基于顯示動力學(xué)的汽車保險杠有限元分析

    顯示算法又分為動態(tài)顯示算法和靜態(tài)顯示算法，動態(tài)顯示算法采用動力學(xué)方程的一些差分格式，不用直接求解切線剛度，不需要進(jìn)行平衡迭代，計算速度快，而且收斂問題一般不存在。數(shù)值計算過程可以很容易的進(jìn)行并行計算，程序編制也相對簡單。顯示算法中質(zhì)量矩陣為對角矩陣，只有在單元級計算盡可能少時才能發(fā)揮其速度優(yōu)勢，所以計算精度難以保證。靜態(tài)顯示算法不需要迭代，因為它基于平衡方程組和Eular向前差分法，這種方法在計算時會使所得結(jié)果慢慢偏離正確值，可靠性較強(qiáng)。

    當(dāng)數(shù)值仿真問題涉及瞬態(tài)、大應(yīng)變、大變形、材料的破壞，材料的完全失效或者伴隨復(fù)雜接觸的結(jié)構(gòu)問題時，通過ANSYS顯示動力學(xué)求解可以滿足客戶的需求。ANSYS顯示動力學(xué)分析包括三種求解器：ANSYS Explicit STR2、ANSYS AUTODYN以及ANSYSLS-DYNA。

    2 基于LS-DYNA求解器的保險杠顯示動力學(xué)分析

    本節(jié)內(nèi)容主要是利用ANSYS Workbench軟件中Explicit Dy-namics（LS-DYNA Export）模塊，對模型進(jìn)行前處理，并生成DYNA求解器所需的k文件，最后在LS prepost軟件中進(jìn)行結(jié)果后處理。

    首先將保險杠幾何模型導(dǎo)入Explicit Dynamics（LS-DYNA Ex-port）模塊中，定義各部分材料屬性，材料屬性如表所示：材料屬性

表1 材料屬性

    將模型導(dǎo)入后施加邊界條件，首先將模擬車身質(zhì)量的物塊和保險杠兩部分在DM窗口中重組，隨后在Mechanical窗口中賦予材料，劃分網(wǎng)格（被撞物體和模擬車身的物塊網(wǎng)格尺寸定義為20mm，保險杠和加厚層尺寸定義為15mm），網(wǎng)格劃分完成后共有61127個節(jié)點(diǎn)和248483個單元。固定約束選擇被撞物塊的外表面，速度設(shè)定為16666mm/s，End time選擇為0.005s。速度選擇為車身和保險杠，分析分為兩組，第一組沒有碳纖維加厚層，第二組有加厚層。將兩組分析生成的k文件導(dǎo)入ANSYS Mechanical APDL ProductLauncher，在simulation environment中選擇LS-DYNA solver，在li-cense中選擇ANSYS LS-DYNA，analysis type選擇Typical LS-DY-NA Analysis，找到相應(yīng)k文件后進(jìn)行運(yùn)算，并將得到的結(jié)果導(dǎo)入LSprepost軟件中進(jìn)行后處理。

    3 結(jié)果后處理及分析

    在LS Prepost軟件中導(dǎo)入DYNA求解器生成的plot文件，調(diào)用Fringe Component命令中的von mises stress選項查看保險杠所受的等效應(yīng)力。

    當(dāng)沒有保護(hù)層保護(hù)的情況下，在撞擊時刻選取最終時，也就是第12步時（12步為系統(tǒng)默認(rèn)生成的步長）的等效應(yīng)力云圖如圖1：

圖1 沒有保護(hù)層時的等效應(yīng)力云圖

    由圖中可以看出，應(yīng)力集中出現(xiàn)的區(qū)域主要為物塊與保險杠接觸面處、保險杠與吸能盒連接處，如果加入前保護(hù)層，保險杠同時刻所受等效應(yīng)力云圖如圖2所示：

    由圖2中可以看出保險杠表面應(yīng)力分布更加均勻，并未出現(xiàn)沒有保護(hù)層時所造成的應(yīng)力較集中的現(xiàn)象，但是，保險杠表面應(yīng)力的大小照之前沒有保護(hù)層時所受應(yīng)力相差不大，此時應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布在保險杠邊緣，變形較大的區(qū)域也主要集中在此，這些應(yīng)力主要是由于墊片層變形所致，雖然結(jié)構(gòu)在鋼板厚度上有所減少，但是由于加裝了保護(hù)層，力學(xué)性能沒有進(jìn)一步的喪失。也能夠達(dá)到預(yù)期的效果，所以具有一定的實(shí)用性。

圖2 有保護(hù)層時保險杠等效應(yīng)力云圖