整车碰撞仿真：ANSA安全带模型快速创建

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导读：大家好，我是团长，仿真秀平台ANSA专栏作者，6年的汽车行业CAE仿真分析 从业经验。先后在四川大学机械设计制造及其自动化专业（本科）、重庆大学车辆工程专业（硕士）和日本北海道大学（工学研修生）学习。曾服务于北汽银翔 、江森座椅 、长安福特 和上汽大众 等公司，分析内容涉及座椅碰撞强度、车身刚度、车门刚度、车身碰撞仿真分析、疲劳分析以及新能源电池包总成仿真分析 等。研发参与过的品牌包括银翔、长安、福特、大众、斯柯达、奥迪等。

欢迎大家关注团长，我在仿真秀平台分享ANSA软件操作和行业应用。

曾几何时，笔者撰写的万字长文《ANSA快速入门指南中文帮助文档浅析》深受学习型仿真工程师朋友们的喜爱。今天，我将分享如何在ANSA中创建安全带的有限元模型——我们用到的功能是【SeatBelt】。

做整车碰撞模拟仿真的朋友，可能需要创建安全带或者对现有安全带进行调整。但是一条安全带基本都会包括卷缩器、滑轮、布带等部分，各个部分和假人座椅等还需要配合定位，更有接触需要设置，根本不是那么简单就能创建出来的。但是，ANSA中却有一个插件，能帮助用户进行各个部分的定义，然后快速创建出来完整的安全带模型。

下面，我们来讲讲这个ANSA自带的插件怎么使用。

一、激活与创建安全带插件

首先我们激活功能：

Deck > SAFETY > SeatBelt > SeatBelt Tool. 如此，我们将会打开以下界面。

在初次使用这个功能时，如上的界面中将会是空白，空白处也会提醒用户使用鼠标右键新建一个安全带，如下：

我们按照默认的方式新建一个安全带，这样我们就能看到以下的界面内容。

一个典型的安全带一般都由三段构成：

• 1、车身卷缩器中的伸出部分；
• 2、胸前的部分；
• 3、腹部部分；

这三处分别对应窗口中的三个部分，如下所示。至于Parts to Wrap，则需要指定安全带包裹的身体部分。而窗口下方的【Parameters】，则是用来控制定义各个部分的安全带的参数。三个部分都需要分开定义，分开生成。

好了，清楚以上界面中的安全带创建流程，我们开始对各个部分进行定义。

二、定义安全带详细设置

第一步是定义安全带需要包裹的对象，在【Parts to Wrap】上右键选择【Select Parts】选择假人的身体部分，点击中键确认，这样，【Parts to Wrap】的状态将由“红叉”变为“绿勾”。

接下来定义安全带的第一段：车身上由卷缩器伸出的安全带部分。然后，我们在【Component 1】选项上右键选择【Pick Points】，激活后我们需要先后选择两个点。

按照如下图示选择两个定位节点后按中键确认，我们会看到窗口出现两个节点的列表，如下所示。

选中【Component 1】后，我们看到窗口下方的【Parameters】有些关于第一段的定义，比如单元大小（12mm）、起始单元类型（卷缩器单元）、结束单元类型（滑轮单元）等等，我们保持默认。

选中【Component 1】右键选择【Create Component】，然后就有如下的第一部分被创建出来，我们看到起始单元是一个卷缩器单元，中间是边长为12mm的安全带单元，结束单元是一个滑轮单元。

安全带的第一部分被创建出来后，我们继续来创建第二部分。和第一部分类似，选中【Component 2】，右键选择【Pick Points】，然后在模型中按照安全带的走向路线依次选择第二段安全带的节点。如下图所示。

确认节点选择后，按鼠标中间确认，即可看到如下图所示的节点列表，然后选中【Component 2】，右键选择【Create Component】，就能创建出来第二部分的安全带。如下图所示。（值得注意的是，这部分的安全带部分也有自己的【Parameters】参数控制，图例为采用默认参数所创建。）

第二部分所创建出来的安全带可拖动路径节点来微调安全带的位置。如下所示。

接下来，我们来创建安全带的第三部分。选中【Component 3】右键选择【Pick Points】。确认这些路径节点后，然后中间确认。

确认后节点后，节点列别依然会出现在【Component 3】选项下的列表中。然后我们选中【Component 3】右键选择【Create Component】，就会出现以下的腹部的安全带，这部分的安全带依然能通过拖动节点来微调。然后我们按鼠标中间确认这一部分的创建。（值得注意的是，这部分的安全带部分也有自己的【Parameters】参数控制，图例为采用默认参数所创建。）

截至如上，我们便成功创建出来了安全带的模型。需要提醒的是，安全带的接触等都被自动创建，但是材料却是没有定义的。由于安全带的具体材料参数，各家自有自己的材料库，不一而同，此处省略一万字（属于敏感保密内容）。但是，我可以围绕材料的应力应变曲线进行讲解。

三、材料的应力与应变曲线

懂材料曲线，是一个CAEer的基本功。什么是真应变。在《材料力学》中，应力和应变分别定义为：单位面积上的内力和单位长度的改变量。用公式表示分别为：

为什么要定义应力和应变呢？

应力、应变在表征材料强度和变形能力中具有很强的实用性。

假设有A和B两种材料，用材料A做成直径20mm的圆棒试样，材料B做成直径为10mm的圆棒试样，材料A在50kN的拉力下被拉断，材料B在45kN 拉力下被拉断。

但我们并不能说材料A的承载能力就比材料B的承载能力高。为什么呢？我们根据以上的公式（1）可以求出两者的最大应力：

可见，材料B比材料A有更高的承载能力（3倍还多），只是因为试样B截面积较小才在较小的拉力下断裂，因此用“单位面积上的内力”就消除了试样截面尺寸的影响，得到材料的本身属性。变形方面也是这样，还是材料A和B，假设其截面相同（直径10mm），但试样长度不同，材料A长为200mm，材料B长为250mm，假设在45kN下两种材料的伸长量都是0.2mm，同样我们也不能就说材料B具有和材料A相同的变形。按照应变的定义，有

在相同的外力下，两个样件产生了相同的伸长量，我们能说两种材料有相同的变形能力吗？不能，实际上材料A的变形要多一些。可见，应变通过“单位长度的变形量”消除了比较材料变形能力时的试样长度影响。

万能试验机 （来源于网络）材料强度和变形的测定一般用万能试验机来测定（如上图），将标准样件安装在上下两个夹具之间，通过力传感器和位移传感器，测出在拉伸试件过程中力的变化和样件的伸长量，并将其画在“力-伸长量”的坐标系内，将其分别除以截面面积和试件长度可得到“应力-应变曲线”。下图所示为低碳钢拉伸曲线，由于它具有弹性变形、屈服流动、强化、颈缩四个典型的材料变形特征，因此常被用来说明材料的变形过程。

低碳钢拉伸曲线（来源于网络）需要强调的是，按照前面应力、应变的定义，将拉力P除以试样面积A0，将伸长量∆L除以试样长度L0，所得到的应力、应变，实际上有很大的问题，主要集中在颈缩阶段。在这个阶段，试样面积急剧减小，但是应力求解还是利用拉力除以原始截面面积A0，这就产生了错误！同样，试样在拉伸过程中，长度不断增加，但求解应变还是用伸长量除以原始长度L0，这也是不对的。因此，这样求出来的应力应变并不是真实的应力、应变，只能算是名义上的应力、应变，因此称之为名义应力和名义应变，大概是工程使用上比较方便，也称为工程应力和工程应变。而真实的应力、应变称为真应力和真应变，需要以瞬时的截面面积和瞬时的试样长度为标准去定义。假设试样原始长度为L0，变形终了为Lf，变形过程中任意瞬时为Li，同样的下标也用来标识变形过程面积A。另外P表示瞬时的载荷，任意瞬时的真应力S定义为：

假设材料体积不变，即有

上式可推导出真应力：

对于真应变，设试样在加载过程中的变形的微增量为dl，则微变形过程中真应变为：

假设样件从L0变形到Lf，则总变形量为：

如果用真应力、真应变表示低碳钢的拉伸曲线，在颈缩阶段，真应力也是在上升的，如下图所示：

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