新型光滑三角形殼元研究及其在汽車碰撞問題中的套用

《新型光滑三角形殼元研究及其在汽車碰撞問題中的套用》是依託湖南大學，由鄭剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型光滑三角形殼元研究及其在汽車碰撞問題中的套用
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄭剛
• 依託單位：湖南大學

中文摘要

三角形殼單元具有良好的複雜幾何邊界逼近性能以及格線加密策略等優勢，因而得到很多研究者的關注。然而受精度、計算效率和適用範圍等因素的影響，限制了其在動態大變形問題中的套用。為解決上述問題，本項目基於光滑弱形式和板殼理論，提出一種新型光滑三角形殼單元，並套用於以汽車碰撞為代表的動態大變形問題。該單元基於光滑弱形式而非傳統最小位能原理的弱形式，通過插值域與積分域相分離，即位移場仍在單元插值插值域獲取, 應變場則在光滑積分域通過光滑操作獲得,有效地提高單元計算精度，並且構造過程中沒有引入額外參數和自由度，因而單元簡捷有效。該項目的研究成果將能夠充分發揮三角形殼單元的優勢，解決當前主流三角形殼單元無法用於汽車接觸碰撞等實際工程計算的難題，最終為縮短車身開發設計周期，推動汽車行業的技術進步做出積極貢獻。

結題摘要

本項目旨在構造一種新型光滑三角形殼單元，用於汽車車身碰撞模擬和覆蓋件成形等接觸碰撞動態非線性問題，形成相應的軟體分析系統，為三角形殼單元用於汽車車身設計提供有效的理論支持和軟體支撐。申請人為解決傳統線性低階三角形殼單元精度過低的問題，打破傳統單元在構造過程中插值域與積分域重合的限制，基於插值域與光滑積分域相分離的思路沿邊形成新的光滑積分域，而不直接選用單元插值域作為光滑積分域。此時位移場在單元插值域內按照傳統有限元方法進行插值，而應變場則在光滑積分域通過應變光滑運算元對單元應變場進行重構，在一定程度上解決有限元模型過剛問題，提高單元計算精度。申請人給出了新型三角形單元動態顯式有限元格式，並在光滑迦遼金弱形式下推導光滑應變率形式的節點內力、節點外力以及節點慣性力，並對各類標準算例進行分析計算，從計算精度和收斂性等方面驗證了新型單元的有效性。為解決新型三角形單元在求解大規模接觸問題時的計算效率問題，申請人及其項目組成員開展了基於GPU的並行計算方法研究。通過結合新型三角形殼單元和GPU並行計算構架，開發了動態非線性並行計算軟體，極大地提高了求解薄板衝壓成形和汽車接觸碰撞等問題的計算效率。申請人採用汽車車身關鍵零部件碰撞實驗對單元算法進行實驗驗證，進一步驗證新型單元在計算汽車碰撞問題中的算法有效性。此外，申請人在本項目研究內容的基礎上，開展了汽車關鍵結構件設計拓展研究，並取得一系列研究成果。申請人首先對薄壁多胞吸能結構演化規律和其在高速衝擊條件下能量吸收性能進行研究；然後提出了一種新型梯度多胞吸能結構，在保持相同質量的條件下大大增強薄壁吸能結構的碰撞特性；最後開展了泡沫填充結構薄壁吸能結構耐撞性研究。總之，申請人已完成了本項目的相關內容，並進一步拓展了研究內容的範圍，為展開進一步的研究奠定了基礎，在本項目的資助下，申請人及項目組成員在SCI源刊上已發表論文4篇，獲得軟體著作權1項，另有3篇本項目研究成果論文已投向SCI源刊雜誌，並正申請一項發明專利。