RADIOSS整车碰撞模型转换方法的研究与应用

RADIOSS整车碰撞模型转换⽅法的研究与应⽤
RADIOSS整车碰撞模型转换⽅法的研究与应⽤
周会锋杜汉斌王⼤志汤晓东
上海汽车股份有限公司乘⽤车公司上海 201804
摘要：整车被动安全性研究是汽车研发领域中的重点，⼯程实际中经常遇到不同软件有限元模型之间的转化问题。

本⽂根据实际⼯程的应⽤情况，详细的介绍了上海汽车某轿车整车碰撞模型从LS-DYNA格式转化为RADIOSS格式的具体应⽤⽅法，并最终将使⽤RADIOSS显式求解器对整车碰撞各⼯况的仿真分析计算结果与整车试验测试数据进⾏⽐较分析。

从对⽐结果可以看出，采⽤RADIOSS显式求解器得到的整车碰撞仿真结果与试验结果吻合较好，计算精度较⾼，从⽽验证了新转化的RADIOSS模型的有效性，并进⼀步验证了模型的转化⽅法的可⾏性和合理性。

同时，本⽂所介绍的模型转换⽅法和流程，可为各领域类似的模型转换⼯作提供⼀定的指导作⽤，具有重要的⼯程应⽤价值。

关键词：整车碰撞，模型转换⽅法，RADIOSS，⼯程应⽤
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
图1整车CAE模型从LS-DYNA向RADIOSS转换流程图
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。

表1 整车碰撞仿真分析中最常⽤的材料类型关系对照表
序号材料类型LS-DYNA RADIOSS
1 弹性材料MAT_001 *MAT_ELASTIC LAW1 /MAT/ELAST
2 弹塑性材料MAT_00
3 *MAT_PLASTIC_KINEMATIC LAW4
4 /MAT/COWPER
3 空壳材料MAT_009 *MAT_NULL LAW0 /MAT/VOID
4 刚体材料MAT_020 *MAT_RIGID LAW1+RBODY
/MAT/ELAST+R
BODY
5 弹塑性材料MAT_024
*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTI
CITY LAW36
/MAT/PLAS_TA
B
6 蜂窝材料MAT_026 *MAT_HONEYCOMB LAW28
/MAT/HONEYCO
MB
7 粘弹性材料MAT_027 *MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER LAW42 /MAT/OGDEN
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。

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。

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。

表2 刚体连接⽰意图（LS-DYNA与RADIOSS⽐较）
LS-DYNA RADIOSS
⽰意
图
*CONSTRAINED
/RBODY/…
连接代码
_RIGID_BODIES
材料*MAT_RIGID /MAT/ELAST/…
/GRNOD/PART/…
说明直接通过连接代码将A和B组合在⼀起。

将A和B组合成⼀组
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。

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
求解器接触类型适⽤范围
RADIOSS /INTER/TYPE7 ⾃接触、主从点⾯接触/INTER/TYPE2 粘胶、焊点接触
/INTER/TYPE10 ⽆分离的主从接触
LS-DYNA *CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE 相对接触
*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 粘胶、焊点接触
*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE 垂直⾯接触
*CONTACT_SINGLE_SURFACE ⾃接触
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。

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。

6 参考⽂献
[1] 马春⽣,李可瑞,张华坤等.从LS-DYNA到PAM-CRASH的模型转换及侧⾯碰撞仿真
[C],2008中国汽车
安全技术国际研讨会论⽂集,2008.6: 281-285
[2] Altair Engineering Inc. Altair HyperWorks User's Manual[M], Altair Engineering Inc:2008
[3] LS-DYNA Keyword User’s Manual. Version 971. LSTC. 2007
[4] CELLBOND V20 BARRIER USER’S MANUAL. BARRIER Version 1.2. MECALOG.
[5] Offset Deformable Barrier CEVE, Version 10.0, Release A June 2010. Altair Engineering, Inc.
[6] 潘皤,朱西产,王⼤志等.燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究[J].汽车⼯
程,2008.30(11):1013-1017
[7] 范体强,万鑫铭,李阳.汽车侧⾯碰撞安全性研究[C]. 2010中国汽车安全技术国际研讨会论⽂集,重庆, 2012.8.25-8.27 Research on the Application of Vehicle Crash Model
Conversing Based on RADIOSS
Zhou Huifeng Du Hanbin Wang Dazhi Tang Xiaodong
Abstract：Research of vehicle passive safety is the key point in the field of automotive
research & development. In the practical work, conversing FE Model between different softwares is
often needed. According to the application of engineering, the conversing method of FE model from
LS-DYNA to RADIOSS is introduced in detail based on one SAIC passenger vehicle. The simulation result of RADIOSS is compared with physical test data. The RADIOSS result
shows good agreement with the experiment data and has high calculation accuracy. It proved that converted model of RADIOSS is effective. It also implies that the model conversing method is feasible and reasonable. The method proposed in this paper could guide the model conversing in similar field. It has practical engineering value.
Key words：Vehicle crash FE model conversing method RADIOSS engineering application。