePartFromIGSFile对话框如图50所示，根据图50所示设定RepairOptions和Topology的相关选项，其它参数默认，单击【0k】按钮，可以看到在模型树中显示了导入的部件bumper_asn)o第三步从Module列表中选择Part,进入Part模块，通过鼠标左键选择模型树中模型Parts(1)下面
5、的bumper_asm部件，并单击鼠标右键选择Copy命令，弹出PartCopy对话框如图51所示，在PartCopy对话框提示区中输入bumper,并在CopyOptions中选择Separatedisconnectedregionsintoparts选项，单击【0k】按钮完成导入几何模型四个部件的分离，这时我们可以看到模型树上模型Parts(1)下有五个部件，分别为bumper_asm、bumper、bumper_2、bumper_3、和bumper_4,选择bumper_asm部件单击鼠标右键并选择Delete命令删除此部件，此时模型Parts（1）下只剩下了四个部件，分别为bumper
6、1、bumper2、bumper_3和bumper_4,将部件bumper1bumper2、bumper3和bumper4分别对应更名为wall（刚性墙）如图51所示、bumper（保险杠）如图52所示、plane（平板）如图53所示和rail（横梁）如图54所示。2 .定义材料属性（Property）第四步从Module列表中选择Property,进入Property模块，单击工具箱中（CreateMaterial）,弹出EditMaterial对话框，输入材料名称Material-Wa11,执行【General?Density,输入材料密度7.83E-9,执行【Mechanical?Ela
7、sticity?Elastic,输入弹性模量2.07E3,泊松比0.28,单击【0K】按钮，完成材料Material-wall的定义；继续创建另外一种材料，材料名称为Materialbumper-plane-rail（三种材料的参数数据是完全一样的），执行General?Density,输入材料密度7.83E-9,执行【Mechanical?Elasticity?Elastic,输入弹性模量2.07E3,泊松比0.28,执行【Mechanical?Plasticity?Plastic,输入如图55塑性数据，单击【0K】按钮，完成材料Material-bumper-plane-rai1的定义。第
8、五步单击工具箱中（CreateSection）,弹出【CreateSection对话框，如图56所示，创建一个名称为Section-wall的均匀壳截面，单击【Continue】按钮，弹出EditSection对话框，如图57所示，在Shellthickness（壳厚度）文本框内输入1,材料使用Material-wall,为了提高运算效率我们选用默认的SimPSon积分算法，在壳体厚度方向上布置3个积分点，Section-wall的截面属性参数设置完成后如图57所示；按照上述方法继续创建另外三个截面属性，名称分别为：Section-bumperSection-planesSection-rai
9、l,壳体厚度分别为1、2、3,材料使用Material-bumper-plane-rail,算法选用默认的Simpson积分算法，壳体厚度方向上布置3个积分点。单击工具箱中(ASSignSection),把截面属性Section-wallSection-bumperSection-plane以及Section-rail分别赋予部件wall部件bumper、部件plane和部件railo3 .定义部件装配(Assembly)第六步从Module列表中选择Assembly,进入Assembly模块，单击提示区中(InstancePart),在弹出的【CreateInstance对话框中依次选中部件
10、wall部件bumper部件plane和部件rail,单击【0K】按钮，创建了各个部件的实例，其中各个实例已经按照默认位置装配完成，各个实例最终装配模型如图49所示。4 .定义网格划分(Mesh)第七步从Module列表中选择Mesh,进入MeSh模块，环境栏中Object选择Part：wall,单击工具箱中(SeedPart),弹出【GlobalSeeds对话框，输入Approximateglobalsize：30,其它参数设置选择默认，单击【0K】按钮，完成种子的设置；单击工具箱中(ASSignMeshControls),根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane,单击【D
11、one】按钮，弹出【MeshControls对话框，如图58所示，ElementShape栏中选择单元形状为Quad,Technique栏中选择Free,单击0K按钮；单击工具箱中(ASSignElementType),选择EXPIiCit、LinearShell,即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中(MeShPart),单击提示区【Yes按钮,完成部件WaIl的网格划分。第八步从环境栏中Object选择Part：bumper,单击工具箱中(SeedPart),弹出GlobalSeeds对话框，输入Approximateglobalsize：15,其它参数设置选择默认，单击【0K】按钮
12、，完成种子的设置，执行【SeedEdge?Biased命令，用鼠标左键选择如图59所示左边的两条曲线，选择时鼠标尽量靠近图示箭头指向曲线的一半区域，单击信息提示区的【Done】按钮，在信息提示区输入Biasratio0=1)：2.0,回车，输入种子数为20,单击【Done】按钮；继续执行【SeedEdge?Biased命令，用鼠标左键选择如图59所示右边的四条曲线，注意箭头指向方向，单击信息提示区的1.Done按钮，在信息提示区输入Biasratio0=1)：3.0,回车，输入种子数为4,单击【Done】按钮完成种子设置。单击工具箱中(ASSignMeshControls),根据信息区提示选择
13、整个部件bumper,单击【Done】按钮，弹出【MeshControls对话框，设置如图58所示，单击【0K】按钮。单击工具箱中(ASSignElementType),选择ExplicitsLinearShell,即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中(MeShPart),单击提示区【Yes】按钮，完成部件bumper的网格划分。第九步从环境栏中Object选择Part：plane,单击工具箱中(SeeClPart),弹出GlobalSeeds对话框，输入Approximateglobalsize：15,其它参数设置选择默认，单击【0K】按钮，完成种子的设置；单击工具箱中(ASSign
14、MeshCOntrOIS),根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane,单击【Done】按钮，弹出【MeshControls)对话框，设置如图58所示，单击【0K】按钮；单击工具箱中(ASSignElementType),选择EXPliCit、LinearShell,即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中(MeShPart),单击提示区【Yes】按钮，完成部件plane的网格划分，按照如同部件Plane网格划分参数的设定完成部件rail的网格划分。第十步从环境栏中Object选择Assembly,单击工具箱中(VerifyMesh),框选整个分析模型(包括四个部件)，单击
15、提示区中【Done】按钮，弹出【VerifyMesh对话框，在Type栏中选择AnalysisChecks,单击【Highlight】按钮，可以统计整个分析模型各个实例的网格信息如下所示：Partinstance:bumper-1Numberofelements:1518,Analysiserrors:0(0%),Analysiswarnings:0(0%)Partinstance:plane-1Numberofelements:120,Analysiserrors:0(0%),Analysiswarnings:0(0%)Partinstance:rail-lNumberofelements:
16、204,Analysiserrors:0(0%),Analysiswarnings:0(0%)Partinstance:wall-lNumberofelements:425,Analysiserrors:0(0%),Analysiswarnings:0(0%)通过分析模型的网格分析检查所知，各实例模型网格质量没有警告和错误信息。5 .定义接触(Interaction)第H步从Module列表中选择Interaction,进入InteraCtiOn模块，执行Interaction?Property?Create命令，或者单击工具箱中(CrCatCInteractionProperty),在弹出的
17、CreateInteractionProperty对话框中输入接触属性名称IntProp-nofric,Type选择Contact,单击【Continue】按钮，进入EditContactProperty对话框，接受该属性的所有默认设置，定义了一个无摩擦接触属性。第十二步执行【Tools?ReferencePoint命令，在图形窗口选择实例wall的任意一个角点，创建一个参考点RP-Io执行【Tools?DisplayGroup?Create命令，弹出【CreateDisplayGroup对话框，如图60所示，选择Partinstances：bumper-1,单击【Replace按钮，图形窗口
18、界面只显示了实例bumpero执行Constraint?Create命令，或者单击工具箱中(CreateConstraint),弹出CreateConstraint对话框，输入Name：Constraint-rigid-wall,选择Type：Rigidbody,单击【Continue】按钮，弹出【EditConstraint对话框，如图61所示，Regiontype中选择Body(elements),单击右部的【Edit】按钮，在图形窗口中选择实例wall的全部，单击提示区中【Done】按钮，返回【EditConstraint)对话框，单击ReferencePoint栏中Point后面的【E
19、dit】按钮，在图形窗口选择参考点RPT,返回【EditConstraint对话框，单击【0。按钮，把实例wall约束成刚体。第十三步执行Interaction?Create命令，或者单击工具箱中(CreateInteraction),在【CreateInteraction对话框中输入接触名称Int-WaII-bumper,分析步选择Initial,接触类型选择Surfacc-to-surfacecontact(Explicit),单击Continue按钮，根据提示区信息选择刚性墙作为主面，单击鼠标中键，根据信息提示区选择Brown颜色作为刚性墙法向方向，选择从面类型为Surface,运用显示
20、组命令是图形界面只显示实例bumper,选取整个实例bumper,单击鼠标中键，选择Purple颜色作为保险杠接触的法向方向，单击鼠标中键，弹出【EditInteraction对话框，接触属性对话框的各项设置如图62所示，单击【0K】按钮，完成实例刚性墙和保险杠接触关系的设置。注释：这里对实例wall施加刚体约束，是因为部件wall是从外部导入的几何模型，不能实现部件类型从Deformable到Discreterigid或者Analyticalrigid的转变,这里只能运用(Constraint?Rigidbody的命令实现刚性墙的建立,否则就要自己从新在ABAQUS/CAE界面下从新建立刚性
21、墙(类型选择Discreterigid或者Analyticalrigid)第十四步执行【Constraint?Create命令，或者单击工具箱中(CreateConstraint),弹出【CreateConstraint对话框，输入Name：Constraint-plane-bumper,选择Type：Tie,单击【Continue】按钮，选择主面类型为Surface,根据提示区信息选择如图53的“与部件bumperTie区域”作为主面，并选择Purple颜色作为平板接触的法向方向，单击鼠标中键，完成主面定义；根据提示区信息选择从面类型为Surface,选择如图52的”与部件planeTie区
22、域”作为从面，并选择Brown颜色作为保险杠接触法向方向，单击鼠标中键，弹出【EditConstraint对话框，各参数设定如图63所示，单击【0K】按钮，完成实例plane和实例bumper之间的焊接设定。第十五步按照第十四步的方法设定实例plane和实例rail之间的焊接。执行Constraint?Create命令，弹出【CreateConstraint对话框，输入Name：Constraint-plane-rai1,选择Type：Tie,单击【Continue】按钮，选择主面类型为Surface,根据提示区信息选择如图53的“与部件railTie区域”作为主面，并选择BrOWn颜色作为平
23、板接触法向方向，单击鼠标中键，完成主面定义；根据提示区信息选择从面类型为Surface,选择如图54的“与部件planeTie区域”作为从面，并选择Purple颜色作为横梁接触的法向方向，单击鼠标中键，弹出【EditConstraint对话框，如图63所示，在Specifydistance后面的文本框内输入5.0,单击【0K】按钮，完成实例plane和实例rail之间的焊接设定。6 .定义分析步(Step)第十六步从Module列表中选择Step,进入Step模块，单击工具箱中(CreateStep),弹出【CreateStep对话框，输入分析步名称为Step-crash,选择分析步类型为Ge
24、neral：Dynamic,Explicit,单击【Continue】按钮，进入【EditStep对话框，输入分析步描述Description：thecrashsimulationofbumpertowall,分析步Timeperiod：0.OL单击【OK】按钮，完成一个动态显式分析步定义，其中选项Nlgeom默认为0N。第十七步执行【Output?RestartRequests命令，弹出【EditRestartRequests对话框，如图64所示，勾选OVerIay和TimeMarks下面的复选框，单击0K按钮，完成创建重启动要求注释：重启动的创建对于复杂模型的计算模拟以及需要不断试算的项目
25、来说，是及其方便的并能节省大量的计算成本和时间，其可以避免因外界不可抗拒因素等(例如：停电，计算机本身原因等等)所造成的不必要损失，而对于阶段性进行试算的项目其也是个不错的选择。第十八步执行【Output?FieldOutputRequests?Manager命令，弹出FieldOutputRequestsManager对话框，单击【Edit】按钮，进入【EditFieldOutputRequest对话框，设置Domain：Wholemodel,Frequency：Everyspacedtimeintervals,Interval：20,Timing：Outputatapproximateti
26、mes,OutputVariables：CFORCE,LE,S,U,单击【OK】按钮，单击【Dismiss】按钮，退出【FieldOutputRequestsManager对话框。第十九步执行【Output?HistoryOutputRequests?Manager命令，弹出HistoryOutputRequestsManager对话框，单击【Edit】按钮，进入【EditHistoryOutputRequest对话框，设置Domain：Wholemodel,Frequency：Everyspacedtimeintervals,Interval：200,Timing：Outputatappro
27、ximatetimes,OutputVariables：LLIE,LLKE,ETOTAL,单击OK按钮，单击(Dismiss按钮,退出【HistoiyOutputRequestsManager对话框，完成分析结果数据输出的设定。第二十步为速度场的施加创建一个类型为Geometry的集合，执行【Tools?Set?Create命令，弹出【CreateSet对话框，输入集合名称：Set-velocity,Type默认为Geometry,单击【Continue】按钮，进入图形窗口选择包括实例bumper、实例plane和实例rail的全部几何特征,完成集合Set-velocity的创建。7 .定义边
28、界条件与载荷(Load)第二H步从Module列表中选择Load,进入Load模块，执行【BC】?Create命令，或者单击工具箱中(CreateBoundaryCondition),在弹出的【CreateBoundaryCondition对话框中输入边界条件名称BC-fixed-wall,Step选择Initial,边界条件类型选择Displacement/Rotation,单击【Continue】按钮，选择实例wall上的参考点RP-I,单击信息提示区【Done】按钮，在【EditBoundaryCondition对话框中选中U1UR3前面所有的复选框，单击【0K】按钮，完成了实例wall
29、的约束施加。第二十二步继续按照上述步骤创建一个新的边界条件，名称BC-symm-bumper,Step选择初始步Initial,在对话框中选择Mechanical：Symmetry/Antisymmetry/Encastre,单击【Continue】按钮，在弹出的【RegionSelection对话框中选择实例bumper对称边界线如图66所示，单击【Continue】按钮，在【EditBoundaryCondition对话框中选中YSYMM前面的复选框，单击【0K】按钮，完成实例bumper对称边界条件的施加。第二十三步执行【PredefinedField?Create命令，或者单击工具箱中
30、（CreatePredefinedField）,在弹出的【CreatePredefinedField对话框中输入名称PredefinedField-velocity,Step选择初始步Initial,Category选择Mechanical,TypesforSelectedStep选择Velocity,单击【Continue】按钮，单击底部信息提示区后面的【Sets】按钮，弹出【RegionSelection对话框，选择Set-velocity集合，单击【Continue】按钮，进入【EditPredefinedField对话框，选择Translationalonly（只有平动），输入Vl：-
31、2.0,V2：0.0,V3：0.0,单击0K按钮，完成保险杠模型速度场的定义如图65所示。详细案例可以参考topic-491056,aspx8 .定义分析作业（Job）第二十四步执行【Job?Create命令，或者单击工具箱中，在弹出对话框中输入作业名称Job-crash,Source选择Model：mobile-1,单击【Continue】按钮，在EditJob对话框中输入对作业的描述Description：thecrashsimulation,作业类型为Fullanalysis,切换到“Memory”选项卡，根据计算机的实际内存来设置AnalysisInputFileProcessorme
32、mory和ABAQUS/Standardmemorycap的数值（作者本人全设定为400）c单击【0K】按钮，完成作业定义。单击Submit按钮提交作业，作业计算完成后单击JobManager对话框中的Results）按钮进入Visualization模块。9.结果分析和处理（ViSUaliZation）第二十五步执行Plot?Contours?OnDeformedShape命令，或者单击工具箱中，显示模型变形后的Mises应力云图，执行【View?ODBDisplayOptions命令,弹出ODBDisplayOptions对话框,切换到“Mirror/Pattern”选项卡,MirrorP
33、lanes选中XZ坐标平面，单击【Apply】按钮，显示了整个保险杠模型和刚性墙碰撞瞬间（0.0IS）的Mises应力云图如图66所示。第二十六步执行【Result?HistoryOutput命令，弹出【HistoryOutput对话框，在对话框中选中ALLIE,ALLKE以及ETOTAL,单击【Plot】按钮，显示系统内能曲线，系统的动能曲线以及系统总能量曲线如图67所示，从图中可以看到系统的总能量是守恒的。第二十七步执行【Plol?Contours?OnDeformedShape命令，或者单击工具箱中，显示模型变形后的Mises应力云图，执行【Result?FieldOutput命令,弹出
34、【FieldOutput】对话框，在对话框中选中U,单击【Apply】按钮，显示模型的位移变形图如图68所示。第二十八步执行Plot?Contours?OnDeformedShape命令，或者单击工具箱中，显示模型变形后的MiSeS应力云图，执行【Result?FieldOutput）命令,弹出（FieldOutput对话框，在对话框中选中保险杠模型的CNORMF,单击Apply按钮，显示保险杠和刚性墙碰撞的法向接触力如图69所示。第二十九步执行【Animate?TimeHistory命令，通过动画显示保险杠碰撞刚性墙的整个应力云图或者位移云图过程。案例回顾与总结案例结果分析：本案例分析的目的是模拟在高度撞击过程中车辆保险杠吸能的情况，从本案例的后处理结果来看，其碰撞过程后保险杠模型的应力云图、变形云图以及能量变化曲线等都能说明保险杠通过内能的转化吸收完全可以消化碰撞过程中系统大部分的动能。近年来运用有限元分析来模拟汽车安全测试项目受到了各科研院所以及汽车研发公司的大力推展，从本分案例也可以看出有限元分析可以从各个角度来显现碰撞后保险杠的设计是否能达到汽车安全要求。读者通过保险杠撞击刚性墙分析案例应该掌握以下几个知识点：？?运用壳体进行分析模型的简化；？?焊接的处理,即Tie的运用；？?重启动分析的定义。
