1、吉林大学本科生毕业论文基于 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碰撞的情况，对仿真中的各种情况进行的初步分
2、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；碰撞仿真吉林大学本科生毕业论文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, effect of pene
3、tration 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. Numerical sim
4、ulation 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-DYNA. Keywords: Finite element method; ANSYS/LS-DYNA;
5、Collision simulation吉林大学本科生毕业论文目 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53.1 分析过程规划53.2 建立几何模型63.3 划分有限元网格 113.4 建立 PART113.5 定义接触信息 123.6 定义边界条件及约束 133.7 定义保险杠的初始速度 133.8 施加保险杠面载荷 14第 4 章求解 174.1 求解设置 174.2 输出关键字文件 Collision.K 184.3 向 LS-DYNA 求解器递交求解 19吉林大学本科生毕业论文第 5 章结果分析 215.1 观察碰撞过程 215.2 观察
6、车门内的等效应力分布 225.3 观察速度值改变后的碰撞结果 245.4 观察速度方向改变后的碰撞结果 245.5 小结 27参考文献30吉林大学本科生毕业论文1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
7、工程（Computer-aided Engineering，CAE）是用工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
8、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，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、接触物体间吉林大学本科生毕业论文2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
9、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 ANSYS/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。吉林大学本科生毕业论文3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
10、享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。ANSYS 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 J.O.Hallquist 博士于
11、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分析工具。1988 年，J.O.Hallquist 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
12、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吉林大学本科生毕业论文4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
13、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
14、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-DYNA 无疑是最容易使用的显示分析工具。吉林大学本科生毕业论文5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
15、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。为了接近事实，在车门前端上下两点处约束所有自由度，整吉林大学本科生毕业论文6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
16、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。3.2 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,泊松比为 0.25；材料 1 参数如图 4 所示。
