行業：汽車

    挑戰：整車被動安全性研究在工程實 際中經常遇到不同軟件有限元 模型之間的轉化問題。

    Altair 解決方案：整車碰撞模型從 LS-DYNA 格 式向 RADIOSS 格式的轉換， 并利用 RADIOSS 顯式求解器 對整車碰撞各工況的仿真分析 計算結果與整車試驗測試數據 進行比較分析。

    優點：采用RADIOSS顯式求解器得 到的整車碰撞仿真結果與試驗 結果吻合較好，計算精度較高， 驗證了模型的轉化方法的可行 性和合理性。

    背景介紹 

    仿真分析是汽車碰撞安全性研究的重要手段。在汽車被動安全性整車仿真 分析中，常用的有限元仿真分析求解器軟件有 LS-DYNA、RADIOSS、 PAM-CRASH、ABAQUS 等。整車被動安全性研究是汽車研發領域中的重點， 工程實際中經常遇到不同軟件有限元模型之間的轉化問題。 

    針對上海汽車某項目，探討某轎車從 LS-DYNA 向 RADIOSS 的轉換方法， 然后針對 RADIOSS 格式的模型仿真分析結果與工程上的應用，利用整車 64KPH 偏置碰、50KPH 全寬正碰、以及 50KPH 的可移動變形壁障等試驗測試 數據進行了比較。驗證了 RADIOSS 求解器計算結果的在工程上的可行性，以 及與試驗結果的一致性。   

    挑戰 

    整車碰撞模型主要包括白車身、座椅、底盤、轉向、動力總成等結構。針 對不同的碰撞規則，又帶有可移動壁障、固定壁障以及剛形體臺車等。整車有 限元模型，節點總數為 1289275，單元總數為 1332879，其中殼單元總數為 1280025，實體單元總數為 40606，一維單元總數為 12248，二維單元的平均 尺寸為 8mm。

     

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    “從對比結果可以看出，采用 RADIOSS 顯式求解器得到的整車碰撞仿真結果與試驗結果吻合較好，計算精 度較高，從而驗證了新轉化的 RADIOSS 模型的有效性，并進一步驗證了模型的轉化方法的可行性和合理性。” 

                                                                                                                            摘自 Altair 技術論文 

                                                                                                                           作者周會鋒 杜漢斌 王大志 湯曉東 該案例榮獲“2012中國CAE應用最佳實踐案例”                                                                                                                

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    解決方案

    軟件自動轉換 

    在某轎車碰撞安全性研究過程中，以此轎車完善的整車碰撞有限元模型為基礎，進行從 LS-DYNA 格式到 RADIOSS 格式的轉換。 

    首先，打開 HyperWorks 的 HyperCrash 模塊，選擇 RADIOSS 格式，導入 LS-DYNA 格式的整車子模型文件。 導入成功后，采用 Model Checker 功能對模型進行初步的檢查，查看轉化成 RADIOSS 格式的模型是否有錯誤，并 檢查 Warning 信息主要內容，然后再將此模型用指定的 RADIOSS 格式導出，形成*.RAD 文件，從而實現模型文件 格式上的自動轉換。 

    LS-DYNA 代碼格式默認為每行 80 個有效字符，RADIOSS 代碼格式則默認是每行 100 字符，且控制卡片的組 合形式均不一樣。自動轉換過程可以將模型的 PART、NODE、ELEMENT 等信息的格式，以及常用的零部件材料特 性、厚度特性的基本格式轉換為相應的模式。通過軟件自動轉換過來的基本參數格式一致，但是二者之間的轉換仍存 在不能完全自動實現的情況，這些情況需要通過手動方式進行調整。 

    材料模型和單元的屬性 

    由于 LS-DYNA 和 RADIOSS 對零部件的材料和單元屬性的定義方式不同，計算時對應的各項最佳參數也不同， 需要手工調整的內容主要有材料的各項參數、單元屬性各項參數。 

    對于具體的材料參數的設定，在本次模型轉換中，選用了在不同應變速率下定義多個應力應變曲線的方法。 

    整車模型中常的轉動副、阻尼、彈簧、球鉸，以及焊點、包邊、粘膠等特征，在 LS-DYNA 和 RADIOSS 中均用 一維單元來模擬，其區別在于 LS-DYNA 格式的模型將分別對一維單元賦予單元屬性卡片和材料屬性卡片，而 RADIOSS 格式的模型中，一維單元的所有屬性均通過一張卡片來實現，其中還包含所有可能的失效方式，不需要再 單獨賦予其材料特性。 

    焊點和剛體連接 

    在 LS-DYNA 中，焊點的定義是通過 beam 一維單元及其兩個節點與相關零部件之間的 tie 接觸來實現的。在 RADIOSS 中，焊點的定義是通過 spring beam 一維單元，同時對于每組 spring beam 單元的上下節點分別與對應的 零部件生成一個 type2 接觸來實現的。 

    本模型中，剛體的屬性體現在 RBODY 中，如發動機、變速器剛體的屬性，如質心、轉動慣量等，其材料選用普 通的彈性體材料，目的在于體現帶網格的剛體與周圍零部件發生接觸時的有效接觸剛度。對于螺栓形式的剛性體連接， LS-DYNA 和 RADIOSS 均可以對相應零部件采用 rigid body 來實現。對于剛性體與剛性體之間的連接，如子模型之 間的連接，在 LS-DYNA 中，各子總成之間的連接均通過剛性片以及*CONSTRAINED_RIGID_BODIES 控制卡片將 兩個剛體連接在一起。而在 RADIOSS 中，則采用一個 RBODY，所選擇的節點通過 group by part 的形式將兩個片 體的所有 node 組合在一起，從而實現將兩個剛性片連接在一起，而這兩個片體均設置為彈性體材料，如表 1 所示。

    以上特點可以總結為，DYNA 中所有的剛體屬性單元，可以不參加計算。RADIOSS 中剛體特征均采用 RBODY 和一般彈性材料組合來模擬，所有信息均參與模型計算，所以對模型質量要求比較高。

    邊界條件的加載 

    整車模型邊界條件的加載包含整車基本模型、壁障的加載及相關設置、整車自接觸以及與壁障/地面之間的接觸 設置、整車模型需要重點研究的截面力、加速度、應力、應變以及零部件能量變化等信息要求的設置和輸出。不同軟 件均有其獨自的設置方式，且相關的控制參數均具有其軟件包含的獨自的特性。

    模型計算的控制卡片 

    模型轉換時，HyperCrash 會自動生成一個求解計算的 engine 控制文件，根據不同的要求對求解計算控制參數 進行詳細設定，主要包括計算時間、計算步長控制、輸出信息的類別設定等。LS-DYNA 與 RADIOSS 的不同之處在 于，前者可以單獨給予各項時間歷程數據信息不同的輸出方式和輸出時間間隔，而后者對所有的時間歷程數據信息只 能采用相同的輸出方式和輸出時間間隔。RADIOSS 可以通過不同的 engine 文件對模型進行各個時間段的獨立求解。 

    在此以常用工況 50FFB、64ODB、50MDB 為例，結合相應的試驗數據，經過校核有限元模型中零部件的幾何 形狀、材料和厚度，調整臺車與整車的相對位置，利用 RADIOSS 有限元軟件進行計算，得到對標分析結果。 

    壁障臺車信息 

    RADIOSS 格式的偏置碰固定壁障為 solid 壁障，總質量為 26.1kg，節點總數為 49180，單元總數為 48311，其 中殼單元總數為 9310，實體單元總數為 39000，并包括一個剛體單元，如圖 2 所示。 

    RADIOSS 格式的側碰可移動變形壁障總質量為 950kg，其中分為前面碰撞塊 24kg，臺車 926kg。模型的基本 信息中，節點總數為 8629，殼單元總數為 348，實體單元總數為 6300，如圖 3 所示。

    能量信息 

    在整車仿真計算過程中，主要包括的物理能量有動能、內能、沙漏能、接觸能等能量信息。從圖 4 可以看出，整 車 50FFB 正面碰撞使用 RADIOSS 計算仿真過程中，整個模型的物理能量保持平穩下降趨勢。動能和內能的變化也 處于合理狀態之中，沙漏能占總能量的 3.7%，接觸能量占總能量的 14%。  

    計算結果與試驗結果的比較 

    在整車正碰中通過考察前圍板侵入量、前縱梁變形模式以及 B 柱的加速度等特性來分析車體結構特征。整車側 碰工況中通常考察 B 柱內板侵入量、門內板關鍵部位侵入量、門外板變形模式以及 B 柱的速度特性等來分析車體結 構特征。通過采用 RADIOSS 顯式求解器，對整車模型上述各工況進行計算和分析，并與相應的物理試驗進行比較，從比較結果可以看出，該轉換方法在實際應用中是非常有效的。 

    整車關鍵部位變形圖 

    在整車全正碰和 40%重疊偏置碰工況中，前縱梁的變形模式是車體結構考察的重點，同時也是校對模型是否正 確的一個衡量指標。將 100%全正碰工況左右縱梁的變形模式與物理試驗進行比較，縱梁的變形模式基本一致。

    整車加速度曲線 

    在整車全正碰和 40%重疊偏置碰工況中，B 柱的加速曲線間接反映出車體結構在碰撞過程中的變形次序以及整車 的碰撞剛度。從圖 6 可以看出，曲線的幾個波峰和波谷的相位基本吻合，總體變化趨勢基本一致。 

    整車侵入量比較 

    在整車全正碰和 40%重疊偏置碰工況中，前圍板的侵入量是考察車體結構變形是否合理的一個重點。在整車側 碰工況中，B 柱內板的侵入量以及門內板關鍵部位的侵入量是考察側碰的一個重點。從圖 7 比較結果可以看出，B 柱 內板各位置侵入量仿真結果與試驗結果最大相差僅在 10mm 左右。

    結論 

    本次模型轉換基于某項目整車模型，詳細闡述有限元模型從 LS-DYNA 向 RADIOSS 的基本流程以及轉換方法， 并利用該方法成功實現整車碰撞模型的轉換，證明了此轉換方法的可行性。RADIOSS 格式整車模型仿真計算結果與 整車試驗測試數據相比較的結果表明，仿真計算結果中整車結構變形模式和整車加速度曲線與實驗測試數據具有良好 的一致性。從而再次證明此模型轉換方法和基本流程以及 RADIOSS 模型求解器運用于整車碰撞計算的有效性。 

該模型轉換方法和流程可以為各工程領域類似 LS-DYNA 模型向 RADIOSS 模型的轉換提供有效的參考依據，具 有重要的工程應用價值。    

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