孙彦彬，徐天时，马思群

(大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁 大连116028)

基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB1200404)

作者简介：孙彦彬（1976—），男，副教授，博士，主要从事机车车辆碰撞吸能与优化方面的研究，1105294838@qq.com.

摘要：针对点阵块壳单元模型求解时间过长的问题，研究可行的简化建模方法。首先建立了反映点阵材料细节特征的壳单元锥台点阵模型，进行匀速异面压缩仿真，得到精细模型的压缩特性参数；然后基于PAM-CRASH软件材料库中41号材料建立等效的实体单元点阵块压缩仿真模型。对比了壳单元和实体单元建模仿真得到的碰撞响应特征曲线，结果表明，实体单元模型在触发力、平台力、压实应变以及吸能量等方面与壳单元模型吻合性良好，用实体单元建立的模型单元数量和求解时间更少，以实体单元替代壳单元建模可以提高求解效率。

关键词：锥台点阵；实体单元建模；仿真；求解效率

中图分类号：U270.2   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)04-0086-05

点阵材料是由特定的胞元在空间中有序排列构成的组合结构材料^［1］。依据胞元的类型，点阵材料主要分为四棱锥点阵、金字塔点阵、Kagome点阵、编织结构点阵等^［2］。点阵材料具有优异的力学性能、复杂的空间结构和多样化的可设计性，近年来被越来越多地关注和研究^［3-6］。

点阵材料胞元的尺寸小，在利用仿真方法研究点阵材料性能时，为了体现出点阵的结构特征，往往需要进行精细的仿真建模。韩福娥等^［7］在对多级金字塔点阵结构进行压缩吸能研究时，用实体单元对细致的金字塔点阵棱柱结构和面板进行建模，由于二级金字塔结构较复杂，因此采用对称建模的方式以4个金字塔胞元代表整个金字塔夹芯板来进行点阵结构的研究。朱凌雪等^［8］在研究芯体截面梯度变化的金字塔点阵平压性能时，用实体单元模拟了芯体，由于模型中最小网格尺寸小于1.5 mm，为了控制仿真模型规模，因此模型中只有一个胞元。考察点阵结构宏观力学性能时，需要点阵胞元达到一定的数量，如果此时仍将点阵结构的细节表达出来，将导致整个模型求解难度增加，这时点阵的细节特征需要进一步简化。徐建新等^［9］对金字塔点阵结构进行了低速冲击有限元仿真，在建模时将结构用壳单元和实体单元网格准确地表达出来，在172 mm×172 mm的区域内网格单元数量有近30万个，尽管模型精度足够高，然而这种建模方式并不适合在大型结构中使用；舒剑^［10］在对金字塔点阵夹芯结构进行抗暴抗侵彻仿真时，用梁单元简化金字塔结构，与精细模型相比，简化模型的单元数量是原模型单元数量的1/30，但仍具有较高的精度。

建立点阵结构有限元模型时，有必要根据考察的重点忽略一些细节特征，进行合理的简化。模型网格的尺寸足够小才能体现点阵胞元的变形特征，但是工程上将点阵结构应用于整车碰撞安全仿真时，关注的重点是整个点阵块体的力学性能，并且当整车中点阵结构的网格尺寸远小于其他部件时，整个模型的求解时间步长会减小，求解时间增加。为了提高求解效率，从点阵材料力学特征一致性角度出发，研究实体单元替换壳单元建模的可行性，具有实际意义。