HyperWorks客车侧翻性能仿真：轻量化与安全设计的完美结合

行业：汽车

挑战：开发公共汽车侧翻试验的自动 化流程

Altair 解决方案：在HyperWorks中分别采用 HyperMesh和RADIOSS作为前 处理和求解器，开发可以针对每 个侧翻试验流程进行定制的模 板。

优点：获得可重复的一致结果，同时节 省大量分析时间。

背景介绍

安全可靠的交通运输对于维护英国社会经济的稳定至关重要。人们最常用的交 通工具之一便是公共汽车，因为它价格实惠、简单实用而且四通八达。这样，在公 共汽车和客车发生侧翻事故时保护乘员安全就显得十分必要。

1986 年，UN ECE R66 标准正式颁布实施。该标准明确定义了进行客车侧翻 物理试验时所必须遵循的一套流程和参数。为证明合规性，需要进行全面的车辆侧 翻试验、对车体部分的侧翻或横摆试验，或让相关计算结果达到审批机构的要求。

事实证明，客车侧翻物理试验需要重复进行，耗时费力，而且准备过程极其复 杂，会容易影响结果的准确度。

Alexander Dennis Ltd (ADL)是英国领先的公共汽车和客车制造商，拥有约 2000 名员工，遍布在英国、亚洲和北美地区的各大工厂。

ADL致力于生产多种创新、节能的低地板式单、双层公共汽车，同时还提供完 整的客车产品组合。

他们曾采取一种准静态方式进行侧翻试验，基于物理试验中得出的各系数进行 计算。然而，最近业内对减轻车辆重量和开发更优化结构的需要日趋明显，这让他 们迫切需要一种更灵活的试验方法。

ADL启动了一个项目，旨在找到一种证明ECE R66 标准合规性的新途径，并 且要求这个新途径与行业需求、制造方法和ADL现有的能力水平相匹配。他们心目 中的理想方法应当能够自动完成车辆有限元 (FE)模型的设置和前处理过程，以便 进行车辆侧翻仿真，同时减轻车体重量并优化车身结构。

ADL选择了Altair HyperWorks来实施所需方法，并采用RADIOSS作为该项目 的求解器。在过去的20多年中，RADIOSS一直是高速撞击仿真领域的行业主流产 品。汽车和航空航天企业借助 RADIOSS来了解和预测复杂环境中的设计状态，对 其发挥的巨大作用给予了高度认可。RADIOSS与HyperWorks环境紧密集成后，便 成为一个功能强大的设计工具。

解决方案

“流程管理器”模板开发

该项目的着手点是Altair提供的一款现有简易侧翻模板。该模板完成了一系列基本任务，例如加载模型、整合生存空间 以及创建侧翻起点平台和撞击地面。

为评估现有侧翻模板的适用性并全面了解它与车辆分析模型的交互情况，技术人员在HyperMesh中建立了一个完整的 客车结构模型。之后，Altair对现有模板进行了修改，从而提升其适用性以符合R66 标准的要求。

这个模板中有几个关键方面进行了改进，以便提供准确的前处理报告、缩短分析时间并加快后处理速度。

开发侧翻模板所使用的完整车辆侧翻仿真

RADIOSS 有限元模型

侧翻物理试验

首先改进的关键方面是与车辆坐标系相应的轴方向。当时该模板考虑到了使用多种坐标系标准的可能性，因此使用户 可以选择最适合的一种坐标系标准。在该模板中，还可以让倾斜平台上的挡块高度多样化。这是因为要实现准确的侧翻仿 真，可能需要多个变量和模型条件。

模板会自动创建车辆的车轮/轮胎与挡块平台之间的接触点，以确保模型可以正确离开平台。

在定义车辆翻滚方向时以驾驶员为着眼点，包括将原始模板中的参照从左侧驾驶换为右侧驾驶（英国行车标准为右侧 驾驶）。此外，在模板中还可以根据模型单位选择不同的重力单位。

在创建该模板时考虑了车辆的三种稳态条件：无坡度平面、带挡块的倾斜平面以及包括克服摩擦力与反作用力载荷的 带挡块倾斜平面。在该模板中可以选择一个失稳角度，同时还会施加与这个失稳条件相关联的所需角速度。模板中还添加 了变速摩擦条件。

在这种改进过程中，该侧翻模板进行了形式化，以确保按照正确顺序对有限元模型进行前处理，从而保证应有的谨慎 性，同时还让用户可以通过设置先决条件变量来从物理角度准确呈现车辆状况。

为满足Alexander Dennis的自身要求和审批机构的要求，分析的重点集中于物理试验和HyperWorks生成的相同试验间 的比较。

除了一个侧翻平台，还建立了一个实体的单舱车辆试样，以便按照R66 标准的要求来执行可控、可重复的试验。在进 行这项物理试验的同时，还使用该试样的一个单独外包的有限元模型对同一场景进行仿真。该模型同时通过改进后的流程 管理器模板和手动设置完成前处理。                                                                    

结论

始终获得精确的结果

对有限元模型运行与物理试验进行初始对比后，发现无论是物理运动，还是撞击后变形形状，两者都体现了良好的相 关性。通过该侧翻模板，几乎无需操作人员的干预便可以快速、重复地对适合的车辆有限元模型进行前处理。 用户还可以 在前处理创建期间设置关键变量，而对有限元模型施加的初始失稳角速度则采用保守的“最坏情况”方法，在缩短计算时间 和提高撞击速度之间取得协调。

借助HyperWorks，即使每次都是由不同的分析人员执行该任务，也可以获取准确、可重复的一致结果，同时还大幅缩 短了分析时间。

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