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。目前国内外许多著名大学、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入已有的*.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2000mm/s的速度撞击刚性墙，其中分析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7.83×10-9，弹性模量为2.07×105，泊松比为0.28； 保险杠、平板以及横梁的材料密度为7.83×10-9，弹性模量为2.07×105，泊松比为0.28，塑性应力－应变数据表： 210  0.0 300  0.0309 314  0.0409 325  0.05 390  0.151 438  0.301 505  0.701 527  0.91 本例单位制为：ton、mm、s。

保险杠撞击刚性墙模型图

　　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据库，重命名为The crash simulation，保存模型为The crash 。 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】4【Import】4【Part】命令，选择随书光盘中的文件，弹出【Create Part From IGS File】对话框如图50所示，根据图50所示设定Repair Options和Topology的相关选项，其它参数默认，单击【Ok】按钮，可以看到在模型树中显示了导入的部件bumper_asm。

　　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）下面的bumper_asm部件，并单击鼠标右键选择Copy命令，弹出Part Copy对话框如图51所示，在Part Copy对话框提示区中输入bumper，并在Copy Options中选择Separate disconnected regions into parts选项，单击【Ok】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_1、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_1、bumper_2、bumper_3、和bumper_4，将部件bumper_1、bumper_2、bumper_3、和bumper_4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 （Create Material），弹出【Edit Material】对话框，输入材料名称Material-wall，执行【General】4【Density】，输入材料密度7.83E-9，执行【Mechanical】4【Elasticity】4【Elastic】，输入弹性模量2.07E3，泊松比0.28，单击【OK】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Material-bumper -plane -rail（三种材料的参数数据是完全一样的），执行【General】4【Density】，输入材料密度7.83E-9，执行【Mechanical】4【Elasticity】4【Elastic】，输入弹性模量2.07E3，泊松比0.28，执行【Mechanical】4【Plasticity】4【Plastic】，输入如图55塑性数据，单击【OK】按钮，完成材料Material-bumper -plane -rail的定义。

　　第五步 单击工具箱中 （Create Section），弹出【Create Section】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【Edit Section】对话框，如图57所示，在Shell thickness（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-bumper、Section-plane、Section-rail，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 （Assign Section），把截面属性Section-wall、Section-bumper、Section-plane以及Section-rail分别赋予部件wall、部件bumper、部件plane和部件rail。

　　3. 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 （Instance Part），在弹出的【Create Instance】对话框中依次选中部件wall、部件bumper、部件plane和部件rail，单击【OK】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 （Seed Part），弹出【Global Seeds】对话框，输入Approximate global size：30，其它参数设置选择默认，单击【OK】按钮，完成种子的设置；单击工具箱中 （Assign Mesh Controls），根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，如图58所示，Element Shape栏中选择单元形状为Quad，Technique栏中选择 Free，单击【OK】按钮；单击工具箱中 （Assign Element Type），选择Explicit、Linear、Shell，即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中 （Mesh Part），单击提示区【Yes】按钮，完成部件wall的网格划分。

　　第八步  从环境栏中Object选择Part：bumper，单击工具箱中 （Seed Part），弹出【Global Seeds】对话框，输入Approximate global size：15，其它参数设置选择默认，单击【OK】按钮，完成种子的设置，执行【Seed Edge】4【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Bias ratio（>=1）：2.0，回车，输入种子数为20，单击【Done】按钮；继续执行【Seed Edge】4【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【Done】按钮，在信息提示区输入Bias ratio（>=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 （Assign Mesh Controls），根据信息区提示选择整个部件bumper，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，设置如图58所示，单击【OK】按钮。单击工具箱中 （Assign Element Type），选择Explicit、Linear、Shell，即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中 （Mesh Part），单击提示区【Yes】按钮，完成部件bumper的网格划分。

图

　　第九步  从环境栏中Object选择Part：plane，单击工具箱中 （Seed Part），弹出【Global Seeds】对话框，输入Approximate global size：15，其它参数设置选择默认，单击【OK】按钮，完成种子的设置；单击工具箱中 （Assign Mesh Controls），根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，设置如图58所示，单击【OK】按钮；单击工具箱中 （Assign Element Type），选择Explicit、Linear、Shell，即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中 （Mesh Part），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 （Verify Mesh），框选整个分析模型（包括四个部件），单击提示区中【Done】按钮，弹出【Verify Mesh】对话框，在Type栏中选择Analysis Checks，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： Part instance: bumper-1 Number of elements : 1518, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) Part instance: plane-1 Number of elements : 120, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) Part instance: rail-1 Number of elements : 204, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) Part instance: wall-1 Number of elements : 425, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 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） 第十一步 从Module列表中选择Interaction，进入Interaction模块，执行【Interaction】4【Property】4【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Interaction Property），在弹出的【Create Interaction Property】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【Edit Contact Property】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】4【Reference Point】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-1。执行【Tools】4【Display Group】4【Create】命令，弹出【Create Display Group】对话框，如图60所示，选择Part instances：bumper-1，单击【Replace】按钮，图形窗口界面只显示了实例bumper。执行【Constraint】4【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Constraint），弹出【Create Constraint】对话框，输入Name：Constraint-rigid-wall，选择Type：Rigid body，单击【Continue】按钮，弹出【Edit Constraint】对话框，如图61所示，Region type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【Edit Constraint】对话框，单击Reference Point栏中Point后面的【Edit】按钮，在图形窗口选择参考点RP-1，返回【Edit Constraint】对话框，单击【OK】按钮，把实例wall约束成刚体。

　　第十三步 执行【Interaction】4【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Interaction），在【Create Interaction】对话框中输入接触名称Int-wall-bumper，分析步选择Initial，接触类型选择选择Surfacc-to-surface contact（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【Edit Interaction】对话框，接触属性对话框的各项设置如图62所示，单击【OK】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Discrete rigid或者Analytical rigid的转变，这里只能运用【Constraint】4【Rigid body】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墙（类型选择Discrete rigid或者Analytical rigid）。

　　第十四步 执行【Constraint】4【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Constraint），弹出【Create Constraint】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bumper Tie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plane Tie区域”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【Edit Constraint】对话框，各参数设定如图63所示，单击【OK】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】4【Create】命令，弹出【Create Constraint】对话框，输入Name：Constraint-plane-rail，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rail Tie区域”作为主面，并选择Brown颜色作为平板接触法向方向，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plane Tie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【Edit Constraint】对话框，如图63所示，在Specify distance后面的文本框内输入5.0，单击【OK】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 （Create Step），弹出【Create Step】对话框，输入分析步名称为Step-crash，选择分析步类型为General：Dynamic，Explicit，单击【Continue】按钮，进入【Edit Step】对话框，输入分析步描述Description：the crash simulation of bumper to wall，分析步Time period：0.01，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ON。 第十七步  执行【Output】4【Restart Requests】命令，弹出【Edit Restart Requests】对话框，如图64所示，勾选Overlay和Time Marks下面的复选框，单击【OK】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一个不错的选择。

　　第十八步  执行【Output】4【Field Output Requests】4【Manager】命令，弹出【Field Output Requests Manager】对话框，单击【Edit】按钮，进入【Edit Field Output Request】对话框，设置Domain：Whole model，Frequency：Every spaced time intervals，Interval：20，Timing：Output at approximate times，Output Variables：CFORCE,LE,S,U，单击【OK】按钮，单击【Dismiss】按钮，退出【Field Output Requests Manager】对话框。 第十九步  执行【Output】4【History Output Requests】4【Manager】命令，弹出【History Output Requests Manager】对话框，单击【Edit】按钮，进入【Edit History Output Request】对话框，设置Domain：Whole model，Frequency：Every spaced time intervals，Interval：200，Timing：Output at approximate times，Output Variables：ALLIE,ALLKE,ETOTAL，单击【OK】按钮，单击【Dismiss】按钮，退出【History Output Requests Manager】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】4【Set】4【Create】命令，弹出【Create Set】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. 定义边界条件与载荷（Load） 第二十一步  从Module列表中选择Load，进入Load模块，执行【BC】4【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Boundary Condition），在弹出的【Create Boundary Condition】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-1，单击信息提示区【Done】按钮，在【Edit Boundary Condition】对话框中选中U1～UR3前面所有的复选框，单击【OK】按钮，完成了实例wall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【Region Selection】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【Edit Boundary Condition】对话框中选中YSYMM前面的复选框，单击【OK】按钮，完成实例bumper对称边界条件的施加。 第二十三步 执行【Predefined Field】4【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Predefined Field），在弹出的【Create Predefined Field】对话框中输入名称Predefined Field-velocity，Step选择初始步Initial，Category选择Mechanical，Types for Selected Step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【Region Selection】对话框，选择Set-velocity集合，单击【Continue】按钮，进入【Edit Predefined Field】对话框，，选择Translational only（只有平动），输入V1：-2.0，V2：0.0，V3：0.0，单击【OK】按钮，完成保险杠模型速度场的定义如图65所示。

　　8. 定义分析作业（Job） 第二十四步  执行【Job】4【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【Edit Job】对话框中输入对作业的描述Description：the crash simulation，作业类型为Full analysis，切换到“Memory”选项卡，根据计算机的实际内存来设置Analysis Input File Processor memory和ABAQUS/Standard memory cap的数值（作者本人全设定为400）。单击【OK】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【Job Manager】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】4【Contours】4【On Deformed Shape】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】4【ODB Display Options】命令，弹出【ODB Display Options】对话框，切换到“Mirror/pattern”选项卡，Mirror Planes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（0.01s）的Mises应力云图如图66所示。

　　第二十六步 执行【Result】4【History Output】命令，弹出【History Output】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【Plot】4【Contours】4【On Deformed Shape】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】4【Field Output】命令，弹出【Field Output】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】4【Contours】4【On Deformed Shape】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】4【Field Output】命令，弹出【Field Output】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】4【Time History】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： Ø 运用壳体进行分析模型的简化； Ø 焊接的处理，即Tie的运用； Ø 重启动分析的定义。