基于显示动力学的汽车保险杠有限元分析

    显示算法又分为动态显示算法和静态显示算法，动态显示算法采用动力学方程的一些差分格式，不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，而且收敛问题一般不存在。数值计算过程可以很容易的进行并行计算，程序编制也相对简单。显示算法中质量矩阵为对角矩阵，只有在单元级计算尽可能少时才能发挥其速度优势，所以计算精度难以保证。静态显示算法不需要迭代，因为它基于平衡方程组和Eular向前差分法，这种方法在计算时会使所得结果慢慢偏离正确值，可靠性较强。

    当数值仿真问题涉及瞬态、大应变、大变形、材料的破坏，材料的完全失效或者伴随复杂接触的结构问题时，通过ANSYS显示动力学求解可以满足客户的需求。ANSYS显示动力学分析包括三种求解器：ANSYS Explicit STR2、ANSYS AUTODYN以及ANSYSLS-DYNA。

    2 基于LS-DYNA求解器的保险杠显示动力学分析

    本节内容主要是利用ANSYS Workbench软件中Explicit Dy-namics（LS-DYNA Export）模块，对模型进行前处理，并生成DYNA求解器所需的k文件，最后在LS prepost软件中进行结果后处理。

    首先将保险杠几何模型导入Explicit Dynamics（LS-DYNA Ex-port）模块中，定义各部分材料属性，材料属性如表所示：材料属性

表1 材料属性

    将模型导入后施加边界条件，首先将模拟车身质量的物块和保险杠两部分在DM窗口中重组，随后在Mechanical窗口中赋予材料，划分网格（被撞物体和模拟车身的物块网格尺寸定义为20mm，保险杠和加厚层尺寸定义为15mm），网格划分完成后共有61127个节点和248483个单元。固定约束选择被撞物块的外表面，速度设定为16666mm/s，End time选择为0.005s。速度选择为车身和保险杠，分析分为两组，第一组没有碳纤维加厚层，第二组有加厚层。将两组分析生成的k文件导入ANSYS Mechanical APDL ProductLauncher，在simulation environment中选择LS-DYNA solver，在li-cense中选择ANSYS LS-DYNA，analysis type选择Typical LS-DY-NA Analysis，找到相应k文件后进行运算，并将得到的结果导入LSprepost软件中进行后处理。

    3 结果后处理及分析

    在LS Prepost软件中导入DYNA求解器生成的plot文件，调用Fringe Component命令中的von mises stress选项查看保险杠所受的等效应力。

    当没有保护层保护的情况下，在撞击时刻选取最终时，也就是第12步时（12步为系统默认生成的步长）的等效应力云图如图1：

图1 没有保护层时的等效应力云图

    由图中可以看出，应力集中出现的区域主要为物块与保险杠接触面处、保险杠与吸能盒连接处，如果加入前保护层，保险杠同时刻所受等效应力云图如图2所示：

    由图2中可以看出保险杠表面应力分布更加均匀，并未出现没有保护层时所造成的应力较集中的现象，但是，保险杠表面应力的大小照之前没有保护层时所受应力相差不大，此时应力集中点主要分布在保险杠边缘，变形较大的区域也主要集中在此，这些应力主要是由于垫片层变形所致，虽然结构在钢板厚度上有所减少，但是由于加装了保护层，力学性能没有进一步的丧失。也能够达到预期的效果，所以具有一定的实用性。

图2 有保护层时保险杠等效应力云图