CAE(Computer Aided Engineering）從60年代初在工程上開始應(yīng)用到今天，已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷史，其理論和算法都經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過程。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，LS-DYNA是顯示動力分析系統(tǒng)的卓越代表，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，是汽車碰撞安全性能分析的必不可少的工具。

我從事汽車碰撞安全性能分析工作十余年，深知汽車碰撞CAE分析的艱難，從模型搭建的技巧、控制參數(shù)的設(shè)置、結(jié)果后處理的剖析都需要大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本課程我將多年的行人保護(hù)CAE分析經(jīng)驗(yàn)分享給大家，希望大家的勤勉練習(xí)，相信每個(gè)人都能夠熟練掌握行人保護(hù)CAE分析技能。

行人保護(hù)是汽車碰撞CAE分析中對分析精度要求比較高的一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，讀過C-NCAP（2018版）法規(guī)的朋友都知道，法規(guī)要求主機(jī)廠提供行人保護(hù)預(yù)測得分，而且將行人保護(hù)的預(yù)測得分與實(shí)際試驗(yàn)得分相比較得出修正系數(shù)修正行人保護(hù)得分，一個(gè)行人保護(hù)分析需要打擊近200個(gè)點(diǎn)位，全部依賴于試驗(yàn)的周期和費(fèi)用是相當(dāng)巨大的，因此各大主機(jī)廠通常都是進(jìn)行CAE仿真分析得到所有打擊點(diǎn)的傷害值，再通過2-3輪試驗(yàn)進(jìn)行修正。

本課程采用LS-DYNA進(jìn)行分析求解工具，使用Oasys系列軟件作為前后處理工具。Oasys系列軟件廣泛應(yīng)用于各大主機(jī)廠，其操作便捷、簡單易學(xué)、糾錯功能強(qiáng)大、100%支持LS-DYNA關(guān)鍵字，在汽車碰撞專業(yè)備受歡迎，掌握該軟件能夠大幅度提升汽車碰撞模型前后處理速度和模型準(zhǔn)確度。

一、法規(guī)介紹

汽車行人保護(hù)仿真分析系列課程從法規(guī)介紹開始，國內(nèi)整車碰撞多以C-NCAP（2018版）法規(guī)為主，其中關(guān)于行人保護(hù)部分的試驗(yàn)和評價(jià)方法是我們進(jìn)行汽車行人保護(hù)仿真分析的法規(guī)依據(jù)。多數(shù)車型將整車安全目標(biāo)定義為C-NCAP五星，按照法規(guī)要求，行人保護(hù)部分得分要大于等于65%，行人保護(hù)總分為15分（頭型12分+腿型3分），即行人保護(hù)得分大于等于9.75分，進(jìn)一步可以分解為頭型得分目標(biāo)為6.75分，腿型得分目標(biāo)3分（按C-NCAP官網(wǎng)統(tǒng)計(jì)及以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化和項(xiàng)目開發(fā)過程控制，腿型通常能夠得到滿分3分）。

C-NCAP進(jìn)行行人保護(hù)測試大約需要45個(gè)工作日，分為頭型試驗(yàn)和腿型試驗(yàn)，頭型試驗(yàn)中撞擊速度為40km/h，兒童頭型撞擊角度為50度，成人頭型撞擊角度為65度；腿型撞擊速度為40km/h，撞擊角度為90度。

根據(jù)是否提供試驗(yàn)樣品及車輛信息，行人保護(hù)試驗(yàn)可分為3中情況：

1、有試驗(yàn)樣品有車輛信息：頭型網(wǎng)格點(diǎn)法，隨機(jī)驗(yàn)證8次+無法預(yù)測≤8次+生產(chǎn)企業(yè)增加申請≤8次；腿型網(wǎng)格點(diǎn)法；

2、有試驗(yàn)樣品無車輛信息：頭型均分區(qū)域法，選取最差性能位置12次+生產(chǎn)企業(yè)增加申請≤8次；腿型網(wǎng)格點(diǎn)法；

3、無試驗(yàn)樣品無車輛信息：頭型均分區(qū)域法（選取最差性能位置），選取最差性能位置6次；腿型網(wǎng)格點(diǎn)法，選取最差性能位置2~3次。

4、頭型試驗(yàn)區(qū)域由發(fā)動機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線、發(fā)動機(jī)罩側(cè)面基準(zhǔn)線、發(fā)動機(jī)罩后面基準(zhǔn)線圍成，從包絡(luò)線1000開始，每隔100mm一個(gè)撞擊點(diǎn)（去除距離側(cè)面基準(zhǔn)線小于50mm的點(diǎn)），通常一個(gè)整車頭型部分可以劃分出150~200個(gè)撞擊點(diǎn)；

腿型試驗(yàn)區(qū)域由保險(xiǎn)杠上、下部基準(zhǔn)線及保險(xiǎn)杠角確定，撞擊點(diǎn)之間間隔100mm，通常一個(gè)整車腿型部分可以劃分出10~20個(gè)撞擊點(diǎn)；

頭型總分12分，通過頭型傷害值（HIC）進(jìn)行計(jì)算點(diǎn)數(shù)分，再通過修正系數(shù)計(jì)算頭型得分。腿型總分3分，評價(jià)指標(biāo)包括彎矩和合力，通過插值計(jì)算可以得到撞擊點(diǎn)的點(diǎn)分?jǐn)?shù)，未試驗(yàn)的網(wǎng)格點(diǎn)與相鄰結(jié)果較差的網(wǎng)格點(diǎn)分?jǐn)?shù)一致。

二、Oasys軟件界面及基本操作介紹

Oasys軟件針對LS-DYNA有限元求解器開發(fā)，包括PRIMER（前處理軟件） 、THIS（曲線后處理）、D3PLOT（結(jié)果3D可視化后處理軟件）、REPORTER（報(bào)告制作程序）組成，囊括了LS-DYNA求解器的從錯誤檢查的前處理過程一直到自動生成報(bào)告并統(tǒng)計(jì)的全部分析過程，大幅提高了模型分析效率。本課程將結(jié)合行人保護(hù)仿真分析過程一起來學(xué)習(xí)PRIMER、D3PLOT和THIS的用法。

Oasys軟件在行人保護(hù)分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，具有自動劃線功能，撞擊點(diǎn)的自動定位，自動遞交LS-DYNA計(jì)算，自動后處理。極大的縮短分析時(shí)間和減少工程師人為失誤，從而使工程師的精力更專注于改進(jìn)設(shè)計(jì)，提供性能。

三、行人保護(hù)分析流程及建模規(guī)范

行人保護(hù)CAE分析首先需要明確模型輸入需求，以風(fēng)擋玻璃后沿線向后約200mm為界限，在此界限前的部分是行人保護(hù)CAE分析的重點(diǎn)區(qū)域。

進(jìn)行CAE分析可依據(jù)下列表格進(jìn)行準(zhǔn)備數(shù)據(jù)及相關(guān)文件，基本的行人保護(hù)分析流程如下圖，行人保護(hù)CAE分析網(wǎng)格尺寸標(biāo)準(zhǔn)為5mm，最大最小尺寸控制在2~8mm之間，翹曲度需小于18度，雅各比建議達(dá)到0.6，三角形單元比例不超過5%。模型按照編號規(guī)則進(jìn)行總成劃分和編號，裝配遵循先裝配子總成再進(jìn)行總裝的次序進(jìn)行，隨后進(jìn)行控制卡和邊界條件的設(shè)置，最后進(jìn)行模型調(diào)試和計(jì)算。

四、發(fā)動機(jī)罩建模方法

發(fā)動機(jī)罩（發(fā)罩）是行人保護(hù)分析中極其關(guān)鍵的子總成，發(fā)罩的結(jié)構(gòu)特征、材料特征、連接關(guān)系均直接影響行人保護(hù)分析的精度，初學(xué)者務(wù)必按照建模規(guī)則完成。

發(fā)罩通常由發(fā)罩內(nèi)板、發(fā)罩外板、發(fā)罩加強(qiáng)板、發(fā)罩鎖、氣撐、發(fā)罩鉸鏈、密封條、減震墊、堵蓋等結(jié)構(gòu)組成，通過粘膠、點(diǎn)焊、螺栓連接、卡扣連接等連接形式進(jìn)行連接，這些結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行建模，為保證模型精度，建議發(fā)罩使用5mm網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，發(fā)罩包邊使用共節(jié)點(diǎn)方法處理，粘膠、焊點(diǎn)以及各種連接關(guān)系通過軟件生成，減震墊和密封條采用實(shí)體建模，通常設(shè)計(jì)師提供的密封條是未被壓縮狀態(tài)的，這就需要CAE工程師通過LS-DYNA軟件或Oasys進(jìn)行預(yù)壓縮處理，氣撐通過實(shí)際結(jié)構(gòu)和鉸接運(yùn)動關(guān)系表征，整個(gè)發(fā)罩模型中均使用柔性體表征，不建議剛體替代。

五、前保險(xiǎn)桿及前照燈建模方法

前保險(xiǎn)杠、前格柵結(jié)構(gòu)是行人保護(hù)腿型分析的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，前照燈則同時(shí)影響頭型和腿型分析結(jié)果，通常前保險(xiǎn)杠和前格柵采用非金屬材料，建議在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格尺寸在2~6mm之間，結(jié)構(gòu)上的筋也要體現(xiàn)出來，這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對模型精度有較大的影響，前照燈也需要體現(xiàn)出燈殼內(nèi)部包含的結(jié)構(gòu)，前照燈的支架也需要體現(xiàn)出細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，在課程中將給出細(xì)節(jié)特征保留或去除的建議，請大家認(rèn)真學(xué)習(xí)。

六、雨刮及機(jī)艙飾蓋建模方法

雨刮和機(jī)艙飾蓋對行人保護(hù)頭型分析有較大影響，是需要詳細(xì)建模的幾大總成之一。雨刮結(jié)構(gòu)需要按照設(shè)計(jì)位置進(jìn)行擺放，雨刮電機(jī)可以使用剛體替代，其他結(jié)構(gòu)建議按照實(shí)際材料表征，對于可壓潰式雨刮，需要通過彈簧單元和鉸接配合進(jìn)行模擬。機(jī)艙飾蓋與前保險(xiǎn)杠網(wǎng)格要求一致，需要留意的是流水槽蓋板上面的密封條，它和發(fā)罩上的密封條一樣需要進(jìn)行預(yù)壓。

七、其他總成建模方法

行人保護(hù)CAE分析中還需要白車身、動力總成、前懸、機(jī)艙內(nèi)的蓄電池、洗滌液罐以及冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常由整車模型截取獲得，截取后需要對模型進(jìn)行清理，并檢查模型連接是否存在問題，CAE工程師需要對這些結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系非常熟悉，在整車碰撞分析中不關(guān)心的結(jié)構(gòu)可能存在丟失的情況，這在做行人保護(hù)分析時(shí)需要補(bǔ)充上去，例如機(jī)艙底護(hù)板、輪罩、小腿支撐支架等等。

八、模型裝配

各個(gè)子總成模型搭建完成之后，需要進(jìn)行模型總裝，每個(gè)子總成有自己的編號范圍，總成之間采用成對的剛片進(jìn)行連接，總成之間連接完成后需要進(jìn)行控制卡設(shè)置、邊界條件設(shè)置、頭型腿型劃線、壁障模型定位、撞擊點(diǎn)分布、計(jì)算文件夾創(chuàng)建等工作。

九、模型檢查及調(diào)試

模型裝配完成后需要進(jìn)行細(xì)致的模型檢查，從網(wǎng)格質(zhì)量到連接關(guān)系，從模型完整性到模型精細(xì)度都要進(jìn)行檢查，Oasys提供了便捷的模型檢查工具，能夠識別出大部分的模型錯誤，同時(shí)對模型不規(guī)范的地方給出了警告。當(dāng)然了，進(jìn)行模型檢查時(shí)不可完全依賴與軟件，還需要結(jié)合工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，模型試算也是幫助我們檢查模型的重要手段，通過調(diào)試消除模型錯誤，并觀察模型運(yùn)動姿態(tài)是否存在異常、能量曲線是否平衡，各傷害值輸出曲線是否合理。

十、頭型后處理及結(jié)果分析

頭型結(jié)果后處理需要提取頭型傷害值HIC、頭型傷害曲線、頭型動畫、剖面圖等信息，根據(jù)頭型傷害值計(jì)算點(diǎn)數(shù)分以及頭型總得分，課程中將以最典型的網(wǎng)格點(diǎn)法為例進(jìn)行得分計(jì)算演示。

十一、腿型后處理及結(jié)果分析

小腿結(jié)果后處理需要提取彎矩T1、T2、T3、T4，以及膝部韌帶伸長量MCL、ACL、PCL。其中小腿彎矩最高可得點(diǎn)數(shù)分0.500，評分時(shí)取四個(gè)彎矩值中最差的一個(gè)；膝部韌帶伸長量最高可得點(diǎn)數(shù)分0.500，在ACL、PCL值均小于限值10mm的前提下，根據(jù)MCL進(jìn)行評分，若ACL或PCL值大于等于限值10mm，則膝部韌帶伸長量得零點(diǎn)數(shù)。

十二、優(yōu)化方向及軟件實(shí)現(xiàn)

行人保護(hù)法規(guī)通常頭型得分不容易滿足目標(biāo)要求，這就需要整車項(xiàng)目在開發(fā)早期時(shí)就進(jìn)行性能控制，在造型階段需要提出整車布置要求、造型要求，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)布后根據(jù)CAE分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，在試驗(yàn)階段也需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不斷地修正模型以及同步優(yōu)化。CAE工程師需要了解汽車結(jié)構(gòu)，有一定的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這些都是需要日積月累的。

頭型撞擊區(qū)域可以劃分為流水槽影響區(qū)、發(fā)罩影響區(qū)、發(fā)罩鎖影響區(qū)、發(fā)罩鉸鏈影響區(qū)、前照燈影響區(qū)、玻璃影響區(qū)，對不同撞擊區(qū)域優(yōu)化方向不同。例如水槽蓋板可采用壓潰式設(shè)計(jì)方案，結(jié)合開孔位置優(yōu)化和斷面優(yōu)化，使其達(dá)到理想得分；發(fā)罩鎖則建議通過布置進(jìn)行避讓，發(fā)罩鉸鏈的加強(qiáng)板設(shè)計(jì)通常需要多輪優(yōu)化使其達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，前照燈若采用可壓潰式大燈支架通常可以減少對行人的傷害，在課程中將為大家展示相應(yīng)的典型結(jié)構(gòu)，讓大家在進(jìn)行行人保護(hù)優(yōu)化時(shí)方向明確，思路清晰。