一种用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法与流程

1.本发明涉及一种有限元建模方法，尤其涉及一种夹层玻璃有限元建模方法。


背景技术：

2.近年来，随着新版行人保护法规草案的修改，法案中增加了前风挡玻璃的保护范围，在2023cncap以及ciasi2.0法规中考虑了更大的前风挡玻璃评价范围，由此各大汽车制造厂商也开始逐步提高对于行人安全保护的重视程度。
3.在通常情况下，车辆的前风挡玻璃一般使用夹层玻璃来制造，夹层玻璃是一种新型的复合结构，由两层或多层平板玻璃间夹一层或多层透明的高分子聚合物胶层例如pvb复合而成，在受到剧烈的冲击载荷时，即使玻璃碎裂，碎片也会粘连在中间胶层上，不会飞溅出去，从而保证了乘员的安全性。
4.在汽车行人保护法规碰撞模拟计算中，传统建模方法通常使用3层壳单元建立前风挡玻璃模型，并通过定义临界应变下的单元消除来模拟玻璃的失效，但是由于前风挡玻璃中间存在pvb胶层，即使在玻璃达到失效条件之后，也并不会出现单元的消失，并仍然对于撞击的头部由一定的支撑力。
5.因此，现有技术中简单的利用单元删除法进行前风挡玻璃的模拟，很难得到玻璃面板破坏时裂纹的产生和破裂时的弹性损伤(张量)真实情况。为了更加准确的模拟夹层玻璃受到高速冲击时候的性能以及对行人头部的作用力，获得更加精确可靠的模拟仿真结果，亟需获得一种高精度的车辆的前风挡玻璃的模型，以协助模拟检测。
6.基于此，本发明期望获得一种用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法，采用该夹层玻璃有限元建模方法可以精准地模拟夹层玻璃在高速碰撞中的物理属性，进而可以大大提高模型的运算精度，使得仿真结果中车辆的评价更加精确可靠。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法，采用该夹层玻璃有限元建模方法可以精准地模拟夹层玻璃在高速碰撞中的物理属性，进而可以大大提高模型的运算精度，使得仿真结果中车辆的评价更加精确可靠。
8.此外，采用本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法非常有利于节约样车成本，并且可以极大提高汽车研发效率，其具有良好的推广应用前景。
9.为了实现上述目的，本发明提出了一种用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法，其包括步骤：
10.使用壳单元建立外层界面有限元模型，将其厚度定义为参数，并赋以无属性空材料；
11.使用壳单元建立外层玻璃有限元模型，将其厚度定义为参数，并赋以玻璃材料；
12.使用薄膜单元建立玻璃胶层有限元模型，将其厚度定义为参数，并赋以粘弹性材料；
13.使用壳单元建立内层玻璃有限元模型，将其厚度定义为参数，并赋以玻璃材料；
14.使用壳单元建立内层界面有限元模型，将其厚度定义为参数，并赋以无属性空材料；
15.建立撞击中心点的应变能密度的有限元失效模型，并定义延迟断裂算法，其中将临界应变能密度ec定义为参数，撞击中心点到玻璃边界的最小距离d被定义为参数；
16.当夹层玻璃壳单元的最大主应力超过断裂应力σ时，激活延迟断裂算法；
17.当延迟断裂算法计算获得的平均应变能密度超过临界应变能密度ec时，夹层玻璃壳单元发生失效。
18.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述外层界面有限元模型与外层玻璃有限元模型通过共节点的方式连接。
19.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述内层界面有限元模型与内层玻璃有限元模型通过共节点的方式连接。
20.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述外层玻璃有限元模型与玻璃胶层有限元模型之间以及内层玻璃有限元模型与玻璃胶层有限元模型之间均通过柔性连接。
21.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述外层玻璃有限元模型与玻璃胶层有限元模型之间以及内层玻璃有限元模型与玻璃胶层有限元模型之间均通过三维胶水单元连接。
22.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述延迟断裂算法包括：计算在以撞击中心点为中心的、半径为r的区域内的夹层玻璃壳单元的平均应变能密度e。
23.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述断裂应力σ为设定的定值，其取值范围为0.01～0.1gpa。
24.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述断裂应力σ为与应变率相关的曲线。
25.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，r的取值范围为180～240mm。
26.进一步地，在本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法中，所述临界应变能密度ec与撞击中心点到玻璃边界的最小距离d之间满足下列关系：
27.当0mm≤d<32mm时，ec＝0.1j/mm；
28.当32mm≤d<100mm时，ec＝d/100
×
0.32j/mm；
29.当100mm≤d<210mm时，ec＝0.0187
×
e
(0.0284
×
d)
j/mm；
30.当d≥210mm时，ec＝7.3j/mm。
31.本发明所述的用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法相较于现有技术具有如下所述的优点和有益效果：
32.在本发明所述的用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法中，通过该夹层玻璃有限元建模方法可以极大地提高车辆风挡玻璃区域头部碰撞评估的精确度，得到玻璃面板破坏时裂纹的产生和破裂时的弹性损伤真实情况，使得风挡玻璃在达到失效条件之后，不会立即出现单元的消失并仍然对于撞击的头部有一定的支撑力，使得所构建得到的夹层玻璃碰撞模型的碰撞响应与物理模型高度吻合，其极大地优化了整车在行人保护头部碰撞
工况的计算精度。
33.在一些优选的实施方式中，相较于传统的有限元建模方法，采用本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法能够更加准确的获得头部伤害峰值以及峰值出现时间，其可以提高车辆自主研发有限元计算的效率和准确性。
34.此外，本发明所述的用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法可以适用于不同的行人保护法规，其不仅可以有效节约样车成本，还可以极大的提高汽车研发效率，具有良好的推广应用前景。
附图说明
35.图1示意性地显示了本发明所述的碰撞使用的夹层玻璃物理模型示意图。
36.图2示意性地显示了本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法在一种实施方式下的夹层玻璃的内外层单元结构。
37.图3示意性地显示了本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法在一种实施方式下的流程图。
38.图4示意性地显示了基于本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法获得的碰撞伤害hic值、传统建模方法获得的碰撞伤害hic值及实体物理碰撞试验获得的hic值的对比。
具体实施方式
39.下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的用于车辆碰撞评估的夹层玻璃有限元建模方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
40.图1示意性地显示了本发明所述的碰撞使用的夹层玻璃物理模型示意图。
41.如图1所示，在本发明中，本发明碰撞使用的夹层玻璃可以包括：上钢化玻璃层1、下钢化玻璃层2和玻璃胶层3。其中，上钢化玻璃层1的厚度可以设置为a；下钢化玻璃层的厚度可以设置为c；玻璃胶层的厚度可以设置为b。
42.图2示意性地显示了本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法在一种实施方式下的夹层玻璃的内外层单元结构。
43.图3示意性地显示了本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法在一种实施方式下的流程图。
44.如图2和图3所示，在本实施方式中，可以采用以下步骤经本发明所述的夹层玻璃有限元建模：
45.s1：将汽车前风挡玻璃三维cad模型导入有限元软件之中，对前风挡玻璃三维模型进行几何清洗。
46.需要说明的是，在上述步骤s1中，前风挡玻璃的结构可以参阅图1所示的夹层玻璃物理模型，二者结构相同，前风挡玻璃同样可以包括：厚度为a的上钢化玻璃层1、厚度为c的下钢化玻璃层2和厚度为b的玻璃胶层3。
47.s2：在有限元前处理软件中建立汽车前风挡玻璃的有限元模型，其可以包括以下操作：
48.提取前风挡玻璃中上钢化玻璃层1的中性面，使用壳单元建立外层界面4有限元模
型，将其厚度定义为参数t1，并赋以无属性空材料，其中t1＝0.1mm；
49.提取前风挡玻璃中上钢化玻璃层1的中性面，使用壳单元建立外层玻璃5有限元模型，将其厚度定义为参数t2，并赋以玻璃材料，其中t2＝a；
50.提取前风挡玻璃中玻璃胶层3的中性面，并使用薄膜单元建立玻璃胶层6有限元模型，将其厚度定义为参数t3，并赋以粘弹性材料，其中t3＝b；
51.提取前风挡玻璃中下钢化玻璃层2的中性面，使用壳单元建立内层玻璃7有限元模型，将其厚度定义为参数t4，并赋以玻璃材料，其中t4＝c；
52.提取前风挡玻璃中下钢化玻璃层2的中性面，使用壳单元建立内层界面8有限元模型，将其厚度定义为参数t5，并赋以无属性空材料，其中t5＝0.1mm；
53.定义汽车前风挡玻璃的有限元模型各层之间的连接方式，外层界面4有限元模型与外层玻璃5有限元模型通过共节点的方式连接；内层玻璃7有限元模型与内层界面8有限元模型通过共节点的方式连接。
54.在本发明中，外层玻璃5有限元模型与玻璃胶层6有限元模型之间以及内层玻璃7有限元模型与玻璃胶层6有限元模型之间均可以通过柔性连接；当然，在某些其他的实施方式中，它们也可以通过三维胶水单元连接。
55.需要说明的是，在另一些实施方式中，可以优选地控制外层玻璃5有限元模型、玻璃胶层6有限元模型和内层玻璃7有限元模型的有限元网格一一对应。
56.为了实现上述目的，可以通过网格偏置功能，偏置外层玻璃5有限元模型以建立玻璃胶层6有限元模型，其偏置距离可以控制为a/2+b/2，且定义玻璃胶层6有限元模型的厚度为t3，并赋以非线性粘弹性薄膜材料，其中t3＝b；相应地，通过网格偏置功能，还可以偏置外层玻璃5有限元模型建立内层玻璃7有限元模型，其偏置距离可以控制为a/2+b+c/2，且定义内层玻璃7有限元模型的厚度定义为t4，并赋以玻璃材料，其中t4＝c。
57.s3：建立撞击中心点c1，c2,
…
cn的应变能密度的有限元失效模型，定义非局部平均选项，指定单元内部能量的空间平均过程，其中，夹层玻璃壳单元的平均应变能密度e可以通过下述公式表示：
[0058][0059]
在上述公式(1)中，式中w为单元应变能，v表示单元体积，σ
ij
为单元应力，ε
ij
为单元应变，dε
ij
为单元应变增量。
[0060]
s4：由于前风挡玻璃边界通过胶水固定在车身结构上，因此靠近前风挡玻璃边界单元比其他单元在受到高速冲击的时刻，具有更高的开裂风险；由此，可以定义撞击中心点c1，c2,
…
cn临界应变能密度ec与撞击中心点c1，c2,
…
cn到玻璃边界的最小距离d之间满足下列关系：
[0061]
当0mm≤d<32mm时，ec＝0.1j/mm；
[0062]
当32mm≤d<100mm时，ec＝d/100
×
0.32j/mm；
[0063]
当100mm≤d<210mm时，ec＝0.0187
×
e
(0.0284
×
d)
j/mm；
[0064]
当d≥210mm时，ec＝7.3j/mm。
[0065]
s5：定义撞击中心点c1，c2,
…
cn延迟断裂算法：计算在以撞击点c1，c2,
…
cn为中心的半径为r区域内的夹层玻璃壳单元的平均应变能密度e。当夹层玻璃壳单元的最大主应
力超过断裂应力σ时，激活延迟断裂算法；当延迟断裂算法计算获得的平均应变能密度e超过临界应变能密度ec时，夹层玻璃壳单元发生失效。
[0066]
需要说明的是，在本实施方式中，半径r的取值范围为180～240mm；断裂应力σ为设定的定值，其取值范围可以控制为0.01～0.1gpa。
[0067]
s6：建立汽车行人保护碰撞使用的碰撞模型，其包括本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法建立的前风挡玻璃三维有限元模型，汽车车身三维有限元模型，发动机前盖有限元模型和仪表台有限元模型。
[0068]
s7：定义汽车行人保护碰撞使用的装配模型，定义各组件与汽车车身之间的连接，包括前风挡玻璃与汽车车身之间通过胶水单元连接，发动机前盖与汽车车身之间通过球铰单元连接，仪表台与汽车车身之间通过螺栓连接。
[0069]
s8：建立汽车行人保护碰撞模型的约束及加载，其包括：定义撞击头部模型的撞击点位，定义汽车车身的边界固定约束，定义各零件之间的内部接触。
[0070]
由此可见，通过上述的有限元建模方法可以极大地提高车辆风挡玻璃区域头部碰撞仿真的精确度，其能够极大程度的改善现有技术中利用单元删除法进行失效模拟时，难以准确反映玻璃表面破坏，产生裂纹或破裂时的弹性损伤的缺陷。
[0071]
采用本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法可以极大地提高车辆风挡玻璃区域头部碰撞评估的精确度，得到玻璃面板破坏时裂纹的产生和破裂时的弹性损伤真实情况，使用该方法搭建的行人保护头部碰撞模型能够使得所构建得到的玻璃碰撞模型的碰撞响应与物理模型高度吻合，更加真实的模拟夹层玻璃受到冲击时候对头部的支撑作用。相较于传统的有限元建模方法，采用本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法可以显著地提高车辆自主研发有限元计算的效率和准确性。
[0072]
图4示意性地显示了采用本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法在一种实施方式下获得的碰撞头部的碰撞伤害hic值、传统建模方法获得的碰撞头部的碰撞伤害hic值及实体物理碰撞试验获得的碰撞伤害hic值的对比。
[0073]
图4中的a曲线表示采用本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法获得的碰撞伤害hic(头部伤害指数)曲线；b曲线表示实体物理碰撞试验获得的hic曲线；c曲线表示采用本案背景技术中描述的传统建模方法获得的碰撞伤害hic曲线。
[0074]
其中，碰撞伤害hic可以采用下述公式(2)求得，其为无量纲数值：
[0075][0076]
在上述公式(2)中，式中g表示重力加速度，a表示碰撞过程中头部质心合成加速度，t2
‑
t1表示hic达到最大值的时间间隔，其中最大间隔可以控制为15ms。
[0077]
从图4中可以看出，通过本发明所述的夹层玻璃有限元建模方法进行拟合所获得的头部伤害hic曲线，可以显著地提高头部伤害峰值以及峰值出现时间，极大地提升了行人保护头部碰撞模拟的精度，其可以适用于不同的行人保护法规，非常有利于节约样车成本，使得头部碰撞模型在整车工况中可以更加精准有效地给出仿真预测，缩短了实验验证的周期，极大节省了整车实验的费用，提高汽车研发效率，具有良好的推广应用前景。
[0078]
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组
合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
[0079]
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。