浅析汽车碰撞模型共用网格标准的工程应用

摘  要：随着高性能并行计算和计算机水平的不断发展，汽车碰撞模型的网格数量在快速增加，为了避免重复划分网格，本文研究了在不同工况，不同仿真分析中，如何使用一套共有发动机网格模型的工程应用方法。提高模型网格的准确度，降低汽车工程研发成本，加快仿真分析的时效性。

关键词：发动机;工程应用;网格标准;仿真分析

中图分类号：U461.91   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）03-0000-00

0引言

发动机重量在整车碰撞模型中的占比一般在10%，同時发动机在碰撞过程中变形较小，故大部分的整车碰撞工况会把发动机处理成刚体零部件或子系统。刚体网格在碰撞过程中对网格质量要求不高，划分网格的难度不高，网格建模时间较少，最后的计算时间也较合理，是一种常用的，经济的发动机网格处理方法。随着高性能并行计算能力的提升、计算机硬件价格的持续降低，大部分公司具有了处理巨大网格模型的能力，但是随着对模型网格精度提出更高标准，导致模型网格数量急剧增加，因此可变形发动机网格模型应运而生。

1发动机组成

发动机主要由以下系统组成，两大机构：配气机构、曲柄连杆机构;五大系统：冷却、润滑、燃油、启动、点火五大系统组成。更进一步的细分可以划分为：缸盖、缸体，油底壳;曲轴、活塞、连杆;限压阀机油泵链条、机油泵、机油滤清器;凸轮轴、液压挺柱、进气门、正时齿轮带、曲轴正时齿轮带轮;喷油器;水泵齿形带、水泵;还有一些发动机附件及连接螺栓等。

2 汽车工程中发动机网格标准的总体平均尺寸要求

发动机零部件多，既有金属材料，也有塑料件，特别是还有很多的管路系统，一般采用壳单元建模，变形体的壳单元必须满足网格标准要求。但发动机无法采用统一的网格尺寸，总体来讲，网格的平均尺寸主要采用4mm、6mm、8mm、10mm四种基本规格。4mm的平均尺寸网格，最小网格尺寸不小于3mm，最大网格尺寸不大于5mm;6mm的平均尺寸网格，最小网格尺寸不小于4mm，最大网格尺寸不大于8mm;8mm的平均尺寸网格，最小网格尺寸不小于6mm，最大网格尺寸不大于10mm;10mm的平均尺寸网格，最小网格尺寸不小于8mm，最大网格尺寸不大于13mm。

3工程实际中网格质量评估标准

（1）单元长宽比。壳单元最理想的壳单元长宽比为1：1，建议最大值不超过4：1。超过了网格计算不稳定，会有一些问题。如若控制不了长宽比，可以尝试用更小的网格平均尺寸来划分该零件。

（2）法兰边，零部件边缘一般最少保证有两排网格，主要是方便零部件之间连接方便。法兰边缘主要是螺栓连接，卡口连接或者焊接，一排网格无法准确表达这些连接方式。

（3）整个发动机系统最小单元网格尺寸：金属件的网格最小尺寸为3mm，塑料件的网格最小尺寸为2mm。

（4）整个发动机系统最大单元网格尺寸：网格最大尺寸为15mm，一般不大于目标平均尺寸的百分之一百五十。

（5）系统时间步长;一般控制在0.3～0.9E-6秒，根据计算分析的结果和计算能力可以适当调整，一般用系统默认值。

（6）四边形单元网格内角Interior angle quad：网格内角最大值为135°，网格内角最小值为：45°。

（7）三边形单元网格内角Interior angle trial： 网格内角最大值为115°，网格内角最小值为：35°。

（8）翘曲度warpage：小于15°，平且最少要有96%小于12°。翘曲度是指单元网格偏离平面的量，主要用来描述网格平面在空间的弯曲大小。

（9）单元长宽比 aspect ratio：小于4。单元长宽比是指单元边长的最大值和单元边长的最小值的比值。

（10）三角形的比例：最好是在每个零部件的范围内三角形的数量总数小于15%，这样可以减小由三角形带来的模型刚度增加。

（11）雅可比 Jacobian：大于0.7。有限元网格中的雅可比值是指积分点处雅可比矩阵值最小雅可比矩阵值与最大雅可比矩阵值的比值，主要用来检查单元网格的形状，度量其背离理想状态的程度。

（12）重复单元：模型网格中不允许有重复单元存在。

（13）网格交叉：模型网格中不允许有交叉单元存在。

4 仿真可以反应工程实际的发动机各零部件采用的网格尺寸标准

发动机零部件需要画网格的部分，主要由以下几点决定：（1）需要考虑失效或者变形的零部件必须画出，并把周边零件也画出来;（2）整个发动机系统装配好之后，目测可以直接看到的零部件最少需要建模，不可或缺。

1）曲柄连杆机构。主要由曲轴飞轮、活塞连杆和机体组成。

汽缸盖、汽缸体、油底壳等只需要画外表面，用壳单元，单元平均尺寸使用10，且所有单元要满足网格质量要求。

2）配气机构。主要包括进气和排气两种功能，以便达到置换空气的目的。配气机构中的进气门、排气门、推杆、摇臂、凸轮轴、挺柱、正时齿轮、曲轴、活塞、连杆等在缸体缸盖内部的结构不需要mesh，但是飞轮是需要画出的，因为它会影响整车的碰撞空间。

3）燃油供给系统。高速工况下需要评估燃油系统的完整性，所以燃油系统要尽可能的画详细。根据每个公司的计算能力和要求会有所不同。油箱、油管、燃油泵、燃油滤清器、喷油嘴等需要详细建模。

4）润滑系统。一般包括润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门。一般主要建模是机油滤清器，一些油管等，其他一般不推荐详细建模的。

5）冷卻系统。主要是保证发动机在合适的温度下工作。其中的水泵、风扇、冷凝器等都要详细建模。

6）点火系统。主要需要完成的是：火花塞（缸体外部的结构网格）、发电机、蓄电池、低压线路，我们在告诉工况下需要考核电线是否失效。其他部分一般不需要建模。

7）启动系统主要是画启动电机、继电器等外面可见的零部件。

5结论

一般来讲发动机在碰撞中是处理成刚体部件，但本文从基于工程应用的仿真分析精度要求出发，研究了发动机工程的常用网格单元网格平均尺寸标准，并进一步地给出了每种单元网格平均尺寸的详细参数及应用，最后分系统的研究了发动机那些部件需要建模和详细建模。本文是从仿真分析工程的实际应用出发，结论性的标准和手段可以直接应用于企业级的碰撞仿真分析工程应用中。

参考文献

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收稿日期：2019-05-06

作者简介：李文凤（1984—），男，江西丰城人，硕士研究生，工程师，研究方向：汽车碰撞。

Analysis on Engineering Application of Common Grid Standard for Automobile Crash Model

LI Wenfeng

（Jiangling Motor Co.， Ltd.，Nanchang Jiangxi  ;330001）

Abstract： Abstract： With the continuous development of high-performance parallel computing and the level of computers， the number of meshes in car collision models is rapidly increasing. In order to avoid repeated meshing， this article studies how to use a Engineering application method of common engine grid model. Improve the accuracy of the model grid， reduce the cost of automotive engineering research and development， and speed up the timeliness of simulation analysis.

Keywords： engine; engineering application; grid standard; simulation analysis