呂 償，傅源方，向 宇

(廣西工學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣西 柳州 545006)

1 引言

為降低汽車事故中的人員和財(cái)產(chǎn)損失，歐洲各國制定了統(tǒng)一的歐洲經(jīng)濟(jì)共同體指令和歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)，對(duì)汽車構(gòu)造及使用做出了相應(yīng)嚴(yán)格的規(guī)定，隨著車輛安全相關(guān)法規(guī)的制定、改進(jìn)和完善，目前已經(jīng)形成了美國FMVSS系列和歐洲EEC和ECE系列為代表的兩大車輛安全法規(guī)體系，該體系包括車輛事故預(yù)防、碰撞傷害保護(hù)及其他用以提高汽車碰撞安全性的規(guī)則，并對(duì)具體測試方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定［1－3］。經(jīng)大量研究表明，車頂強(qiáng)度偏弱是汽車在發(fā)生翻滾后，車頂受到?jīng)_擊載荷發(fā)生大變形的同時(shí)侵入駕駛室，使駕駛員生存空間變小，從而對(duì)駕駛員造成致命傷害的直接原因，由此可見在汽車發(fā)生翻滾后，車頂強(qiáng)度直接決定了駕駛員生還的幾率［4］。

國外已經(jīng)對(duì)汽車碰撞安全性的CAE分析做了許多的研究，而國內(nèi)對(duì)汽車駕駛室碰撞安全性CAE分析與研究還處在起步階段，筆者對(duì)某重型卡車駕駛室按照歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)《關(guān)于對(duì)商用車駕駛室乘員保護(hù)方面的車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》(ECER29－02)法規(guī)進(jìn)行了其頂部強(qiáng)度壓潰實(shí)驗(yàn)的安全性數(shù)值分析，采用有限元前處理軟件Hypermesh建立有限元仿真模型，使用LS－DYNA進(jìn)行仿真計(jì)算求解，驗(yàn)證其頂部強(qiáng)度壓潰安全性，并對(duì)仿真結(jié)果提出了改進(jìn)意見。

2 CAE有限元建模

由UG建立某重型卡車駕駛室的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入前處理軟件Hypermesh中，由于該CAD數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜且曲面較多，而且還存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的誤差，因此會(huì)出現(xiàn)面與面之間產(chǎn)生縫隙、重疊、貫穿、錯(cuò)位等缺陷，這將直接影響網(wǎng)格質(zhì)量。在網(wǎng)格劃分時(shí)無形中增加了很多的工作量，為保證網(wǎng)格質(zhì)量而又不影響仿真的真實(shí)性，要消除倒角、小孔以及凸臺(tái)等細(xì)小幾何特征，對(duì)復(fù)雜曲面應(yīng)采取分割式劃分，細(xì)小幾何特征可作適當(dāng)刪除，以避免出現(xiàn)網(wǎng)格之間的貫穿及不連續(xù)。

整個(gè)有限元建模中，對(duì)非重點(diǎn)關(guān)注和對(duì)分析結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響的構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)簡化，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上盡量減少人為操作工作量和計(jì)算機(jī)求解時(shí)間。駕駛室大部分構(gòu)件都是由薄板覆蓋件組成，因此對(duì)駕駛室主體部分采用四邊形殼單元及極少部分的三角形單元對(duì)模型進(jìn)行離散，單元的尺寸的大小及三角形單元的數(shù)量直接影響計(jì)算時(shí)間步長，進(jìn)而影響整個(gè)模型的計(jì)算時(shí)間，所以必須控制最小單元的尺寸，盡量使用四邊形單元，四邊形殼單元的尺寸一般控制在10 mm左右，最小尺寸應(yīng)大于6 mm。整個(gè)有限元模型的殼單元共366130個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量檢查設(shè)置的各項(xiàng)控制參數(shù):翹曲度＜20°;長寬比＜5;最小單元長度＞5 mm;雅克比＞0.7;四邊形最大單元內(nèi)角＜135°;最小單元內(nèi)角 ＞45°;三角形最大單元內(nèi)角 ＜120°;最小單元內(nèi)角＞20°，盡可能避免翹曲單元集中出現(xiàn)在同一片區(qū)域，在碰撞接觸區(qū)域的網(wǎng)格應(yīng)規(guī)則、細(xì)致。

汽車車身材料大面積使用低碳薄鋼板，因此均采用殼單元對(duì)車身進(jìn)行模擬，材料模型用MAT－24，剛性平板用MAT_20號(hào)材料模型，MAT_24和MAT_20的材料參數(shù)具體見表1、2所列。

表1 MAT24號(hào)材料參數(shù)

表2 MAT20號(hào)材料參數(shù)

對(duì)于有限元模型各部件之間的連接方式主要有共節(jié)點(diǎn)、焊點(diǎn)連接和剛體連接。共節(jié)點(diǎn)連接即是將焊接處的2個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有自由度耦合;焊點(diǎn)連接和剛體連接是將2個(gè)及以上數(shù)目的相鄰節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度耦合，Rigdbody和Spotweld這兩種簡單連接方式只能用于可變性單元間的連接和焊接，所用的連接和焊接單元均沒有材料和屬性，如果將其賦予材料和屬性在計(jì)算中將會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤［5］。車身結(jié)構(gòu)連接大部分由點(diǎn)焊工藝完成，整車有幾千個(gè)焊點(diǎn)，部件之間的焊點(diǎn)分布及焊點(diǎn)與焊點(diǎn)之間的間距對(duì)車身受到碰撞、沖擊、壓潰時(shí)的變性模式產(chǎn)生重要影響，在車身受到較大壓力產(chǎn)生較大變形時(shí)，會(huì)出現(xiàn)少量焊點(diǎn)的開裂，現(xiàn)有有限元分析軟件功能還沒有較好的辦法得到焊點(diǎn)的動(dòng)態(tài)失效數(shù)據(jù)，因此本文暫不考慮焊點(diǎn)開裂的情況，只做簡單的焊點(diǎn)連接盡量與實(shí)車上的焊點(diǎn)保持一致，以保證仿真結(jié)果的真實(shí)性，附上完整有限元模型及所有所有焊點(diǎn)效果如圖1、2如示。

圖1 駕駛室有限元模型

圖2 整體焊點(diǎn)效果

仿真參數(shù)的控制對(duì)整個(gè)仿真的結(jié)果有著至關(guān)重要的影響，LS－DYNA顯示中心差分法的穩(wěn)定性決定于時(shí)間長度，板殼單元的最大臨界時(shí)間步長為:

式中:L為單元特征長度;P為質(zhì)量密度;E為彈性模量。

對(duì)本文殼單元為10 mm左右的網(wǎng)格尺寸，設(shè)置時(shí)間步長為1e－6s，即可保證計(jì)算穩(wěn)定，整個(gè)駕駛室頂部強(qiáng)度計(jì)算時(shí)間預(yù)設(shè)20 ms，時(shí)間步長采用質(zhì)量縮放控制，駕駛室頂部強(qiáng)度壓潰實(shí)驗(yàn)是通過一個(gè)剛性平板加載，對(duì)駕駛室車架支撐處施加全約束來模擬車身在車架上固定的情況，為防止頂蓋受剛性平板加載過程出現(xiàn)不同部件之間相互貫穿或部件產(chǎn)生大變形，選擇自動(dòng)單面接觸可保證汽車全部構(gòu)件之間不會(huì)發(fā)生貫穿，可相對(duì)滑動(dòng)，部件與部件之間考慮摩擦，本文定義的接觸類型為:* Contact_Automatic_Single_Surface，*con－tact_Automatic_Surface_to_Surface接觸。

3 駕駛室頂部強(qiáng)度仿真結(jié)果

根據(jù)ECER29－02法規(guī)［6］，筆者對(duì)駕駛室的頂部強(qiáng)度仿真實(shí)驗(yàn)證明其強(qiáng)度的安全性，頂部強(qiáng)度仿真實(shí)驗(yàn)就是模擬駕駛室在180°完全翻轉(zhuǎn)后，頂部要承受前軸載荷的全部載荷，由于ECER29－02法規(guī)要求頂部所加載的最大靜載荷不大于98 kN，本次仿真實(shí)驗(yàn)車型的前軸載荷為7 t，故68.6 kN。在預(yù)定的加載時(shí)間內(nèi)，駕駛室的變形已完全形成，剛性平板較初始位置垂直運(yùn)動(dòng)了82.3 mm，因加載剛性平板的初始位置建模位于頂部正上方與頂蓋將要接觸但又未接觸的位置，故剛性平板的位移就是頂部在受壓后的位移，符合ECER29－02法規(guī)的要求，即便加載后頂部出現(xiàn)變形，但仍為駕駛員提供了180°翻車后的生存空間，整個(gè)加載過程中，沙漏占總能量的0.035%，滑動(dòng)占總能的0.46%，質(zhì)量增加0.58%，因整個(gè)加載過程屬于靜態(tài)加載動(dòng)能可完全忽略不計(jì)，有應(yīng)力云圖可知頂蓋、A柱、B柱及駕駛室正前方橫梁承受較大應(yīng)力，頂蓋部分最大應(yīng)力580.3 MPa，B柱最上端承受603.4 MPa，均沒有達(dá)到該車型材料的最大屈服應(yīng)力，故在整個(gè)頂壓過程中不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)垮塌。

4 結(jié)語

參照ECER29－02對(duì)某重型卡車駕駛室頂部強(qiáng)度進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，該仿真實(shí)驗(yàn)一定程度上代替實(shí)車的實(shí)驗(yàn)，為該類車型的改進(jìn)提供了理論依據(jù)，同時(shí)為開發(fā)新型車型和質(zhì)量認(rèn)證提供一定的參考價(jià)值，節(jié)約了車輛開發(fā)認(rèn)證的成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)仿真結(jié)果，改進(jìn)意見如下。

(1)在駕駛室頂部考慮加裝高頂蓋，車輛發(fā)生事故時(shí)一定程度上起到極大的緩沖作用，而且高頂駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日益趨于主流。

(2)對(duì)B柱和頂蓋橫梁之間采取封閉設(shè)計(jì)，焊點(diǎn)連接方式在頂部受到較大應(yīng)力時(shí)會(huì)出現(xiàn)外鼓，變形較大，封閉結(jié)構(gòu)可提高同等材料下構(gòu)件的抗變形能力。

(3)在頂部兩側(cè)之間加一橫梁，可使頂部受力均勻，有效避免應(yīng)力集中。

［1］鐘志華.汽車碰撞安全技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］張金換，杜匯良，馬春生，等.汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［3］葛如海，劉志強(qiáng)，陳曉東.汽車安全工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］劉晶郁，李曉霞.汽車安全與法規(guī)［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［5］胡遠(yuǎn)志，曾必強(qiáng)，謝書港.基于LS－DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［6］關(guān)于對(duì)商用車駕駛室乘員保護(hù)方面的車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定(ECER29－02)［S］.