RADIOSS整车碰撞模型转换方法的研究与应用

0前言

仿真分析是汽车碰撞安全性研究的重要手段。在汽车被动安全性整车仿真分析中，常用的有限元仿真分析求解器软件有LS-DYNA、RADIOSS、PAM-CRASH、ABAQUS等。由于多方面的原因，不同的企业以及各类研究机构使用的仿真计算软件不尽相同，所以在实际工作中，不同软件模型之间的转换问题不可避免。曾有诸多人员对PAM-CRASH模型和LS-DYNA模型之间的相互转化做过研究分析，发现用不同求解器建立的模型的计算结果均非常接近，证明了使用PAM-CRASH和LS-DYNA不同求解器计算结果的相近性[1]。

在本文的分析中，针对上海汽车某项目，首先探讨了某轿车从LS-DYNA向RADIOSS的转换方法，然后针对RADIOSS格式的模型仿真分析结果与工程上的应用，利用整车64KPH偏置碰、50KPH全宽正碰、以及50KPH的可移动变形壁障等试验测试数据进行了比较。验证了RADIOSS求解器计算结果的在工程上的可行性，以及与试验结果的一致性。

1 整车FE模型的转换方法

在某轿车碰撞安全性研究过程中，我公司已经使用LS-DYNA软件在整车开发各阶段建立了整车碰撞有限元模型，并应用于整车开发过程中，且在整车开发各个阶段起到良好的设计指导作用。本文以此轿车完善的整车碰撞有限元模型为基础，进行从LS-DYNA格式到RADIOSS格式的转换。模型转换的主要步骤和内容如图1所示，完整并系统的介绍了整车模型从开始转换到最终与试验验证的一系列过程，在此根据不同阶段的特殊情况，对其中重要的步骤做以详细的解释。

1.1通过软件的自动转换

首先，打开HyperWorks的HyperCrash模块，选择RADIOSS格式，如图1中虚线框图部分内容所示，导入LS-DYNA格式的整车子模型文件。在导入的过程中，系统会提示LS-DYNA格式的材料将被转换为对应的RADIOSS格式的材料，常用材料的转换对照表详见表格1。导入成功后，有必要对模型进行初步的检查，采用Model Checker功能，查看转化成RADIOSS格式的模型是否有错误，并注意检查Warning信息主要内容，然后再将此模型用指定的RADIOSS格式导出，形成*.RAD文件，从而实现模型文件格式上的自动转换。

图1 整车CAE模型从LS-DYNA向RADIOSS转换流程图

LS-DYNA代码格式默认为每行80个有效字符，RADIOSS代码格式则默认是每行100字符，且控制卡片的组合形式均不一样。自动转换过程可以将模型的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转换为相应的模式，表格1为自动转换时常用材料的关系对照表。虽然通过软件自动转换过来的基本参数格式一致，但是二者之间的转换仍存在不能完全自动实现的情况，也就是说自动转换过来的不一定是RADIOSS计算使用时的最佳参数[2]。经常会出现两种软件存在不一致的信息，这些情况仍需要通过手动方式进行一一调整。

表1 整车碰撞仿真分析中最常用的材料类型关系对照表

1.2 材料模型和单元的属性

虽然通过自动转换，可以将单元属性的格式转化为RADIOSS所对应的格式，但是由于LS-DYNA和RADIOSS对零部件的材料和单元属性的定义方式不同，计算时对应的各项最佳参数也不同，所以目前还无法通过软件将其自动转换为所需要的参数定义内容。需要手工调整的内容主要有材料的各项参数、单元属性各项参数。
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对于具体的材料参数的设定，以LS-DYNA中最常用的24号材料为例[3]，RADIOSS中材料基本参数的设定和LS-DYNA相同。他们都包括①单一应力应变曲线+应变率效应参数；②针对不同的应变速率下定义应力应变曲线；③给出不同应变率下的参数，通过公式定义材料的应变率效应。在本文的模型转换中，选用了在不同应变速率下定义多个应力应变曲线的方法。材料的失效方式，RADIOSS格式模型不是体现在材料属性卡片当中，而是采用/FAIL/…的格式根据不同要求对材料单独设置不同的失效方式，如最大的塑性应变失效、最大拉伸应变失效等。由于不同求解器均有其各自的理论和算法，所以从LS-DYNA到RADIOSS一对一的转换，不一定能够得出最佳的结果。我们应该根据不同软件的特点，尽量选用其最佳参数。

整车模型中常的转动副、阻尼、弹簧、球铰，以及焊点、包边、粘胶等特征，在LS-DYNA和RADIOSS中均用一维单元来模拟，其区别在于LS-DYNA格式的模型将分别对一维单元赋予单元属性卡片和材料属性卡片，而RADIOSS格式的模型中，一维单元的所有属性均通过一张卡片来实现，其中还包含所有可能的失效方式，不需要再单独赋予其材料特性。

1.3 焊点和刚体连接

在LS-DYNA中，焊点的定义是通过beam一维单元及其两个节点与相关零部件之间的tie接触来实现的。在RADIOSS中，焊点的定义是通过spring beam一维单元，同时对于每组spring beam单元的上下节点分别与对应的零部件生成一个type2接触来实现的。

刚体的表示方法，本模型中，刚体的属性体现在RBODY中，如发动机、变速器刚体的属性，如质心、转动惯量等，其材料选用普通的弹性体材料，目的在于体现带网格的刚体与周围零部件发生接触时的有效接触刚度。对于螺栓形式的刚性体连接，LS-DYNA和RADIOSS均可以对相应零部件采用rigid body来实现。对于刚性体与刚性体之间的连接，如子模型之间的连接，在LS-DYNA中，各子总成之间的连接均通过刚性片以及*CONSTRAINED_RIGID_BODIES控制卡片将两个刚体连接在一起。而在RADIOSS中，则采用一个RBODY，所选择的节点通过group by part的形式将两个片体的所有node组合在一起，从而实现将两个刚性片连接在一起，而这两个片体均设置为弹性体材料，如表2所示。

表2 刚体连接示意图（LS-DYNA与RADIOSS比较）

以上特点可以总结为，DYNA中所有的刚体属性单元，可以不参加计算。RADIOSS中刚体特征均采用RBODY和一般弹性材料组合来模拟，所有信息均参与模型计算，所以对模型质量要求比较高。

1.4边界条件的加载

整车模型边界条件的加载包含了初整车基本模型之外的所有内容，有壁障的加载及相关设置，有整车自接触以及与壁障/地面之间的接触设置，有整车模型需要重点研究的截面力、加速度、应力、应变以及零部件能量变化等信息要求的设置和输出。这些信息不同的软件其理论都是一致的，但每种软件均有其独自的设置方式，且相关的控制参数均具有其软件包含的独自的特性。关于接触的设置， LS-DYNA和RADIOSS常用的接触类型及其对应关系如表格3所示。

表3 LS-DYNA和RADIOSS常用的接触对照表

1.5 模型计算的控制卡片

模型转换时，HyperCrash会自动生成一个求解计算的engine控制文件，根据不同的要求对求解计算控制参数进行详细设定，主要包括计算时间、计算步长控制、输出信息的类别设定等。LS-DYNA与RADIOSS的不同之处在于，前者可以单独给予各项时间历程数据信息不同的输出方式和输出时间间隔，而后者对所有的时间历程数据信息信息只能采用相同的输出方式和输出时间间隔。还有，RADIOSS可以通过不同的engine文件，对模型进行各个时间段的独立求解。

2 整车RADIOSS模型设置

在此以常用工况50FFB、64ODB、50MDB为例，结合相应的试验数据，经过校核有限元模型中零部件的几何形状、材料和厚度，调整台车与整车的相对位置，利用RADIOSS有限元软件进行计算，得到了对标分析结果。

2.1 整车模型信息

整车碰撞模型，主要包括白车身、座椅、底盘、转向、动力总成等结构。针对不同的碰撞规则，又带有可移动壁障、固定壁障以及刚形体台车等。整车有限元模型，节点总数为1289275，单元总数为1332879，其中壳单元总数为1280025，实体单元总数为40606，一维单元总数为12248，二维单元的平均尺寸为8mm，如图2所示。

图2 整车有限元模型

2.2 壁障台车信息

RADIOSS格式的偏置碰固定壁障为solid壁障，总质量为26.1kg，节点总数为49180，单元总数为48311，其中壳单元总数为9310，实体单元总数为39000，并包括一个刚体单元[4]，如图3所示。

RADIOSS格式的侧碰可移动变形壁障总质量为950kg，其中分为前面碰撞块24kg，台车926kg。模型的基本信息中，节点总数为8629，壳单元总数为348，实体单元总数为6300[5]，如图4所示。[page]

图3 40%偏置碰壁障CAE模型图4 可移动侧面碰撞台车CAE模型

2.3 能量信息

在整车仿真计算过程中，主要包括的物理能量有动能、内能、沙漏能、接触能等能量信息，如图5所示。从图中可以看出，整车50FFB正面碰撞使用RADIOSS计算仿真过程中，整个模型的物理能量保持平稳下降趋势。动能和内能的变化也处于合理状态之中，沙漏能占总能量的3.7%，接触能量占总能量的14%。

图5 整车全正碰能量曲线

3 计算结果与试验结果的比较

在整车正碰中通过考察前围板侵入量、前纵梁变形模式以及B柱的加速度等特性来分析车体结构特征。整车侧碰工况中通常考察B柱内板侵入量、门内板关键部位侵入量、门外板变形模式以及B柱的速度特性等来分析车体结构特征。本文通过采用RADIOSS显式求解器，对整车模型上述各工况进行了计算和分析，并与相应的物理试验进行了比较，从比较结果可以看出，本文所述的转换方法在实际应用中是非常有效的。

3.1 整车关键部位变形图

在整车全正碰和40%重叠偏置碰工况中，前纵梁的变形模式是车体结构考察的重点，同时也是校对模型是否正确的一个衡量指标[7]。本文抽取了100%全正碰工况左右纵梁的变形模式，并将其与物理试验进行比较，如图6所示。可以看出，纵梁的变形模式基本一致。

图6 整车全正碰左/右前纵梁变形对比

3.2 整车加速度曲线

在整车全正碰和40%重叠偏置碰工况中，B柱的加速曲线能够间接反映出车体结构在碰撞过程中的变形次序以及整车的碰撞刚度。图7表示整车全正碰工况左侧B柱的加速度曲线CAE仿真与物理试验的比较。从图可以看出，曲线的几个波峰和波谷的相位基本吻合，总体变化趋势基本一致。

图7 整车偏置碰加速度曲线对比 图8 B柱内板侵入量曲线对比

3.3 整车侵入量比较

在整车全正碰和40%重叠偏置碰工况中，前围板的侵入量是考察车体结构变形是否合理的一个重点[6]。在整车侧碰工况中，B柱内板的侵入量以及门内板关键部位的侵入量是考察侧碰的一个重点。图8表示的是侧碰工况中测量的B柱内板侵入量CAE仿真数值与试验结果的比较，比较结果可以看出，B柱内板各位置侵入量仿真结果与试验结果最大相差仅在10mm左右。

4 结论及经验总结

本文基于某项目整车模型详细的阐述了有限元模型从LS-DYNA向RADIOSS的基本流程以及转换方法，并利用该方法成功实现了整车碰撞模型的转换，从而证明了此转换方法的可行性。再将RADIOSS格式整车模型仿真计算结果与整车试验测试数据相比较，结果表明，仿真计算结果中整车结构变形模式和整车加速度曲线与实验测试数据具有良好的一致性。从而再次证明此模型转换方法和基本流程以及RADIOSS模型求解器运用于整车碰撞计算的有效性。

本文所研究的模型转换方法和流程，可以为各工程领域类似LS-DYNA模型向RADIOSS模型的转换提供有效的参考依据，具有重要的工程应用价值。

5 致谢

本论文中所使用的LS-DYNA软件由LSTC公司提供，使用的HyperWorks软件及RADIOSS格式侧碰台车和偏置碰壁障CAE模型均由Altair公司提供。整个模型从LS-DYNA向RADIOSS的转化过程中，得到了Altair公司法国总部Erwan MESTRES 先生和中国团队欧贺国等人的大力支持，特此致谢。